摘 要： 介紹了一種基于雙光路法的煙霧測量系統(tǒng)的設計方案。通過朗伯-比爾定律，采用雙光路法消除了溫度、濕度等環(huán)境因素對系統(tǒng)的影響，并結(jié)合軟件濾波算法，有效地抑制外界及傳感器自身的干擾，取得了較好的測量效果。實際測量表明，該系統(tǒng)運行穩(wěn)定、可靠性高、有效避免干擾，能實現(xiàn)較高精度的測量。
關鍵詞： 雙光路；朗伯-比爾定律；濾波算法；測量系統(tǒng)；煙霧測量
火災煙霧是火災的前兆和伴隨產(chǎn)物，是可燃物燃燒產(chǎn)生的氣溶膠，是火災探測研究的重要參量，其主要成分包括微小固體顆粒、微小液滴及灰塵等[1]。探測這些煙霧顆粒，也就可以實施火災探測。本文基于消光原理，結(jié)合相關硬軟件設計，提出一種基于雙光路的煙霧測量系統(tǒng)。采用雙光路法，有效消除了外界溫度、濕度等影響，可以準確測量煙霧濃度。
1 測量原理及分析
Lambert-Beer定律的推導與分析如下：當光在吸收介質(zhì)和混沌介質(zhì)中傳播時，能量在其傳播途徑上不斷地衰耗，在線性范圍內(nèi)，對于平面波，傳播途徑損耗的能量與光通過的距離成正比[2]，即：
在實際應用中通常采用如下形式：
當一束光在穿過煙霧場之后，與懸浮顆粒相互作用，強度會發(fā)生衰減。顆粒對光的衰減影響包括散射與吸收兩種方式[3]。光強在煙霧中隨傳播距離的強度衰減可用Lambert-Beer定律定量地描述：
2 光路設計
利用本系統(tǒng)測量時，只須測量參考光臂和測量光臂的信號強度的差值，即可測出煙霧衰減，通過計算就可得出煙霧濃度。系統(tǒng)采用雙光路法測量，其光路設計框圖如圖2所示。
本設計中激光器采用體積較小的半導體激光器，波長為650 nm，激光束通過分光鏡分為測量光束和參考光束兩種。由于引入激光作為入射光源，克服了光電感煙探測器由于光強限制造成的靈敏度問題，且降低了背景光的干擾，突破了傳統(tǒng)的光電感煙技術僅僅針對光強一項參量作為直接或間接的探測依據(jù)。傳感器采用型號為2CU68A的光電池，光電池帶有濾光片，工作波長為530 nm~850 nm，峰值波長為650 nm。在實際測量中，多少會有前向散射光被收集。對于小顆粒，入射光在各個方向都會被散射，但前向散射光強僅占總光強的很小一部分。隨著顆粒粒徑的增大，前向散射的光強變得越來越大。對于明火燃燒的煙霧來說，散射效應的影響不大，70％及更多的入射光強衰減都是由吸收造成的。但盡管如此，在測量光路中加了準直鏡后，可以盡可能地避免前向散射光強對測量結(jié)果的影響。
系統(tǒng)工作時，光學部分分為測量光臂和參考光臂，通過主控制板控制步進電機進行調(diào)制，測量光臂和參考光臂分時照到傳感器上，實現(xiàn)分時測量。假設在沒有煙霧時，測量光臂和參考光臂的信號輸出分別為I1、I2；在有煙霧時，測量光臂和參考光臂的信號輸出分別為I3、I4，則可得出衰減系數(shù)，通過微處理器計算，即可得出煙霧濃度。
3 硬件電路設計
系統(tǒng)采用了高精度的模數(shù)轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)光電信號的快速、精確測量，結(jié)合CAN總線穩(wěn)定、高速等特點，實現(xiàn)數(shù)據(jù)的實時傳輸，并且采用了RS232通信接口，可方便地與PC機建立通信，實現(xiàn)用上位機程序?qū)y量數(shù)據(jù)進行分析及處理。系統(tǒng)電路框圖如圖3所示。
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