（通信与信息系统专业论文）高速动车组智能烟火报警系统的设计与开发.pdf

大连理下大学硕+ 学位论文 摘要 随着人们对旅行环境、出行条件的要求越来越高，铁路正在进行着一场深刻的“交 通革命 ，高速动车组无疑扮演着铁路高速时代生力军的重要角色，其安全防护工作更 是不容忽视。高性能的烟火报警系统作为保障动车行车安全的重要组成部分，可以大大 减少火灾事故的发生，有效降低火灾造成的损失。遗憾的是，我国的高速铁路发展起步 晚，现行运营的动车组上装配的烟火报警系统完全依靠国外进口。本文在分析、消化和 吸收国外先进的动车报警系统的基础上，按照合作单位要求，自主开发和设计了一套低 成本、低功耗智能烟火报警系统，从而打破了国外在这一领域的垄断地位。 文章在综合分析火灾发生规律和光电感烟探测原理的基础上，提出一套烟温复合探 测与分布智能控制相结合的节点火灾报警子系统解决方案。基于m i c 眦k p 公司 p i c l 6 f 8 7 3 a 硬件开发平台，设计了烟雾浓度和环境温度采集电路，探测器内置智能火 灾探测算法，直接输出火警正常判断结果。区域火灾报警控制器以p i c l 6 f 6 3 0 单片机 为核心，综合管理六路监测点探测器状态信息，及时发出声光报警警报，并通过v c u ( v e m c l cc o n n 0 lu n i t ) 控制单元向t c m s ( t i 面n s e tc o n t r o la l l dm 锄a g e m e n ts y s t e m ) 上报节点火警正常汇总信息。 作为一个合格的工业产品，本文除完成上述功能性设计外，还综合运用了各种软硬 件抗干扰和冗余保障技术，保证了系统安全可靠运行。同时设计实现了系统自检诊断功 能，极大地方便了使用者快速、准确地定位故障部位，对于类似嵌入式产品开发具有一 定的参考借鉴意义。 本文设计的智能烟火报警系统，最终经调试生产、实验室烤机，并四次上车试验， 产品完全符合合作方设计要求，成功实现了动车火灾报警系统的国产化。 关键词：光电感烟；烟温复合探测；分布控制系统；火灾报警系统；可靠性设计 高速动车组智能烟火报警系统的设计与开发 d e s i g na n dd e v e l o p m e n to fi n t e l l i g e n tf i r es m o k ea l a r ms y s t e mo nh i g h s p e e de m u s a b s t r a c t a st h er e q u i r e m e l l t so f 仃a v e l i n gc n v i r o m e n ta n dt r i pc o n d i t i o nb e c o m eh i g l l e ra n d h i 9 1 1 m er a i l w a yi su 1 1 d e r g o i n gap r o f o u n d ”t r a m cr e v o l u t i o n ”u n d o u b t e d l y e m u s ( e l e c t r i cm u l t i p l eu i l i t s ) p l a y sa i li m p o r t a mr o l eo fn e wf o r c ei nt h eh i 曲- s p e e dr a i l w a ya g e ， a n dt i l e i rs a f e t yp r o t e c t i o ni se v e l lm o r ci n d i s p e n s a b i e a sa ni m p o n a l l tc o m p e t e n tf o r e n s u r i n gt h et r a i no p e r a t i o ns a f e t y ，h i 曲一p e r f o 肌a n c ef i r es m o k ea l a n ns y s t e mc a i lr e d u c em e 6 r ea c c i d e n t 黟e a t l y 锄dd r o pt h ef i r el o s se f 氨t i v e l y u n f o r t u n a t e l y m ed e v e l o p m e n to f h i 曲- s p e e dr a i l w a ys t a r t e dl a t ei nc h i n 如m ef i r es m o k ea l a n ns y s t e ma s s 锄b l e do no p e r a t i n g e m u si sm o s t l yi m p o f t e d 舶ma b r o a da tp r e s e n t b a s e do nt h e 锄a l y s i sa n da b s o 印t i o no fm e a d v a n c e da l a m ls y s t e mi n l p o r t c d 矗0 ma b r o a d ，al o wc o s ta i l dl o wp o w e ri n t e l l i g e l l tf i r e s m o k ea l a r ms y r s t 锄，a c c o r d i n gt ot 1 1 ec o o p e r a t i v eu 】1 i t sr e q u e s t ，i sd e v e l o p e di n d 印e n d e n t l y i nt l l ep a p 肌db r e a k sm ef o r e i 髓m o n o p o l yp o s i t i o ni nm i sf i e l d b a s e do nt h ec o m p r e h e n s i v e 姐a l y s i so fo c 蝴c er e g u l 撕t yo ff i r ea 1 1 dp r i n c i p l eo f p h o t o e l e c t r i cs m o k ed e t e c t i o n ，as o l u t i o no f n o d ej e i r ea l a r ms u b s y s t e l t lb a s e do ns m o k e - h e a t c o m p o u n dd e t e c t i o nt e c h n o l o g ya n dd i s t r i b u t e di n t e l l i g e n tc o n t r o l t e c h n o l o g y ，i sp r o p o s e di n t h ep a p e r u s i n gm i c r o c h i p i sp i c l6 f 8 7 3 ah a r d w a r ed e v e l o p m e n t p l a t f o m ， as m o k e c o n c e n t r a t i o na n d 锄b i e n tt e m p e r a n j r ec o l l e c t i o nc i r c u i ti sd e s i 印e d ，a n dt h ed e t e c t o r b u i l t i n i n t e l l i g e n tf i r ed e t e c t i o na l g o r i t h mc a l ld i r e c t l yo u 郇u tt h ea l a n i l n o 咖a lj u d g m e n t 7 r h e r e 百o n6 r ea l a n na i l dc o n t r o ld e v i c et a k e ss c m p i cl6 f 6 3 0a st h ec o r e ，c 0 m p r e h e n s i v e l y m a i l a g e ss i xd e t e c t o 心s t a t ei n f o m a t i o n ，r a i s e st l l es o u n da i l dl i 曲ta l a mw a m i n gi nt i m e ，a n d r 印o r t sn o d e研l m m a r i z i n ga l a n n n o 肌a li n f 0 肌a t i o n t ot c m s ( t r a i n s e tc o n t r o la n d m a n a g e m e n ts y s t e i l l ) b yv c u ( v e h i c l ec o n 觚lu n i t ) a saq u a l i f i e di n d u s t r i a lp r o d u c t ，m i sp a p e rn o to n l yc o m p l e t e st h ea b o v e 如n “o nd e s i 印， b u ta l s oa p p l i e sv 撕o u sh a r d w a r e s o 触a r ea n t i i m e r f e r e n c ea n dr e d u n d a n tt e c t l l l o l o g i e s c o m p r e h e n s i v e l y ，e 1 1 s u r e sm es a f e t ) ra l l dr e l i a b i l i t yo fs y s t 锄o p e r a t i o n 1 1 1 e 向n c t i o no f s y s t 锄s e l f 二c h e c ka n dd i a 龋o s i si sa l s od e s i 印e da n di m p l e i i l e n t e d ，a i l di tc a j l 西v em u c h c o n v e n i e n c ef o ru s e rt ol o c a t ef a u l tp o s i t i o nq u i c k l ya 1 1 da c c u r a t e l y t h e r e f o r em ep 印e rc a l l a l s o 百v es o m er e f 打e n c ea n da s s i s t a l l c ef o ro t h e rs i m i l a re m b e d d e dp m d u c td e v e l o p m e n t t h em e l l i g e n tf i r es m o k ea l a r ms y s t e md e s i 盟e di nt h ep a p e r ，d e b u g sa n dt e s t sn o to i l l y i nl a bb u ta l s oo n 砌nf o rf o u rt i m e s ，a i l dt h ef i n a lr e s u l ti n d i c a t e st l l a tm ep r o d u c ta c c o r d s i i 大连理工人学硕士学位论文 w i t ht h er e q u i r e i i l e i l to fc o o p e r a t i o nc o m p l c t e l ya n dr e a l i z e s l el o c a l i z a t i o no ff i r ea l a n i l s y s t e mo ne m u ss u c c e s s 如l l y k e yw o r d s ： p h o t o e l e c tr cs m o k ed e t e c t i o n ；s m o k e - h e a tc o m p o u n dd e t e c t i o n ；d c s ； f a s ；r e l i a b i i i t yd e s i g n i 一 大连理工大学学位论文独创性声明 作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究 工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外， 本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请 学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献 均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文题目勰玉蒌耸铅丝烟幺撼名盆。囱盈洼纽缓 作者签名： 越铉熬日期：j 塑。年止月l 日 大连理：i ：人学硕十学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间 论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有 权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，可以将 本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、 缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。 学位论文题目：为逾茎组绍瑟姻燃丝象盈函鱼吐勃缝 作者签名： 盘庄鑫 日期：二幽4 一年卫月止日 别雌红汤氛耐嘲：茸年皿日 人连理j 二大学硕士学位论文 1绪论 1 1 论文研究背景和意义 火灾是最常威胁公共安全和社会发展的主要灾害之一，其直接损失约为地震的五 倍，仅次于干旱和洪涝，且其发生率最高，伤害面最广【l 】。根据“世界火灾统计中心2 0 0 0 统计资料”，全球每年约发生火灾6 0 0 万至7 0 0 万次，每年死于火灾约有6 5 0 0 0 至7 5 0 0 0 人，许多发达国家每年火灾直接经济损失约占g d p 的2 。 铁路列车在火灾事故发生的比例上虽然远低于路面交通方式，但是在火灾控制方面 却处于极大的劣势。铁路是国民经济和社会发展的大动脉，客运列车是输运旅客的主要 交通工具，运能、运量大，人财物大量集中。由于客车发生火灾时的地点、环境等因素 不确定，救援力量难以及时赶到，加之客车的结构特点，使得火灾扑灭、人员疏散等救 援行动十分被动。 近半个世纪以来，随着世界各国经济的发展和人民生活水平的提高，人们对旅行环 境、出行条件的要求越来越高，铁路正在进行着一场深刻的“交通革命”。安全、快捷、 经济、舒适、环保的高速动车组，无疑扮演着铁路高速时代生力军的重要角色【2 】。我国 铁路经过第六次大提速，已经上线运行了时速2 0 0 公里及以上的“和谐号 动车组，然 而在客货混跑的公用线上开行动车组，由于列车密度大，行车组织难，一旦发生火灾造 成行车中断，将严重干扰铁路正常运输秩序。这不仅是自身的损失，也会带来严重的社 会影响。动车组火灾的主要特点是【3 】： ( 1 ) 动车组在高速运行状态下，对机械、电气装置及材料的防火要求比较高，各 种装置的松动、异常都易导致起火。在与普通列车同样功能的装置和同样的防护条件下， 动车组更易出现故障而导致起火。 ( 2 ) 动车组是高科技产品，集新技术、新工艺、新材料、新结构于一体，自身价 值昂贵，发生火灾后将造成巨大的经济损失。 ( 3 ) 动车组高速行驶时，将导致附近产生空气运动，即列车风。当动车以2 0 0 k n l h 行驶时，在轨面以上o 8 1 4 m 、距列车1 7 5 m 处的空气运动速度将达到1 7 州s 。列车风易 使人员和设备失去平衡或吹落，造成意外事故引起火灾，而且，列车风使邻近的火种得 到充足燃烧条件，使潜在的危险得以爆发。 ( 4 ) 动车组发生火灾时，由于动车组采用密接式车钩缓冲装置，无法摘解或摘解 时间长，火势能够沿着车厢延伸扩大。而且，旅客必须及时疏散，否则，当旅客携带的 可燃行李被引燃时，会对人们的生命安全构成威胁。 高速动车组智能烟火报警系统的设计与开发 火灾作为危害人类生存的大敌，越来越受到人们的重视，动车组是衡量铁路发展水 平的重要标志，因此安全防护工作更是不容轻视。使用高性能的烟火探测系统可以大大 减少火灾事故的发生，有效降低火灾造成的损失。遗憾的是，我国的高速铁路发展起步 晚，现行运营的高速动车组上装配的烟火报警系统完全依靠国外进口。本文在分析、消 化和吸收国外先进的动车报警系统的基础上，按照合作方长春轨道客车股份有限公司的 要求，自主开发和设计了一套低成本、低功耗智能烟火报警系统，从而打破了国外在这 一领域的垄断地位。 1 2 智能烟火报警系统的研究现状 1 2 1 火灾报警系统的发展史 人类丌发火灾自动报警系统已有1 6 0 多年的历史，至今经历了4 个阶段【4 1 。 ( 1 ) 起步阶段 1 9 世纪4 0 年代至2 0 世纪4 0 年代，1 8 9 0 年英国人研制的第一台感温探测器，开创 了火灾探测技术的新纪元。之后漫长的1 0 0 年里，感温探测器占据主导地位，火灾探测 主要采用定温式阈值处理算法，探测火灾速度慢，尤其对阴燃火往往不响应，漏报率高。 ( 2 ) 初级阶段 2 0 世纪5 0 年代至7 0 年代，1 9 4 1 年离子感烟探测器正式面世，使火灾探测技术进 入一个崭新的时代，感烟火灾探测器登上历史舞台，感温火灾探测器处于次要位置。然 而，离子感烟探测器毕竟内置放射性元素镅2 4 l ，在制造、运输、储存以及损坏弃置等 方面都会对人体造成危害。因此，针对离子感烟探测器不环保、抗干扰能力差及误报率 高等不足，2 0 世纪7 0 年代末期，光电感烟探测器问世，业已占据半壁江山。初级阶段 的火灾报警系统采用多线制结构，布线费用极高。 ( 3 ) 发展阶段 2 0 世纪8 0 年代初至8 0 年代末期。在这一阶段，总线制火灾报警系统蓬勃发展，将 传统的多线制改为两线制系统，也就是人们一般所称的总线制系统，可以节省大量的布 线费用，但最大缺点是调试困难，抗干扰能力差。 ( 4 ) 智能阶段 2 0 世纪8 0 年代后期开始至今，由于模拟量可寻址技术的出现，使得火灾探测技术 进入一个初级智能阶段。模拟量系统中，火灾探测器实际上是一个传感器，仅仅将采集 的模拟量信息传送到控制器，由控制器判断是否有火灾，大大提高了系统的可靠性。然 而它的智能是单向的，只有控制器具有智能功能而探测器没有。 大连理工大学硕士学位论文 随着模糊控制、神经网络两类智能控制技术的成功引入，火灾探测技术真正进入智 能阶段。智能系统具有很强的适应性、学习能力、容错能力和并行处理能力，近乎于人 类的神经思维。同时它也是一种分布式智能控制系统，控制主机和探测器都具有智能功 能，从而使整个系统的响应速度及运行能力空前提高，误报率接近为零。 1 2 2 火灾报警系统的组成与功能 我国国家标准g b 5 0 l1 6 9 8 火灾自动报警系统设计规范和国际标准i s o7 2 4 0 1 ： 2 0 0 5 f i r ed e t e c t i o na 1 1 d6 r ea l a n i ls y s t e i i l s 都强调f a s ( f i r ea l a ms y s t e m ，火灾自动 报警系统) 具有火灾监测和联动控制两个不可分割的组成部分【5 1 ，其基本组件如图1 1 所示。 图1 1 火灾自动报警系统基本组件图 f i g 1 1 b a s i cc o m p o n e n t so f 胁a l 狮ns y s t e m 其中，x 组是近处报警所要求的设备：a _ 一火灾探测器，b 一控制和指示设备，c _ 火灾警报装置，d 一手动触发装置，卜电源；y 组是要求外援用的附加设备：e _ 一火警 发送装置，f 一火警接收站，j 一故障报警发送装置，k - 一故障报警接收站；z 组是近处 自动消防设备要求的附加设备：g 一自动消防设备控制装置，h 一自动消防设备。图1 1 中，设备间的实线连接表示需要经常建立的连接，虚线表示需要时才建立的连接。 显然，x 组和y 组组件主要完成火灾监测的功能，z 组主要完成火警发生时的火灾 扑救等联动控制。x 组是火灾监测系统的核心部分，也是本文研究的主要内容，下面重 点介绍x 组组件的功能【6 】。 高速动车组智能烟火报警系统的设计与开发 ( 1 ) a 一火灾探测器 火灾探测器是能够自动产生火灾报警信号的器件，它是火灾报警系统的感觉器官， 能够准确探测火灾发生时的特征物理量，如温度、烟雾和气体等信号，并传输给火灾报 警控制器。 ( 2 ) d 一手动触发装置 手动触发装置，顾名思义就是能够手动产生火灾报警信号的器件，用以完成系统自 检、故障诊断等功能，它和火灾探测器统称为触发器。 ( 3 ) b 一控制和指示设备 最基本的控制和指示设备是火灾报警控制器，根据保护对象等级不同可分为区域火 灾报警控制器、集中火灾报警控制器。 ( 4 ) c - 一火灾警报装置 火灾警报装置通过发出声、光等火灾报警信号，以警示人们及时采取安全防护措施， 蜂鸣器是最常见的一种。 ( 5 ) l 一电源 火灾自动报警系统是消防用电设备，应设有主电源和直流备用电源，目前直流2 4 v 是国际标准中优先考虑使用的电源等级。 1 2 3 火灾探测器的种类 物质燃烧是一个复杂的物理变化和化学反应过程，通常要经历初起、阴燃、火焰和 热辐射四个阶段，每个阶段的燃烧现象和产物不同，如图1 2 所示。 图1 2 可燃物典型燃烧过程 f i g 1 2 t ) ，p i c a lc o n l b u s t i o np r o c e s so f 向e l 一4 一 一 燃烧时间 大连理上大学硕士学位论文 火灾探测器正是通过提取这些火灾参量的物理特征，进而实现火灾的自动监测与报 警。检测参量不同，火灾探测器的种类和功能也不同，如表1 1 所示。 表1 1常见火灾探测器的种类及优缺点 t a b 1 1c 1 a s so fc o i l l i l l o nf i r ea l a md e t e c t o ra i l dt h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e s 1 2 4 火灾报警系统的发展趋势 如今，火灾报警系统应用广泛，火灾探测技术发展迅速，主要体现在两个方面：火 灾信号的处理方式和控制系统的结构形式。 ( 1 ) 探测器小型化 随着新的探测技术和新材料、新工艺的不断涌现，火灾探测器j 下趋向于小型化、微 型化。 ( 2 ) 复合探测技术 任何一种火灾探测技术都只能针对某一特定火灾参量进行探测，不可避免地受到环 境中某些干扰因素的影响，从而导致误报或者漏报。采用多元复合探测技术，可以经济 有效地降低误报率，是目前国内外火灾探测报警领域最受瞩目的研究方向之一【7 1 。 高速动车组智能烟火报警系统的设计与开发 ( 3 ) 探测算法智能化 得益于微电子技术的迅猛发展，微处理器的运算速度和存储空问同新月异，使得许 多先进的智能算法能够在火灾探测领域广泛应用，最典型的是模糊逻辑算法和神经网络 算法。 数学理论和控制理论的长足发展，模糊逻辑和神经网络理论的有机融合，产生了模 糊神经网络理论，它的基础部分仍是模糊系统，但是充分发挥神经网络的学习能力有效 获取规则和调整隶属度函数，再结合模糊逻辑明确的推理规则和接近人脑的感官判断能 力，极大地提高了火灾报警系统的灵敏度和可靠性，是现代智能火灾探测技术的发展趋 势和研究热点0 1 。 ( 4 ) 分布智能控制系统 伴随经济和城市建设的快速发展，高层建筑和智能楼宇同益增多，社会对火灾报警 控制系统的规模要求越来越大，传统的消防报警控制器，虽然功能集中，处理速度快， 但是容量有限，扩展能力小，很难满足社会发展的需要。这就迫使传统多线制火灾报警 控制系统向总线制系统过渡，历经集中智能系统，最终发展到分布智能控制系统。分布 智能火灾控制系统秉承集中管理，分散控制的设计精髓【1 1 1 ，由区域报警控制器和火灾探 测器组成节点火灾监控子系统，由工业主机组成上级火灾监控中心，监控中心收集现场 数据，直接管理区域控制器。各子系统不仅能独立实施报警、联动功能，还可通过网络 互联进行数据交换，各单元分工明确、协同工作，构成一个有机的整体，系统维护性、 扩展性和可靠性都发生了质的飞跃。 另外，现代城市发展的日益成熟，建立社会综合防灾救灾体系和实现消防社会化的 呼声越来越高，以网络技术为核心，信息共享、远程监控为特点的分布智能火灾报警网 络系统，注定是今后发展的大趋势【1 2 】。 1 3 论文篇章结构安排 本文共分七个章节，各章主要内容如下： 第一章，首先简要介绍了论文研究的背景和意义，然后从宏观上概述了火灾报警系 统的组成、发展历史以及未来发展的趋势。 第二章，鉴于项目的实际需要，本文设计的烟火报警系统采用光电感烟探测技术， 因此论文第二章详细分析了光电感烟探测器的探测原理。 第三章，在综合分析高速动车组使用环境的基础上，给出一套切实可行、经济合理 的系统解决方案。 人连理工大学硕士学位论文 第四章，在系统总体设计框架下，详细介绍了智能烟火探测器的硬件电路设计，并 针对烟雾信号采集电路进行了细致的p s p i c e 仿真分析。 第五章，在系统总体设计框架下，详细介绍了区域火灾报警控制器的硬件电路设计 和嵌入式底层驱动开发。 第六章，综合动车复杂的使用环境，详细分析了提高系统可靠性的措施，并给出一 种具体的系统自检诊断功能实现方案。 结论部分，总结全文工作，展望下一代产品的发展方向。 高速动车组智能烟火报警系统的设计与开发 2 光电感烟探测器的探测原理 2 1 引言 从第一章的叙述中，我们已经知道，火灾探测的实质就是提取火灾发生时产生的各 种物理、化学变化，从而实现火灾信号的自动检测。物质燃烧的早期阴燃阶段，伴随着 大量的可见和不可见烟雾颗粒，因此，采用感烟探测技术可以最先感应到火灾信号的发 生，便于及时采取灭火等补救措施，最大限度地降低人员伤亡和经济损失。据统计烟雾 探测器应用十分广泛，约占整个火灾探测器总量的9 5 以上【1 3 】，感烟探测器的普及和使 用可见一斑。 按照探测原理的不同，感烟探测器可细分如图2 1 所示。 i 离子感烟探测器 感烟探测l f 减光型 i 光电感烟探测器r 前向散射式 ! 散射光型 【后向散射式 图2 1 感烟探测器的划分 f i g 2 1 d i v i s i o no fs m o k ed e t e c t o r 离子感烟探测器：利用放射性同位素镅2 4 1 释放的0 【射线，将电离室中的空气电离， 在外加电场的作用下形成一恒定电流。当烟雾颗粒进入电离室，一方面吸附正负离子降 低其运动速度、增加复合概率，另一方面阻挡q 射线降低其电离能力，离子电流势必减 小，达到感知烟雾浓度的目的。 光电感烟探测器：利用烟雾颗粒对光线的吸收和散射原理，通过光敏元件感知烟雾 浓度的变化，主要有减光型和散射光型两种形式，其工作原理如图2 2 所示。进入检测 暗室的烟雾颗粒对发光元件发出的光产生吸收和散射，使得减光型探测器的光通量减 少，散射光型探测器的光通量增加，最终导致光敏元件的光电流减小或增大，实现火灾 的自动探测和报警。 人连理工大学硕十学位论文 v v 丫 辩墨季 敏f ! 一： 元一l 土，7 # 件 一什十 ( a ) 减光型 发 光 ， 兀 件 丫一v v vv 烟雾颗 ，： l 十计千千 光敏兀件 ( b ) 散射光型 图2 2 光电感烟探测器- l 作示意图 f i g 2 2 s c l l 锄a t i cd i a g r a m so f p h o t o e l e c t r i cs m o k ed e t e c t o r 发 光 兀 件 从理论上说，离子感烟探测器对各种粒度的烟雾响应均衡，尤其对小颗粒和不可见 烟雾颗粒具有很高的响应灵敏度。但是，由于离子感烟探测器采用镅2 4 l 放射性元素， 其生产、储运和报废的过程有着不容忽视的环保问题以及易受湿度、气流影响等先天缺 陷而逐渐淡出国际市场。有数字统计，在日本离子感烟探测器占有不到3 的市场份额。 2 0 世纪7 0 年代末兴起的光电感烟探测器，属于当之无愧的绿色环保产品，不仅克 服了离子感烟探测器的不足，而且对木材、纸张和丝绵织物等白色烟雾的探测性能甚至 还优于离子感烟探测器【l4 1 。减光型光电感烟探测器受结构、造价等因素限制，只停留在 理论阶段，实际很少使用，目前的主流探测器是散射光型光电感烟探测器【1 5 】。 2 2 散射光型光电感烟探测器的理论基础 2 2 1 火灾烟雾颗粒的散射特性 众所周知，光在均匀介质中沿直线传播，但是光在不均匀介质中传播时，便会偏离 原来的传播方向，向四周散射，称为光的散射现象，它是光波的电场与介质分子相互作 用的结果【l6 1 。目前各种光电感烟火灾探测技术都是基于经典的光散射理论一m i e 散射。 1 9 0 8 年g m i e 【1 7 j 研究了处于均匀介质中的各向同性均匀的单个介质球在单色平面 波照射下的散射现象，给出了麦克斯韦边界条件下的严格数学解，即著名的m i e 散射理 论，也称为米氏理论。之后，引起了很多学者的兴趣，米氏理论被完善并应用到其他领 域，解决了各自领域的相关问题【1 8 】。 根据米氏理论，设粒子半径为厂，引入粒子半径相对于光波波长五的无量纲参数口 ( 粒径尺度) ，表示粒子的大小，则口= 2 见，五是入射光波长。 一 高速动车组智能烟火报警系统的设计与开发 二_ = = - 二二= 二二- = 二l _ 二二二= ： 首先讨论入射光为非偏振平面波的情形，建立如图2 3 所示的坐标系，并将入射光 方向和散射光方向组成的平面称为散射面，即p o z 平面。 z y 图2 3m i e 散射示意图 f i g 2 3s c h 锄a t i cd i a 班吼o fm i es c a t t 耐n g 光波沿z 轴正向射入，则粒子在p 处的总散射光强，s 如式( 2 1 ) 、( 2 2 ) 所剥1 9 】： ( p ，口，7 ，z ) 2 荔万厶【( 口，口，研) + 之( 口，口，聊) 】 ( 2 1 ) ( 秒，口，聊) = ls ( 口，口，聊) 1 2 之( 秒，口，聊) = i 咒( 口，口，m ) 1 2 ( 2 2 ) 其中，厶为照射到粒子上的入射光光强，r 为p 点距离粒子的间距；和之分别是 平行、垂直于散射平面的散射光光强分量，s 和是为散射光的振幅函数，可表示为式 ( 2 3 ) 、 ( 2 4 ) 所示的无穷级数【2 0 】： 墨= 喜蒜( 瞩) ( 2 3 ) 是2 善蒜( 吒l + 统乃) ( 2 4 ) 式中，口。和吃称为m i e 散射系数，其表达式如式( 2 5 ) 、( 2 6 ) 所示： 2笙。! 竺! 丝。! 丝! 二竺笙。! 竺! 丝。! 竺! 色( 口) 。( 掰口) 一蝣。( 口) 沙。( ，懈) ( 2 5 ) 大连理工大学硕士学位论文 6 ：型丛生挚竺生芝匙塑也堕( 2 6 ) 一 聊六( 口) 缈。( 聊口) 一f 。( 口) 虬( 研口) 一 死，含有l e g e n d r e ( 勒让德) 函数，只与散射角有关，其表达式如式( 2 7 ) 、 ( 2 8 ) 所示： 死= 警 ( 2 7 ) 吒。南2 ”( c o s l 9 ) ( 2 8 ) ( ) ，鼻( ) 为r i c c a t i - b e s s e l ( 黎卡提- 贝赛尔) 函数，只( ) 为以阶勒让德多项式。 当入射光是完全偏振光时，则粒子在p 处的总散射光强如式( 2 9 ) 所示： l ( 帅，朋) 2 鑫厶 御，口，咖i n 2 缈+ 御，口，所) 耐伊 ( 2 9 ) 其中，p 为入射光振动面与散射面的夹角。 由公式( 2 1 ) 一( 2 9 ) 可知，要定量计算单个颗粒在p 点的散射光强，关键在于求 解散射系数口。、吃，可以利用贝赛尔函数的递推公式和相应的简化算法求解【2 l 】。对于 球形颗粒，正如下文分析，口。和吃只与散射角口、颗粒相对周围介质的复折射率m 和表 征颗粒大小的无因次参量口有关，与方位角够无关。 ( 1 ) 粒径尺度口 在研究散射现象时，常常引入散射截面、吸收截面、消光截面以及相应的散射系数、 吸收系数和消光系数等物理量来描述光的散射特性。 在入射光照射下，介质中的微粒如同独立光源一样，向四周散射入射光，被散射的 光能量用散射截面g 表示2 2 1 ，它反应了单位时问内一个颗粒散射的全部光能量乓与入 射光强厶的比值，如式( 2 1 0 ) 所示： g 专 汜 入射光强厶的单位是w m 2 ，所以c 具有面积的量纲，一个颗粒单位时间内散射 的全部光能量等于单位时间内入射光投射到散射截面的能量。 进一步引入无量纲参数散射系数k 。，它是散射截面c 。与颗粒迎着光传播方向 的投影面积仃的比值，反应了介质颗粒散射光的能力，如式( 2 1 1 ) 所示： k 。：g ：旦 ( 2 1 1 ) 高速动车组智能烟火报警系统的设计与开发 用类似的方法定义吸收截面e 、吸收系数k 和消光截面e 、消光系数蜓，这里不 再累述，但明确一点，消光系数等于散射系数和吸收系数的累加。 无论入射光是偏振光还是自然光，均可得到关系式( 2 1 2 ) 、( 2 1 3 ) 、( 2 1 4 ) ： 磁= 砉( 2 川) 2 + ( 2 1 2 ) e = 砉( 2 川) r e ( 吒+ 吃) ( 2 1 3 ) k 。= k 一 ( 2 1 4 ) 当波长五、复折射率朋给定，散射系数k 。和粒径尺度口的关系如图2 4 所示【2 3 】： 图2 4 散射系数k s 与粒径尺度口关系图 f i g 2 4 r e l a t i o ng r a p hb e m e e ns c a t t e r i n gc o e 伍c i e i l tk s 锄dp a n i c l es i z e 口 由图2 4 可知，随着口逐渐增大，足。先线性增加，然后按正弦阻尼振荡方式变化， 最后在无穷远处收敛于2 o 。散射系数的不同变化区问代表了三类颗粒的散射特性： 口s o 3 ，小粒径气溶胶，服从瑞利散射理论。 o 3 口 1 0 ，中等粒径气溶胶，服从米氏散射理论。 口三1 0 ，大粒径气溶胶，服从几何光学散射理论。 火灾烟雾颗粒直径一般分布在o o o l m 4 m 之间f 2 4 1 ，相对于散射光型光电感烟探 测器常采用的8 8 0 n m 9 4 0 m 红外波长，属于小粒径和中等粒径气溶胶。瑞利散射是米 氏散射理论在小粒径区域的近似，瑞利散射区散射系数与粒径尺度的4 次方成正比： ，、2 k 。：墨口f 掣1 ( 2 1 5 ) 。 3 l 朋2 + 2 ， 大连理j 人学硕士学位论文 ( 2 ) 散射角口 散射角秒是指入射光光轴与微粒散射光光轴的夹角，如图2 3 所示，根据臼值不同 散射光型光电感烟探测器又可分为f j i 向散射式( 臼 9 0 0 ) ，图 2 2 ( b ) 所示的结构就是典型的前向散射式光电感烟探测器。 对于小粒径和中等粒径烟雾颗粒的散射光强分布如图2 5 所示。 a = 3 ；r ， 庐 i 五八，一， 才+ 、” lj l 卜、 ， 、，_ 。 ( a ) 瑞利散射图( ”不同仅值下的米氏散射图 图2 5不同烟雾颗粒散射光强分布图 f i g 2 5 d i s t r i b u t i o no fs c a t t 尉n gi n t e n s 埘o fd i f f e r e n ts m o k e p a r t i c l e s 由图2 5 可知，在瑞利散射区，颗粒的前向散射光与后向散射光是对称的，而且具 有最大值，侧向散射相对较小。随着a 值增大，进入米氏散射区的颗粒散射特性出现了 不对称性，前向散射明显增强，侧向散射次之，后向散射减小。当仅值固定时，散射角 目越小，散射光越强，散射光聚光效果越好，图2 6 也充分说明了这一结论。 1 o 0 8 0 6 盘 0 4 0 2 0 一。 7 ，7 朋= 1 5 一一萨0 1 4 一= 1 4 2 萨7 1 0 萨1 4 2 、 ：二：二二二二= 二= = ：= 。：；。；一 8 0 01 2 0 01 6 0 0 图2 6 散射光强厶随散射角口变化关系图 f i g 2 6 r e l a t i o nb e t 、) l ，e e ns c a t t 耐n gi i l t e n s 蚵厶锄ds c a t t 茚n ga i l g l e 口 高速动车组智能烟火报警系统的设计与开发 ( 3 ) 复折射率所 对于兼有散射和吸收效应的颗粒，其折射率所可用复数形式表示： 所= 栉一j 刁 ( 2 1 6 ) 式中，实部反映颗粒的散射能力，虚部反映颗粒的吸收能力，根据7 7 是否为零，将 烟雾颗粒分为耗散介质和非耗散介质。折射率对散射光的影响如图2 7 所示【2 5 1 。 051 01 52 02 53 03 54 0 ( a ) 耗散介质所= 1 5 0 + j 0 0 l 的散射特性 4 5 4 乜苎3 5 籁3 嫌气 ：口- ， 蚕2 1 5 l o s ? o k ；j l l 一 j 一一i j _ 一一一1 j 1 - ，a 051 01 52 02 53 03 54 0 ( b ) 非耗散介质不同折射率下的散射特性 图2 7 折射率变化对颗粒散射能力的影响 f i g 2 7 h l n u e i l c eo fr e 舶“v ei n d e xc h a n g eo np a n i c l es c a t t i 耐n ga b i l i t y 光在传播路径上的损耗由颗粒的吸收和散射共同决定，粒径尺度口很小时吸收弱， 散射是光衰减的主要因素，随着口逐渐变大，吸收能力增强，散射光强相对减弱；随着 折射率所值的增大，消光系数曲线振荡性加强，而且第一峰值向左移动，聊值越接近l ， 曲线越光滑，但是口值大于一定值后【2 6 1 ，消光系数都趋近于2 。 综合口、口和m 对颗粒散射特性的影响，可以得出如下结谢1 8 z 凡 散射系数在米氏散射区按正弦阻尼方式振荡，散射能力最强。 口越小，光散射能力越强，聚光效果越差；口越大，聚光效果越好，散射光强 集中分布在散射角较小( 2 0 0 以内) 的范围内。 任何颗粒或多或少对光都有吸收作用，且吸收程度与口有关，实际应用时应在 吸收较小的范围内合理选择。 相同粒径尺度口下，前向散射光强信号总是优于后向散射，探测灵敏度高。 相比前向散射，后向散射对不同粒径的烟粒子响应较均衡。 钻4 ”3 ”2 m 。吣o 大连理工大学硕士学位论文 2 2 2m i e 散射理论在烟雾探测中的应用 目前各种光电感烟火灾探测器，主要利用的都是烟雾颗粒散射光的光强信息。当存 在大量烟雾颗粒时，考虑粒子尺度谱密度函数p ( r ) 和粒子浓度z ，并假定单个粒子无多 次散射，则粒子在p 点的总散射光强改写为： l ( 秒，口，聊) = 厶孟杀毒矿木z 宰i ( 臼) + 之( 秒) p ( ，) 办 ( 2 1 7 ) 式中，y 是所有对p 点散射光强有贡献的烟雾颗粒所在的体积。 假定散射体积取尺3 ，粒子在散射体积中均匀分布，具有相同的折射率朋和散射角 口，则光敏元件接收到的辐射能通量西为： 函= re l 珊槭n 鲥鲋缈 ( 2 1 8 ) 当光敏元件接收表面积彳，远小于廖，再假设所有粒子的散射光强为f ，则有如下近 似公式： ，2 一 痧= 宰心= 厶蓊萨木矿木z 木幸以 2 1 9 ) 光敏元件转换输出信号雎与西成正比，对于结构设计定型的探测器，厶、允、r 、 y 、以和护均为定值，引入结构常数k ，则输出信号为： y s = k 母z 乖f ( 矽，a ，p ( ，) ，m ) ( 2 2 0 ) 对于特定的烟雾颗粒，输出信号j ，。与烟粒子浓度z 成正比，可以实现火灾自动探 测。 2 3 探测器火灾烟雾检测系统的搭建 理论上，通过提取散射光强、偏振度和相位信息均可实现火灾烟雾探测，但实际应 用中，偏振度和相位信号提取十分不便，目前光电感烟探测器普遍采用散射光强探测技 术。虽然后向散射对烟粒径的选择没有前向散射明显，但增大散射角将大幅减小散射光 绝对值，造成背景光信号强，迷宫尺寸大，模具复杂，所以本文最终选用当前流行的前 向散射光强探测技术。 2 3 1探测器光学检测室的设计 光学检测室，顾名思义是光电探测器检测烟雾颗粒的主要场所，由发射元件、接收 元件和光学迷宫组成。 高速动车组智能烟火报警系统的设计与开发 ( 1 ) 发光一接收管选取 鉴于红外产品的娴熟，本文选用e v e r l i g h t 公司i r 3 3 3 c 红外发光管和p d 4 3 8 b 光电接收管构成烟雾检测电路前端，工作于9 4 0 1 1 1 1 1 近红外光谱区，该光谱区下对水雾具 有很弱的吸收能力【2 8 1 ，有效避免了非火灾因素的干扰。 ( 2 ) 散射角选取 散射角设计是光学检测室定型的关键，要求散射光强在给定仅范围内最大、最均衡， 同时保证检测室结构简单，开模方便。根据米氏理论，3 0 0 6 0 0 范围内，接收散射光强 最大，p 过小难以阻隔发光接收直视通路，造成背景光信号干扰。本文在综合考虑国内 外研究成果和生产成本等因素后，选择倍4 5 0 的前向散射式光学检测室，它能够兼顾散 射光强和粒谱敏感特性，满足项目实际需