韓 玲，林高華，方 俊，王進(jìn)軍，張永明

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

光學(xué)迷宮對飛機(jī)貨艙感煙探測器響應(yīng)性能的影響

韓 玲，林高華，方 俊，王進(jìn)軍，張永明*

(中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，合肥，230026)

針對飛機(jī)貨艙火災(zāi)的探測延遲性問題，探討了光學(xué)迷宮對點(diǎn)型光電感煙探測器響應(yīng)性能的影響，實(shí)驗(yàn)研究了點(diǎn)型光電感煙探測器在有、無迷宮兩種情況下煙霧探測的響應(yīng)過程，對比分析了不同煙量時(shí)迷宮的作用，并提出探測器迷宮結(jié)構(gòu)的改進(jìn)設(shè)計(jì)思路。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在探測器響應(yīng)過程中，有光學(xué)迷宮的探測器煙霧濃度波動(dòng)幅度較小，迷宮對煙氣有滯留作用，提高了探測器的穩(wěn)定性；但迷宮會使探測腔室的煙霧濃度明顯滯后且低于腔外，增大了探測器的遲滯時(shí)間,煙霧濃度較低時(shí)這種遲滯影響更為明顯，嚴(yán)重影響貨艙火警探測器的靈敏度。

貨艙；光學(xué)迷宮；點(diǎn)型光電感煙探測器；滯留；遲滯時(shí)間

0 引言

貨艙火警探測是現(xiàn)代飛機(jī)火警探測系統(tǒng)的一個(gè)重要組成部分，目前飛機(jī)貨艙火警探測大部分采用煙霧探測技術(shù)，即在貨艙中安裝多個(gè)點(diǎn)型光電煙霧探測器。根據(jù)美國聯(lián)邦航空管理局(Federal Aviation Administration，F(xiàn)AA)的條例規(guī)定，貨艙火警探測系統(tǒng)必須在火災(zāi)發(fā)生60 s內(nèi)探測到火災(zāi)，并給機(jī)組乘員視覺警示，因此要求貨艙采用的點(diǎn)型光電感煙探測器具有較高的靈敏度[1,2]。

然而光電感煙探測器由于其固有的幾何結(jié)構(gòu)及所處的環(huán)境狀況，使得它在火災(zāi)探測中對火災(zāi)煙霧參量的響應(yīng)有一定的遲滯，直接影響火災(zāi)探測的有效性和及時(shí)性，如防蟲網(wǎng)、光學(xué)迷宮、煙氣流對感煙探測器性能的影響等[3-8]。本文針對點(diǎn)型光電感煙探測器的光學(xué)迷宮結(jié)構(gòu)對其探測的延遲作用，實(shí)驗(yàn)研究光學(xué)迷宮對煙氣與感煙探測器之間作用過程的影響，為設(shè)計(jì)高性能的飛機(jī)貨艙光電感煙探測器提供依據(jù)和方法。

1 光電感煙探測器和光學(xué)迷宮

飛機(jī)貨艙采用的光電感煙探測器是利用火災(zāi)煙顆粒對光的吸收和散射作用來探測火災(zāi)的一種裝置，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示。當(dāng)貨艙沒有發(fā)生火災(zāi)，采樣空氣不含有煙顆粒，光敏二極管2接收不到紅外發(fā)射管1發(fā)出的光脈沖，不產(chǎn)生光電流；當(dāng)貨艙因失火產(chǎn)生煙霧時(shí)，煙霧進(jìn)入探測腔室后，煙霧粒子對紅外光產(chǎn)生散射，光敏管接收到散射光信號，產(chǎn)生光電流，其強(qiáng)度與煙密度成比例，結(jié)合探測算法，觸發(fā)報(bào)警電路，通知機(jī)組成員貨艙失火[9]。

圖1 點(diǎn)型光電感煙探測器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Structure schematic of photoelectric smoke detectors

如圖1所示，迷宮的座體上有一定數(shù)量的遮光葉片，它與上蓋等其他遮光零件構(gòu)成一個(gè)光學(xué)暗室，即探測腔室。由于探測腔室對于煙霧進(jìn)出來說像是一個(gè)迷宮，所以也稱為光學(xué)迷宮。迷宮的主要作用是防止外界環(huán)境光直接射入探測腔室，消除環(huán)境光線的影響，增強(qiáng)抗環(huán)境干擾能力；同時(shí)光學(xué)迷宮的結(jié)構(gòu)使煙霧粒子在迷宮中合理的分布和流動(dòng)，且能讓紅外發(fā)射管發(fā)出的光能夠在迷宮中合理的反射、折射，與煙霧粒子發(fā)生正確作用后被光敏管所接收，以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確與快速探測[10,11]。然而，迷宮的結(jié)構(gòu)會阻礙煙霧進(jìn)入探測腔室的氣流流動(dòng)和擴(kuò)散，降低進(jìn)煙速率和濃度，可能嚴(yán)重影響探測器的響應(yīng)靈敏度。因此合理設(shè)計(jì)光學(xué)迷宮的結(jié)構(gòu)是提高點(diǎn)型光電感煙探測器性能的重要方法之一。

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

實(shí)驗(yàn)在一個(gè)2 m×4 m×2 m 的火災(zāi)探測模擬燃燒實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行，外加各種測量設(shè)備和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成整體實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，如圖2所示。其中燃燒室在實(shí)驗(yàn)過程中是一個(gè)不透光封閉的暗室，排除環(huán)境光的干擾，頂部安裝兩個(gè)相同規(guī)格的點(diǎn)型光電感煙火災(zāi)探測器，分別編為1號和2號探測器。選取可重復(fù)性好的陰燃棉繩作為煙源，將其放置于探測器正下方。測量儀器用來測量燃燒室的環(huán)境參數(shù)，包括溫度計(jì)、濕度計(jì)和光學(xué)煙密度計(jì)等。燃燒室安裝有抽風(fēng)機(jī)，以便每次實(shí)驗(yàn)后期快速排凈室內(nèi)煙氣[12]。

圖2 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)示意圖Fig.2 Schematic of the experiment system

選取的兩個(gè)點(diǎn)型光電感煙探測器均拆除了外殼和防蟲網(wǎng)，通過保留或去除探測器的迷宮，以及控制棉繩數(shù)量進(jìn)行相關(guān)對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)條件如表1所示。實(shí)驗(yàn)中使用的光電感煙探測器均能輸出數(shù)字量，反映探測器接收煙霧濃度的大小[13]，其最大輸出值為3.299 V。與探測器配套工作的控制器和微機(jī)之間利用RS232進(jìn)行串口通訊，可將探測器輸出值實(shí)時(shí)顯示并存儲。

表1 實(shí)驗(yàn)條件

2.2 實(shí)驗(yàn)測量與結(jié)果

2.2.1 一致性實(shí)驗(yàn)

1)實(shí)驗(yàn)步驟：將16根20 cm長、干燥潔凈的棉繩捆成一束，固定在支架上，使其自然下垂；1號、2號探測器同步保留或去除迷宮；

實(shí)驗(yàn)開始時(shí)，先開啟實(shí)驗(yàn)儀器，再點(diǎn)燃棉繩，待棉繩陰燃連續(xù)冒煙后，迅速將棉繩支架放進(jìn)燃燒室關(guān)閉門窗，約15 min后拿出棉繩，開始排煙至初始狀態(tài)后，結(jié)束實(shí)驗(yàn)；重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)2次，若3次的結(jié)果相差較大，則繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。

2) 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)：

圖3是一致性實(shí)驗(yàn)1號、2號感煙探測器(均有迷宮)的輸出值。

圖3 一致性實(shí)驗(yàn)探測器輸出值Fig.3 Outputs of detectors in consistency experiment

從圖3可看出1號、2號感煙探測器的輸出曲線基本重合，采用皮爾森相關(guān)系數(shù)(Pearson Correlation)來分析兩個(gè)探測器輸出值的相關(guān)性，計(jì)算出圖3中兩組數(shù)據(jù)的皮爾森相關(guān)系數(shù)corr(y1,y2)= 0.9865，表示它們滿足正相關(guān)且極高度相關(guān)[14]。因此1號、2號探測器對煙霧的響應(yīng)過程一致，可以用來進(jìn)行之后的對比實(shí)驗(yàn)。

2.2.2 大、小煙量有無迷宮對比實(shí)驗(yàn)

將1號探測器保留迷宮，2號探測器拆除迷宮進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)步驟與一致性實(shí)驗(yàn)相同，大煙量采用16根棉繩，小煙量8根，實(shí)驗(yàn)條件見表1。多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)并穩(wěn)定后，記錄并對比有無迷宮探測器的輸出和光學(xué)煙密度M值，分析光學(xué)迷宮對探測器感煙性能的影響。

圖4 大煙量1號探測器(有迷宮)輸出值與光學(xué)煙密度Fig.4 Output of NO.1 detector (with maze) and optical smoke density in the experiment with a large amount of smoke

圖5 大煙量2號探測器(無迷宮)輸出值與光學(xué)煙密度Fig.5 Output of NO.2 detector (without maze) and optical smoke density in the experiment with a large amount of smoke

圖4和圖5分別是大煙量1號(有迷宮)、2號(無迷宮)探測器與光學(xué)煙密度M值的輸出曲線。圖6和圖7分別是小煙量1號(有迷宮)、2號(無迷宮)探測器與光學(xué)煙密度M值的輸出曲線。

圖6 小煙量1號探測器(有迷宮)輸出值與光學(xué)煙密度Fig.6 Output of NO.1 detector (with maze) and optical smoke density in the experiment with a little amount of smoke

3 結(jié)果分析與討論

對比分析圖4、圖5和圖6、圖7，與有迷宮的感煙探測器相比，無迷宮探測器的輸出數(shù)據(jù)波動(dòng)比較大，對煙霧濃度變化響應(yīng)靈敏，探測性能不夠穩(wěn)定。這是由于迷宮的遮光葉片形成的腔室結(jié)構(gòu)對煙霧有滯留作用，使煙霧能在腔室內(nèi)保留較長時(shí)間，有效避免了煙霧進(jìn)入迷宮后未被探測到就流出，同時(shí)減小外界氣流對腔室內(nèi)的影響，因此光學(xué)迷宮使感煙探測器探測到的煙霧濃度變化梯度相對較小，提高了探測器的穩(wěn)定性。

圖7 小煙量2號探測器(無迷宮)輸出值與光學(xué)煙密度Fig.7 Output of NO.2 detector (without maze) and optical smoke density in the experiment with a little amount of smoke

圖8 不同煙量下探測器輸出值擬合分析Fig.8 Outputs fitting analysis in the experiments with different amounts of smoke

比較相同時(shí)刻下探測器的輸出值，從圖8可看出帶有迷宮的探測器在排煙前其輸出幅值整體均小于無迷宮探測器的輸出值，表明有迷宮的探測器腔內(nèi)煙霧濃度明顯低于腔外。此外，不同煙量的兩種探測器的信號變化趨勢基本相同，主要區(qū)別在于信號強(qiáng)度、響應(yīng)時(shí)間和穩(wěn)定性。對于探測器響應(yīng)信號最大值，在某時(shí)間內(nèi)大煙量有、無迷宮探測器信號輸出最大值分別為1.54 V和1.78 V，小煙量有、無迷宮探測器信號輸出最大值分別為0.59 V和0.78 V。說明光學(xué)迷宮結(jié)構(gòu)影響煙霧的氣流和擴(kuò)散，使得腔室內(nèi)的煙霧濃度變化滯后于腔外。

在開始排煙至實(shí)驗(yàn)結(jié)束階段，即煙霧濃度下降階段，無論大煙量還是小煙量，感煙探測器在無迷宮情況下的下降梯度比較快，說明光學(xué)迷宮同樣阻礙了煙氣的流出，減小了探測器的排煙速率。

圖9 前100 s探測器輸出值擬和分析Fig.9 Outputs fitting analysis in the experiments with different amounts of smoke during the first 100 seconds

圖10 有迷宮探測器的響應(yīng)遲滯時(shí)間Fig.10 The lag time of detectors with optical maze

4 結(jié)論

本文采用可重復(fù)性較好的棉繩作為煙源，對飛機(jī)貨艙中使用的點(diǎn)型光電感煙探測器在有、無光學(xué)迷宮兩種狀態(tài)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究，并對比分析了不同煙量時(shí)迷宮對煙霧探測的影響，得出如下結(jié)論：

(1)光學(xué)迷宮對進(jìn)入探測腔室的煙霧有滯留作用，能有效避免煙霧進(jìn)入迷宮后未被探測到就流出，同時(shí)減小了外界氣流的影響，提高了探測器的穩(wěn)定性。

(2)光學(xué)迷宮增大了點(diǎn)型光電感煙探測器的遲滯時(shí)間。由于迷宮的存在，延緩了煙氣進(jìn)入探測器的速率，使探測腔內(nèi)的煙霧濃度明顯滯后且低于腔外，探測器響應(yīng)延遲10 s～60 s，煙霧濃度較低時(shí)這種遲滯影響更加突出。

(3)綜合光學(xué)迷宮對點(diǎn)型光電感煙探測器響應(yīng)性能的影響，合理設(shè)計(jì)迷宮的結(jié)構(gòu)不僅需要考慮其遮光效果，氣流的單向性等方面；更重要地必須保證氣流的通暢和足夠的進(jìn)煙速率，使光電感煙探測器對煙霧變化具有快速的響應(yīng)靈敏性，保證及時(shí)發(fā)現(xiàn)貨艙失火，采取滅火措施。

本文實(shí)驗(yàn)溫度在23℃左右，探測器的輸出值相對比較小，因此溫度、低壓低氧因素對感煙探測器和煙霧粒子的影響，以及減少火警探測誤報(bào)率是未來需要研究的問題。

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Influence of optical maze on response performance of aircraft cargo compartment smoke detectors

HAN Ling， LIN Gaohua， FANG Jun， WANG Jinjun， ZHANG Yongming

(State Key Laboratory of Fire Science, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China)

To address the response delay of the aircraft cargo fire detector, the influence of the optical maze upon the performance of the point-type photoelectric smoke detector was investigated. Experiments were carried out to study the function process of the smoke detector with or without optical maze at various smoke concentrations. A new improving design method of the optical maze structure was suggested. The experimental results show that, the optical maze has a dwelling effect upon the smoke to increase the response stability with little fluctuation of the smoke concentration; but due to the entry delay of the smoke outside the chamber, the delay time of the smoke detector increases. This effect will be multiplied with low concentration of the fire smoke, thus seriously decreases the sensitivity of the aircraft cargo fire smoke detector.

Aircraft cargo; Optical maze; Point-type photoelectric smoke detector; Dwelling; Delay time

2016-01-04；修改日期：2016-05-10

國家自然科學(xué)基金聯(lián)合基金(U1233102)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金(WK2320000032)及城市公共安全安徽省協(xié)同創(chuàng)新中心資助。

韓玲，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)安全科學(xué)與工程專業(yè)碩士研究生，研究方向?yàn)榛馂?zāi)探測與微波傳播。

張永明，E-mail:zhangym@ustc.edu.cn

1004-5309(2016)-00208-05

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.07

V223.2;TN215; X932

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