如何设计光电式烟雾报警器-烟雾光学迷宫

如何设计光电式烟雾报警器
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烟雾光学迷宫
任何物体闷烧或燃烧时，都会产生大量的颗粒，漂浮在空气中。

我们使用一束特定强度的光，照射这些微颗粒，产生大量的反射光，通过采集这些反射回来的光强，来测量漂浮颗粒在局部空气中的密度，判定其发生火灾。

我们总是希望接收到的光都是颗粒反射回来的光，而不是外界的干扰光，因此我们需要设计一个迷宫，隔离外部的干扰光。

目前在市面上我们可以看到各式各样的迷宫，如图1所示。

在这些迷宫中，我们总能发现很多共同之处和不同之处。

图1
随着我们生活水平的不断提高，对产品的性能要求也越来越苛刻，如扩大使用温度范围、增加应用场合、延长电池使用寿命、增加探测火种和改善人机交换功能等。

我们也看到世界各国消防法规不断的更新，测试要求也越来越高。

如德国、美国等。

设计一款性能优异、价格低廉的烟雾光学迷宫（以下简称迷宫），成了我们思考的重点。

一个完整的迷宫包括三个部件：红外发射管、红外接收管和迷宫塑料件。

我们可以通过隔离值、气阻值、解析度、底噪值、准确度和温漂值等参数来衡量一个迷宫的性能。

隔离值，主要衡量迷宫结构的优异性，以百分比K来表示。

测量方式：使用特定波长和强度的点光源，立体360旋转照射迷宫，测量接收区的光强。

计算公式：K=（1- Sr / Si）* 100% /A；Si为照射光的强度，Sr为接收区的光强，A为距离单位。

气阻值，主要衡量迷宫的进气特性，以响应时间t来表示。

测量方式：在无对流的局部空气中，均匀的分布一定密度的烟雾颗粒，响应值以接收区的光强达到该烟雾密度值所需要的时间。

单位t秒每A 密度。

解析度，主要衡量迷宫能测量最小烟雾颗粒的密度值，以光强l 来表示。

测量方式：在一定气流的局部空气中，均匀的分布一定密度的烟雾颗粒，测量接收区的光强。

单位mW每A密度的B颗粒。

底噪值，主要衡量迷宫的结构对检测的红外光所产生干扰光的量，以百分比K来表示。

测量方式：红外发射管以一定强度照射，测量接收区的光强。

计算公式：K=Sr / Si* 100%；Si为红外发射管的光强，Sr为接收区的光强。

准确度，主要衡量迷宫对测量烟雾颗粒密度的准确性，以相应消防法规规定的检测设备的检测区域为基准，是一个相对量，以百分比K表示。

检测区域越大，对不均匀分布的烟雾颗粒影响越小，准确度
越高。

温漂值，主要衡量迷宫的解析度和底噪在不同温度的变化值，以温度23℃±2为基准，是一个相对量，以百分比K表示。

根据不同的产品，我们往往需要设计不同大小的迷宫。

如系统式报警器，绝大多数都采用大迷宫，而家用型的，大都采用小迷宫。

一般，迷宫越大，其性能也越好。

设计迷宫的内部结构是我们最大的工作量。

一、为了控制和降低底噪，设计光的路径，使红外光按照路径进行反射传播。

如图2简单所示。

图2
二、为了增加准确度和解析度，排布光的路径，使光路径均匀的分布在检测区域内。

如图3简单所示。

图3
三、为了增加隔离能力、减少气阻，在检测区域周围，采用特定形状的挡片来反射外部干扰光，但要避免发生衍射。

保持相邻挡片之间的距离，增加气流量。

如图4简单所示。

图4
经过以上的步骤，初步完成一个迷宫。

在设计中，我们还要考虑
其它参数，如波长、可视角、光强、温度特性、暗电流、短路电流、夹角（发射管和接收管的角度）、材料的特性和吸收率（对光的吸收）等参数，来提升整个迷宫的性能，但有几个性能参数是相对的，所以要根据硬件电路、产品的应用场合和结构，来权衡迷宫的某些性能。

作者：Tom
2014-3-30。