摘 要：独立式光电感烟火灾探测报警器（下面简称报警器）是一款家用型光电感烟火灾探测报警器，采用了后向散射迷宫以及红外发射接收技术，能够探测火灾时产生的烟雾，并及时发出报警信号。它主要实现了新国标中对于四种烟的探测，并成为首批通过新国标的独立式感烟火灾探测报警器之一。
关键词：独立式；光电感烟；后向散射；迷宫；红外发射接收
1 前言
1.1 家用消防器材备置现状
由于我国《消防法》对于家庭配备消防器材没有专门的规定，虽在相关技术规范中对此进行了倡导，但不具强制性。这导致目前我国家庭配备消防器材现状令人担忧。
1.2 家用消防器材市场前景
中国民用消防市场，特别是家用消防器材市场，基本属于未开发的处女地。随着人们生活水平的提高，私人财富的增加，家庭内电器、油锅、液化气等引起的火灾隐患时刻威胁着人们的生命财产安全。对于普通家庭来说，配备家用消防器材，防患于未然是非常必要的。
1.3 国内外发展现状
在光电感烟探测器出现以前，主要使用离子感烟探测器。离子感烟报警探测器，对各种明火烟雾探测效果较好，对阴燃火烟雾也能探测，但由于它容易受环境影响，误报警率较高，特别是由于使用了放射源，报警器退役后使得后期处理比较困难，容易对环境造成污染，一种环保型火灾探测器的出现是必然趋势。由于半导体发光管的出现和脉冲技术的发展，使光电感烟探测器迅速发展。由于光电感烟探测器具有抗气流干扰，工作稳定，环境温度和湿度变化对它影响小，对灰白色、颗粒较大的阴燃烟的相应比离子探测器灵敏等特点，应用非常广泛。
1.4 国家相关标准及规范
2006年7月国家标准化管理委员会颁布了GB20517-2006《独立式感烟火灾探测报警器》的国家标准，并于2007年4月1日起正式实施。2006年8月，公安部消防局向各省、自治区、直辖市公安消防总队发出《关于推广应用独立式火灾探测报警器等消防技术的通知》。《通知》中明确规定，在全国范围内推广独立式感烟探测报警器。
2 报警器的主要特点
2.1 电池：采用9V层叠电池供电。
2.2 工作电流：静态电流≤20μA；报警电流≤10mA。
2.3 报警响度：≥80dB （距离3米处）。
2.4 确认灯：每32s闪亮一次，完成一次报警器电平检测。当电源电压低于5.8V±0.3时，约每32s发出报警声一次，同时报警灯闪亮，表示需要更换电池。
2.5 自检确认：按下报警器盒盖上的检测按扭，直到蜂鸣器发出声响，确认灯闪亮，表明报警器正常工作。
2.6 I/O线：报警器之间通过此线连接在一起使用，可实现多点联报功能，报警器数量≤32。
2.7 使用环境：环境温度：-10℃～55℃；相对湿度≤93%（40±2℃ 无凝结）。
2.8 保护面积：当空间高度为6-12m时，一个探测器的保护面积对一般场所为80m2；当空间高度为6m以下时，保护面积为60 m2。
2.9 外型尺寸：Φ143*42（mm）。
2.10 重量：135g（不含电池）。
2.11 安装孔距：89mm。
2.12 执行标准：GB 20517-2006。
3 报警器设计方案
报警器采用的是一款包含复杂的低功率模拟和数字电路，带I/O和瞬时图形扬声器驱动器的光电烟雾探测芯片。选择这个芯片的主要原因是它的功耗很低，这是为了满足国标中用电池作为电源时，保证报警器能够连续工作一年的要求。此芯片用一个红外光电盒感测来自微小烟雾粒子的散射光实现探测，当探测到烟雾并达到报警阈值时，启动外部电路发出声光报警。具体方案如图1：
4 设计中的关键技术及解决方案
4.1 四种烟简介
新国标中明确规定，独立式感烟探测报警器必须通过四种烟的实验，四种烟包括白烟（木材阴燃火SH1、棉绳阴燃火SH2）和黑烟（聚氨脂泡沫塑料火SH3、正庚烷火SH4）。
4.2 迷宫的选择
散射光式烟传感器，它是通过一定的角度安装红外发射管和接收管来工作的。没有烟进入时，接收管收不到从发射管发出的光。当有烟进入时，光在烟粒子表面产生漫反射，散射光被接收管接收到后产生电动势，即可将烟雾信号转换为电信号，该电信号随着烟浓度而上升，直至产生报警。依照这个原理发展出两种方式，即：前向散射和后向散射光电工作方式。
其中发射管和接受管间夹角为钝角的被称为前向散射工作方式，目前市场上感烟探测器主要是这种。普通的前向散射光电探测器作为离子探测器的替代方案出现，它具有良好的抗潮和环保性能，但它对黑白烟的相应灵敏度明显不同，不能满足国标中四种火的实验要求。
近年来出现的后向散射型光电感烟探测器能彻底解决这个问题，这是一种代表当代国际最高水平的感烟探测技术，目前国内、国外掌握此技术的厂商仍是寥寥无几。
迷宫散射角度如图2所示：
前向散射型迷宫结构比较简单，对阴燃火有较高的灵敏度，而对黑烟火灵敏度就较低，即使设计合理的前向散射光电探测报警器，为了通过SH3和SH4两种黑烟试验火，也不得不把探测器的响应阈值M调的很小。过小的M值，给产品的响应阈值的一致性会带来很大的影响，也给产品的标定、生产工艺带来了困难。
后向散射型光电探测器，对黑烟试验火的探测灵敏度较高，比较容易解决两种黑烟试验火的响应问题。图3为探测器对SH3黑烟实验火的响应曲线，图4为探测器对SH4黑烟实验火的响应曲线。
通过图3、图4两幅曲线图可以看出，后向散射型迷宫对于两种黑烟实验火比离子型探测报警器、前向散射探测报警器响应信号要好很多，所以选择后向散射迷宫作为报警器的迷宫，在这之前，国内尚没有厂家利用后向散射原理设计迷宫。
我们设计的光电感烟探测器的光学系统结构示意图如图5所示。
它由光室1和迷宫2组成。迷宫2上有一定数量的“V”型叶片，可以让来自不同方向的烟雾进入迷宫后，经过中心区域，再从另外一侧流出，有效避免了烟雾进入迷宫后还没有被探测到就流出了迷宫，同时防止外界环境光线直接射入光学暗室，消除了环境光线的影响。光室1由发射管室3、接收管室4、发射透镜6，接收透镜5组成。在理想情况下发射管室3中的红外发射管发出红外光线经发射透镜聚焦后形成平行光束射出。另一方面接收管室4中的红外光敏二极管也主要接收入射的平行光线，通过接收透镜的聚焦作用，平行光线聚焦在红外光敏二极管的管芯上。发射管室3轴线PO和接收管室4轴线QO相交于O点。O点被称为光学中心。两轴线PO和QO的夹角称为散射角。由于该散射角小于90°，故光学暗室被称为后向散射型光学暗室。光室中以光学中心O为中心是一个菱形的敏感区。当有烟雾进入光学暗室到达该敏感区时，烟雾粒子在由发射管室3来的红外光束作用下发生散射，散射光进入接收管室4被红外光敏二极管接收，转换成电信号。该信号随烟雾浓度的增加而增强，对该信号进行运算处理后即可对火灾危险进行判断。
4.3 外壳的设计
报警器的外形结构采用飞碟式设计，使用聚氯乙烯为原料注塑而成，直径143毫米，这个空间内能容纳包括电池、探测迷宫、电路板、蜂鸣器等部件，整个报警器的厚度为43毫米，当报警器被安装到天花板上时，显得很不突出，而它却可以大大提高探测灵敏度，因为当火灾发生时，产生的烟雾到达天花板时会向四周扩散，所以报警器的探测区域越接近天花板就越容易探测到烟雾。
4.4 防虫网的选择
我们采用了在迷宫上面加电腐蚀不锈钢防虫网的措施（网格面积不大于1mm2），以保证小的昆虫不会进入迷宫，引起误报警。
4.5 蜂鸣器的选择
采用了三线压电式蜂鸣器，固定在底座上，保证了蜂鸣器报警声音大于80dB。
4.6 信噪比的提高
由于国内塑料制品的制造工艺不够好，使得迷宫注塑件表面较粗糙。当然，这与迷宫的复杂程度是有关系的。这就使接收到的信号噪声比较大，也就是我们通常所说的本底值。当有烟时的信号值与本底值之比就小，也就是信噪比低。为了提高信噪比，经多方调研、咨询，选择了一种叫做黑蜡的石油化工制品，并与乙醚稀释，将迷宫在稀释液中浸泡，取出晾干，迷宫内壁十分光亮，表面粗糙不见了，安装后试验，信噪比提高一倍。
4.7 发射管、接收管的确定
对于不同入射光波长、不同尺寸的烟雾粒子其散射信号不同的原理，一般的烟雾粒径分布在0.001～4μm之间，但是在上述范围内并不是平均分布的， 绝大多数烟雾粒子属于中等粒径粒子，密集地分布在680nm～900nm的光波长范围内，只有极少量属于小粒径粒子和大粒径粒子。
红外发射、接收的二极管有很多，其工作光波长在800 ～1100nm，常用的红外发光二极管发出的红外线波长为940nm左右。而且红外线的特点是不干扰其他电器设备工作，也不会影响周边环境，且电路调试简单。单只红外发光二极管的发射功率约100mW，发射功率较小，红外接收二极管收到的信号较弱，所以接收端就要增加高增益放大电路。接收电路的红外接收管是一种光敏二极管，使用时要给红外接收二极管加反向偏压，它才能正常工作而获得高的灵敏度。
我们选取了IR333-A、PD638B和IR383、PD638C两组发射接收管做一个示例对比，并通过正反向电阻实验，确定其中一组。
通过在不等距离处对两对发射接收管的正反向电阻变化值可以看出，电阻值变化越大，对于烟雾粒子产生的散射越强，接受管接收的信号也就越大，对更有效的探测火灾以及提高报警器的灵敏度起到积极作用，所以我们选择了IR333-A和PD638B这一组红外对管作为我们光学暗室的红外发射接收管。
5 主要实验
5.1 发射电阻实验
发射电阻的选择，主要是控制发射电流的大小，以确定红外发射管的发射强度。通过上面实验可以看出，在3.3Ω的时候呢，报警器已经处于不正常的工作状态，即发射电流过大导致报警器灵敏度太高而对本底的探测报警；在发射电阻为4.2-8.2Ω时候报警器处于正常工作状态，发射电阻在10Ω之上，报警器灵敏度降低，对进烟实验不响应；为了是报警器对烟雾的灵敏度处在一个正常工作状态的中间状态，我们选择了5.1Ω的发射电阻。 如表2所示：
表2 发射电阻实验
5.2 方位实验
以报警器的中心为原点，等分为8份，在每一个方位上进行烟箱标定实验，最终确定报警器的最不灵敏方位，因为以后的重复性、一致性、冲击、四种烟等实验都是在报警器的最不灵敏方位进行的实验。并且要求每次标定的最大值与最小值之比不大于1.6。如表3所示：
表3 方位实验
5.3 重复性实验
我们取6只报警器在最不灵敏的5#方位进行6次灵敏度标定，其中最大值与最小值的比值应小于1.6。如表4所示：
5.4 一致性实验
我们取8只报警器在8个方位进行灵敏度标定，其中最大值与最小值的比值应小于1.6。如表5所示：
5.5 冲击实验
我们取4只报警器进行试验后，在最不灵敏的5#方位进行灵敏度标定，试验后的标定值与试验前的标定值比值应小于1.6。如表6所示：
5.6 火灾灵敏度实验
燃烧实验主要是进行的正庚烷火的黑烟实验，最终的标定报警器的报警阈值m达到新国标的Ⅲ级响应阈值。如表7所示：
6 结束语
报警器的开发过程，经历了主要器件的选型、结构的确定、基本功能的反复实验以及产品的认证送检工作；并且成为首批通过新标准认证的产品之一。
在该报警器基础上，我们开发了独立式烟温复合探测报警器、无线烟温复合探测报警器、带语音报警的独立式报警器，使我们的产品形成一个家用消防报警系统，丰富了产品类型。
