空气采样式烟雾探测器探测光源的发展.docVIP

空气采样式烟雾探测器探测光源的发展 本文针对空气采样式烟雾探测器探测光源的发展作了介绍，自1980年代澳大利亚IEI公司的马丁科尔博士成功的将昂贵、复杂的实验室级别比浊计商品化，并以VESDA（Very Early Smoke Detection Apparatus）为品牌开创了消防报警系统当中独特的空气采样式感烟火灾探测技术以来，已经历了30年的发展历史。此类产品也随之近代科技技术的发展而进步，其中最明显的发展大概就是探测光源的演进了。此类产品的烟雾颗粒探测原理均为光散射（Light Scattering），这种方式通过检测光线（光源）照射烟雾颗粒时产生的散射光大小来检测烟雾浓度，而散射光信号大小与光源本身的亮度、波长及角度等有关，因此探测光源在探测烟雾的灵敏度方面扮演了非常重要的角色。 　　在80年代，第1代的VESDA E700，E70D等型号的 吸气式感烟火灾探测器使用氙气灯（Xenon）做为探测光源。氙气灯的亮度非常高且为宽带光，光谱当中包含短波长到长波长的各种波长，因此对空气当中各种尺寸的悬浮颗粒均敏感，就烟雾探测性能来说是非常良好的探测光源。不过由于氙气灯的成本高，而且亮度会随着时间而逐渐降低。因此每2年探测器就需要进行校正，日后运行维护成本较高。 　　当90年代，随着半导体镭射（激光）技术的发展及普及，很自然的，不同的厂家的产品（包括Kidde Hart Laser、AirSense Stratos-HSSD及VESDA LaserPLUS）均不约而同的使用红外雷射（激光）作为探测光源。红外雷射的优点是寿命长，在光束聚焦点的光强度非常高，可以使通过激光束焦点的悬浮颗粒产生非常强的散射光。不过由于红外雷射为单调光，其光线波长为940nm，其波长较长，因此对微小颗粒较不敏感。因此第2代红外雷射光源虽然解决了成本和寿命的问题，但同时也牺牲了对火灾烟雾当中较小尺寸颗粒的灵敏度。 　　到了21世纪，随着LED制造技术突飞猛进的发展，LED不仅亮度越来越大，寿命也越来越长。而在高亮度蓝色LED成功问世之后，其与红色及绿色的组合可以生成任何颜色。因此现在LED的用途早已不再局限于指示灯，而开始应用于各式各样的应用当中。包括日常建筑当中的各类照明灯具，户外的路灯，汽车的头灯，长距离手电筒…等均已逐渐舍弃传统光源改而采LED。因此，似乎是理所当然的，21世纪问世的空气采样式产品大多使用高亮度LED为探测光源，这其中包括了VESDA创始人马丁科尔博士在2005年推出的Monitair，并称其产品为第3代空气采样式烟雾探测器。 　　AVA产品在研发阶段比较了各种不同的产品技术之后，使用了高功率蓝光LED为探测光源。其特点不仅可以满足高亮度、寿命长等对探测光源的基本要求，蓝光470nm的短波长对尺寸较小的烟雾颗粒更为敏感，因此对所有尺寸的烟雾颗粒均能有效探测。可以说同时兼顾了第1代氙气光源及第2代红外雷射光源的优点，却没有二者的缺点，是迄今为止最为理想的探测光源。 　　光线散射原理 　　空气当中的悬浮颗粒的粒径尺寸分布大约在0.01～100μm之间，烟雾颗粒的粒径一般较小，大约在0.01至数μm之间；而灰尘颗粒的粒径一般较大，大约在数μm到数十μm之间。根据光线散射理论，散射光强度与颗粒尺寸大小及入射光的波长有关，当粒径尺寸与入射光波长相当时，光散射模型符合米氏散射（Mie Scattering），而当粒径尺寸远小于入射光波长时，光散射模型符合瑞利散射（Rayleigh Scattering）。所谓粒径大小可以用参数α来表示， 　　α=πD/λ 　　其中D为粒径大小，为入射光波长。当α小于0.1时，适用瑞利散射；当α介于0.1～50之间时，适用米氏散射。米氏散射及瑞利散射的方程式分别如下 　　瑞利散射 　　米氏散射 　　I?μ?Io（l）/l 　　注：米氏散射的方程式则较为复杂，无法用一个公式来表示，有文献表示米氏散射与波长的平方成反比。因此对比瑞利散射及米氏散射，其散射光强度除了与入射光强度成正比之外，瑞利散射与入射光波长的4次方成反比，米氏散射则与入射光波长的平方正反比。 　　如果比较红外光及蓝光这两种探测光源的波长，假设红外光（雷射或LED）的波长为760nm（0.76μm），蓝光（雷射或LED）的波长为470nm（0.47μm）。对于悬浮在空气当中的颗粒，当其粒径在0.1～10μm级别时，适用米氏散射来计算其散射光强度；当粒径在0.01～0.1μm这个级别时，其散射模型渐渐趋近于瑞利散射，粒径越小（譬如粒径小于0.015μm时）越适用瑞利散射来计算其散射光强度。瑞利散射的散射光强度与波长的4次方成反比，因此从理论上来计算，对于空气当中的极微小烟雾颗粒，由于红外光及蓝光波长的不同，短波长蓝光产生的散射光强度与长波长红外光