光学迷宫对飞机货舱感烟探测器响应性能的影响

韩 玲，林高华，方 俊，王进军，张永明

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

光学迷宫对飞机货舱感烟探测器响应性能的影响

韩 玲，林高华，方 俊，王进军，张永明*

(中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室，合肥，230026)

针对飞机货舱火灾的探测延迟性问题，探讨了光学迷宫对点型光电感烟探测器响应性能的影响，实验研究了点型光电感烟探测器在有、无迷宫两种情况下烟雾探测的响应过程，对比分析了不同烟量时迷宫的作用，并提出探测器迷宫结构的改进设计思路。实验结果表明，在探测器响应过程中，有光学迷宫的探测器烟雾浓度波动幅度较小，迷宫对烟气有滞留作用，提高了探测器的稳定性；但迷宫会使探测腔室的烟雾浓度明显滞后且低于腔外，增大了探测器的迟滞时间,烟雾浓度较低时这种迟滞影响更为明显，严重影响货舱火警探测器的灵敏度。

货舱；光学迷宫；点型光电感烟探测器；滞留；迟滞时间

0 引言

货舱火警探测是现代飞机火警探测系统的一个重要组成部分，目前飞机货舱火警探测大部分采用烟雾探测技术，即在货舱中安装多个点型光电烟雾探测器。根据美国联邦航空管理局(Federal Aviation Administration，FAA)的条例规定，货舱火警探测系统必须在火灾发生60 s内探测到火灾，并给机组乘员视觉警示，因此要求货舱采用的点型光电感烟探测器具有较高的灵敏度[1,2]。

然而光电感烟探测器由于其固有的几何结构及所处的环境状况，使得它在火灾探测中对火灾烟雾参量的响应有一定的迟滞，直接影响火灾探测的有效性和及时性，如防虫网、光学迷宫、烟气流对感烟探测器性能的影响等[3-8]。本文针对点型光电感烟探测器的光学迷宫结构对其探测的延迟作用，实验研究光学迷宫对烟气与感烟探测器之间作用过程的影响，为设计高性能的飞机货舱光电感烟探测器提供依据和方法。

1 光电感烟探测器和光学迷宫

飞机货舱采用的光电感烟探测器是利用火灾烟颗粒对光的吸收和散射作用来探测火灾的一种装置，基本结构如图1所示。当货舱没有发生火灾，采样空气不含有烟颗粒，光敏二极管2接收不到红外发射管1发出的光脉冲，不产生光电流；当货舱因失火产生烟雾时，烟雾进入探测腔室后，烟雾粒子对红外光产生散射，光敏管接收到散射光信号，产生光电流，其强度与烟密度成比例，结合探测算法，触发报警电路，通知机组成员货舱失火[9]。

图1 点型光电感烟探测器结构示意图Fig.1 Structure schematic of photoelectric smoke detectors

如图1所示，迷宫的座体上有一定数量的遮光叶片，它与上盖等其他遮光零件构成一个光学暗室，即探测腔室。由于探测腔室对于烟雾进出来说像是一个迷宫，所以也称为光学迷宫。迷宫的主要作用是防止外界环境光直接射入探测腔室，消除环境光线的影响，增强抗环境干扰能力；同时光学迷宫的结构使烟雾粒子在迷宫中合理的分布和流动，且能让红外发射管发出的光能够在迷宫中合理的反射、折射，与烟雾粒子发生正确作用后被光敏管所接收，以实现准确与快速探测[10,11]。然而，迷宫的结构会阻碍烟雾进入探测腔室的气流流动和扩散，降低进烟速率和浓度，可能严重影响探测器的响应灵敏度。因此合理设计光学迷宫的结构是提高点型光电感烟探测器性能的重要方法之一。

2 实验研究

2.1 实验系统

实验在一个2 m×4 m×2 m 的火灾探测模拟燃烧实验室中进行，外加各种测量设备和数据采集系统构成整体实验系统，如图2所示。其中燃烧室在实验过程中是一个不透光封闭的暗室，排除环境光的干扰，顶部安装两个相同规格的点型光电感烟火灾探测器，分别编为1号和2号探测器。选取可重复性好的阴燃棉绳作为烟源，将其放置于探测器正下方。测量仪器用来测量燃烧室的环境参数，包括温度计、湿度计和光学烟密度计等。燃烧室安装有抽风机，以便每次实验后期快速排净室内烟气[12]。

图2 实验系统示意图Fig.2 Schematic of the experiment system

选取的两个点型光电感烟探测器均拆除了外壳和防虫网，通过保留或去除探测器的迷宫，以及控制棉绳数量进行相关对比实验，实验条件如表1所示。实验中使用的光电感烟探测器均能输出数字量，反映探测器接收烟雾浓度的大小[13]，其最大输出值为3.299 V。与探测器配套工作的控制器和微机之间利用RS232进行串口通讯，可将探测器输出值实时显示并存储。

表1 实验条件

2.2 实验测量与结果

2.2.1 一致性实验

1)实验步骤：将16根20 cm长、干燥洁净的棉绳捆成一束，固定在支架上，使其自然下垂；1号、2号探测器同步保留或去除迷宫；

实验开始时，先开启实验仪器，再点燃棉绳，待棉绳阴燃连续冒烟后，迅速将棉绳支架放进燃烧室关闭门窗，约15 min后拿出棉绳，开始排烟至初始状态后，结束实验；重复上述实验2次，若3次的结果相差较大，则继续实验。

2) 实验数据：

图3是一致性实验1号、2号感烟探测器(均有迷宫)的输出值。

图3 一致性实验探测器输出值Fig.3 Outputs of detectors in consistency experiment

从图3可看出1号、2号感烟探测器的输出曲线基本重合，采用皮尔森相关系数(Pearson Correlation)来分析两个探测器输出值的相关性，计算出图3中两组数据的皮尔森相关系数corr(y1,y2)= 0.9865，表示它们满足正相关且极高度相关[14]。因此1号、2号探测器对烟雾的响应过程一致，可以用来进行之后的对比实验。

2.2.2 大、小烟量有无迷宫对比实验

将1号探测器保留迷宫，2号探测器拆除迷宫进行实验，实验步骤与一致性实验相同，大烟量采用16根棉绳，小烟量8根，实验条件见表1。多次重复实验并稳定后，记录并对比有无迷宫探测器的输出和光学烟密度M值，分析光学迷宫对探测器感烟性能的影响。

图4 大烟量1号探测器(有迷宫)输出值与光学烟密度Fig.4 Output of NO.1 detector (with maze) and optical smoke density in the experiment with a large amount of smoke

图5 大烟量2号探测器(无迷宫)输出值与光学烟密度Fig.5 Output of NO.2 detector (without maze) and optical smoke density in the experiment with a large amount of smoke

图4和图5分别是大烟量1号(有迷宫)、2号(无迷宫)探测器与光学烟密度M值的输出曲线。图6和图7分别是小烟量1号(有迷宫)、2号(无迷宫)探测器与光学烟密度M值的输出曲线。

图6 小烟量1号探测器(有迷宫)输出值与光学烟密度Fig.6 Output of NO.1 detector (with maze) and optical smoke density in the experiment with a little amount of smoke

3 结果分析与讨论

对比分析图4、图5和图6、图7，与有迷宫的感烟探测器相比，无迷宫探测器的输出数据波动比较大，对烟雾浓度变化响应灵敏，探测性能不够稳定。这是由于迷宫的遮光叶片形成的腔室结构对烟雾有滞留作用，使烟雾能在腔室内保留较长时间，有效避免了烟雾进入迷宫后未被探测到就流出，同时减小外界气流对腔室内的影响，因此光学迷宫使感烟探测器探测到的烟雾浓度变化梯度相对较小，提高了探测器的稳定性。

图7 小烟量2号探测器(无迷宫)输出值与光学烟密度Fig.7 Output of NO.2 detector (without maze) and optical smoke density in the experiment with a little amount of smoke

图8 不同烟量下探测器输出值拟合分析Fig.8 Outputs fitting analysis in the experiments with different amounts of smoke

比较相同时刻下探测器的输出值，从图8可看出带有迷宫的探测器在排烟前其输出幅值整体均小于无迷宫探测器的输出值，表明有迷宫的探测器腔内烟雾浓度明显低于腔外。此外，不同烟量的两种探测器的信号变化趋势基本相同，主要区别在于信号强度、响应时间和稳定性。对于探测器响应信号最大值，在某时间内大烟量有、无迷宫探测器信号输出最大值分别为1.54 V和1.78 V，小烟量有、无迷宫探测器信号输出最大值分别为0.59 V和0.78 V。说明光学迷宫结构影响烟雾的气流和扩散，使得腔室内的烟雾浓度变化滞后于腔外。

在开始排烟至实验结束阶段，即烟雾浓度下降阶段，无论大烟量还是小烟量，感烟探测器在无迷宫情况下的下降梯度比较快，说明光学迷宫同样阻碍了烟气的流出，减小了探测器的排烟速率。

图9 前100 s探测器输出值拟和分析Fig.9 Outputs fitting analysis in the experiments with different amounts of smoke during the first 100 seconds

图10 有迷宫探测器的响应迟滞时间Fig.10 The lag time of detectors with optical maze

4 结论

本文采用可重复性较好的棉绳作为烟源，对飞机货舱中使用的点型光电感烟探测器在有、无光学迷宫两种状态进行了实验研究，并对比分析了不同烟量时迷宫对烟雾探测的影响，得出如下结论：

(1)光学迷宫对进入探测腔室的烟雾有滞留作用，能有效避免烟雾进入迷宫后未被探测到就流出，同时减小了外界气流的影响，提高了探测器的稳定性。

(2)光学迷宫增大了点型光电感烟探测器的迟滞时间。由于迷宫的存在，延缓了烟气进入探测器的速率，使探测腔内的烟雾浓度明显滞后且低于腔外，探测器响应延迟10 s～60 s，烟雾浓度较低时这种迟滞影响更加突出。

(3)综合光学迷宫对点型光电感烟探测器响应性能的影响，合理设计迷宫的结构不仅需要考虑其遮光效果，气流的单向性等方面；更重要地必须保证气流的通畅和足够的进烟速率，使光电感烟探测器对烟雾变化具有快速的响应灵敏性，保证及时发现货舱失火，采取灭火措施。

本文实验温度在23℃左右，探测器的输出值相对比较小，因此温度、低压低氧因素对感烟探测器和烟雾粒子的影响，以及减少火警探测误报率是未来需要研究的问题。

[1] Department of transportation. Federal aviation administration. code of federal regulations 14 CFR part 25.858[S], 1997.

[2] 张丹, 等. 民用飞机火灾探测技术浅析[J]. 消防科学与技术, 2014, 33(4):423-426.

[3] Heskestad G. Generalized characterization of smoke entry and response for products-of-combust detectors[A]. Fire detection of Life Safety, Proceedings of Symposium[C], March 31 and April 1, 1975. 93-127.

[4] Keski-Rahkonen O. Revisiting modeling of fluid penetration into smoke detectors for low speed ceiling jets[A].12thInternational Conference on Automatic Fire Detection (AUBE. 01)[C], March25～28, 2001.

[5] Cleary T, et al. Particulate entry lag in spot- type smoke detectors[A]. Sixth International Symposium. International Association for Fire Safety Science (IAFSS)[C], July5～7, 1999.

[6] 谢启源, 等. 烟气流速对感烟火灾探测器性能的影响[J]. 安全与环境学报, 2004, 4(1): 62-65.

[7] 胡君健. 感烟火灾探测器迟滞时间模型的理论和实验研究[D]. 合肥：中国科学技术大学火灾科学国家重点实验室, 2005.

[8] 王进军, 等. 防虫网对点型感烟火灾探测器迟滞时间的影响[J]. 消防科学与技术, 2005, 24(5): 586-588.

[9] 向淑兰, 付尧明. 现代飞机货舱火警探测系统研究[J]. 中国测试技术, 2004, 30(5): 18-20.

[10] 吴龙标, 等. 火灾探测与控制工程[M]. 合肥:中国科技大学出版社, 2013.

[11] 刘子巍. 独立式光电感烟火灾探测报警器电路研制[D]. 大连: 大连理工大学, 2008.

[12] 俞明华. 现代飞机舱内烟雾探测设备浅析[J]. 民用飞机设计与研究, 2001(2):32-36.

[13] Bukowski RW. Smoke measurements in large and small scale fire testing[R]. Gaithersburg, MD：National Bureau of Standards, 1978: NBSIR 78-1502.

[14] John A. Rice, 田金方(译). 数理统计与数据分析[M]. 机械工程出版社, 2011.

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

国家自然科学基金联合基金(U1233102)、中央高校基本科研业务费专项资金(WK2320000032)及城市公共安全安徽省协同创新中心资助。

韩玲，中国科学技术大学安全科学与工程专业硕士研究生，研究方向为火灾探测与微波传播。

张永明，E-mail:zhangym@ustc.edu.cn

1004-5309(2016)-00208-05

10.3969/j.issn.1004-5309.2016.04.07

V223.2;TN215; X932

A