基于雙波長光電感煙的煤礦火災煙霧監測技術

許偉健 ，張德勝 ，黃增波

（1.煤炭科學技術研究院有限公司 裝備分院，北京 100013；2.煤礦應急避險技術裝備工程研究中心，北京 100013；3.北京市煤礦安全工程技術研究中心，北京 100013）

防火是煤礦安全生產工作的重中之重，而帶式輸送機的老化、打滑、堆煤、撕裂是導致煤礦發生火災的重要誘因。2020 年9 月27 日，重慶松藻煤礦發生重大火災事故，運煤膠帶摩擦產生高溫和火星點燃沉積粉煤，最終導致重大財產損失和人員傷亡[1]。為吸取教訓、避免類似事故發生，2021 年新發布的煤礦防滅火細則要求帶式輸送機工作相關位置應設置煙霧傳感器[2]。

傳統的煙霧傳感器通常采用單一特征量作為監測敏感源，易受水汽、灰塵干擾，不適用于煤礦井下的復雜使用環境[3]。近年來隨著傳感檢測技術的發展，一些抗干擾能力較強的基于多特征量的新技術方案逐漸投入應用。梁光清提出利用離子式感煙、溫度、燃燒時產生的揮發性有機化合物（VOC）、一氧化碳（CO）、二氧化碳檢測構建多信息識別智能煙霧傳感器[4]，采用多氣體特征量數據作為輔助檢測手段，抗干擾性能較好，但每引入一種氣體特征量，傳感器均需配置對應的氣體敏感元件，過多氣體特征量的引入不僅極大提高了傳感器成本，也使傳感器整機體積難以控制，增加了使用和安裝的復雜性，且離子式感煙敏感元件具有放射性污染，已處于逐步淘汰階段；孫繼平提出利用傳統煙霧檢測技術結合圖像識別的多級混合傳感技術[5]，該技術符合當下煤礦智能化發展的趨勢，但其對設備的邊緣計算能力或通信帶寬要求較高，且煤礦井下環境較為陰暗，必須為拍攝設備升級諸如補光、通訊、計算等一系列配套設備才能滿足視覺方法的圖片拍攝、數據傳輸、算法處理需求[6]，考慮國內煤礦現有技術裝備平均水平，該技術應用于煤礦火災煙霧檢測場景的成本較高，現階段尚不適于大面積推廣；韓宙提出一種基于米式（Mie）散射理論和雙波長光電檢測的多參數火災探測方法[7]，該方法能夠實現對不同氣溶膠粒徑的區分識別，理論上具有良好的抗干擾性能；經過近年發展，市場上已經出現較為成熟、便于開發的商用敏感元件，且在體積、成本上得到了良好的控制?；谛阅堋⒊杀?、體積等因素考慮，雙波長光電煙霧探測法是開發新型煤礦用煙霧傳感器的理想之選。

工業現場調研顯示，目前市面上還未見已大量投入應用的基于雙波長光電探測原理設計的煤礦用煙霧傳感器，雙波長光電感煙敏感元件對煤礦環境普遍存在的大量煤塵、水汽等干擾氣溶膠的識別情況及其應對持續的通風流和早期陰燃微弱煙的特別監測需求[8]的性能表現尚屬未知。為此，針對以上問題，通過仿真試驗具體驗證了雙波長光電感煙敏感元件（下稱敏感元件）監測煤礦環境典型干擾氣溶膠時的表現，測試了敏感元件應對煤礦環境通風流影響及早期微弱煙檢測需求時存在的問題，通過引入波動數據處理算法、定義混疊區并引入CO 氣體濃度輔助監測手段提出了一種基于雙波長光電感煙的多特征量煤礦火災煙霧監測技術，設計搭建了技術原型機并進行了試驗驗證，實現了煤礦環境火災煙霧的準確識別，提高了監測的可靠性。

1 雙波長光電感煙技術煤礦場景應用試驗

1.1 雙波長光電感煙技術基本原理

雙波長光電感煙敏感元件的基本結構如圖1。在光學暗室中按一定角度分別布置A、B 2 通道的發射光及接收裝置，其中通道A 為藍光，通道B為紅（紅外）光。A、B 2 通道的發射光經散射后由接收裝置C 接收。

圖1 雙波長光電感煙敏感元件基本結構示意Fig.1 Basic structure of dual wavelength photoelectric smoke sensing element

根據氣溶膠光學Mie 散射理論[9]，當散射角、接收孔徑、2 通道發射光的波長確定，且處于相同中值粒徑和濃度的氣溶膠中時，藍光通道的散射光功率Ps與紅外光通道的散射光功率PL的接收光功率比值R符合式（1）的氣溶膠中值粒徑的函數：

式中：f(d)為 粒徑分布函數；Pλ（d,λ,m）為單個煙霧氣溶膠粒子的散射Mie 散射光強；d為粒徑；λs為 藍光通道入射光波長； λL為紅光通道入射光波長；m為粒子的折射率。

根據式（1），選擇藍光、紅外光作為檢測光時[10]，雙波長光電感煙敏感元件雙通道散射光功率的比值與煙霧氣溶膠中值粒徑呈單調遞減關系，此時獲取到的雙通道光功率比值與被測氣溶膠的中值粒徑水平具有特定的數值關系，可用于表征被測氣溶膠的成分[11]。

研究表明：常見火災煙霧氣溶膠的中值粒徑值絕大部分小于1 μm[12],而灰塵、煤塵、水霧氣溶膠的中值粒徑大于1 μm[13]。故對于雙波長光電式煙霧檢測敏感元件而言,理論上可以找到氣溶膠中值粒徑為1 μm 時對應的雙波長敏感元件藍光、紅外光雙通道響應比值δ作為閾值，當測得的藍/紅雙通道散射光功率比值大于此閾值δ時，被測煙霧為火災煙霧，反之為非火災干擾煙霧。

1.2 煤礦場景常見干擾氣溶膠識別測試

為驗證雙波長光電感煙敏感元件能否有效區分煤礦場景常見干擾氣溶膠及常見火災氣溶膠，并重點研究雙波長光電感煙敏感元件（下稱敏感元件）在早期火災煙霧檢測中的表現，參考MT 382—2011 礦用煙霧傳感器通用技術條件[14]設計了可體現煙霧濃度從小到大變化時敏感元件響應狀況的測試工裝（下稱自制工裝），自制工裝示意圖如圖2。

圖2 自制工裝示意圖Fig.2 Diagram of self-manufactured module

煙箱上覆蓋板，一側設置可放入燃燒物的容器作為發煙源，煙源旁設置1 個小型風扇用于勻煙。使用亞諾德半導體公司推出的ADPD188BI 型雙波長光電感煙敏感元件作為檢測模塊。該敏感元件配有專用光學暗室，并具有藍光（波長470 nm）/紅外光（波長850 nm）2 個光電響應通道。檢測煙霧時，每通道均可產生正比于當前煙霧濃度的響應。檢測模塊及其余輔助檢測傳感器置于煙箱另一側。發煙源完成點火達到預定狀態后放入煙箱中的預定位置并蓋好蓋板，記錄煙霧逐漸增大過程中敏感元件獲取到的藍通道/紅外通道單通道響應值及雙通道的響應比例值，并記錄輸出趨于平穩時的雙通道響應比例值。檢測模塊單通道的響應值以功率傳輸比（PTR,Power Transmission Ratio）值表示，為敏感元件光學暗室中返回到接收裝置的光功率除以LED 發射的光功率，單位為nW/mW。亞諾德公司的數據手冊顯示，PTR 值表征考慮了敏感元件本身采樣脈沖、電流、平均值等設置后的煙霧濃度水平，修改敏感元件配置，通道的PTR 值不受影響[15]。

試驗選取了GB 4715 標準、MT 382 標準中的典型火災煙霧及常見干擾煙霧[16]作為測試源，以敏感元件輸出趨于平穩時的雙通道響應比例值作為有效數據，分別進行5 次試驗后取得有效數據的平均值作為試驗結果， ADPD188BI 模塊響應測試試驗結果見表1。

表1 ADPD188BI 模塊響應測試試驗結果Table 1 Test results of ADPD188BI module response

分析表1 的試驗結果可得出以下結論：

1）利用藍光通道/紅外光通道雙通道響應比例值作為特征量，雙波長光電式感煙敏感元件可以成功區分煤礦應用環境中的火災煙霧與水汽、煤塵等常見非火災干擾煙霧。

2）存在1 個藍光通道/紅外光通道響應比例閾值（下稱閾值），測試煙對應結果大于此閾值即為火災煙霧，反之為非火災煙霧，根據表1 的數據，此閾值可在1.2～1.4 之間取得。

3）部分火災煙霧與非火災煙霧雙通道響應比例值較為接近（如水汽與陰燃聚氨酯泡沫塑料），考慮正常使用時的誤差影響，在此情況下單獨使用閾值作為判據可能存在誤判，應以適當方式引入輔助判據。

1.3 煤礦環境早期煙霧監測性能驗證試驗

試驗選用圖2 的試驗工裝，選定覆蓋材料為聚氯乙烯（PVC）的帶式輸送機傳送帶（以下簡稱傳送帶）截取件燃燒的陰燃煙研究雙波長敏感元件在煤礦環境早期煙霧監測場景中的性能表現。重復試驗5 次，自制工裝傳送帶陰燃單通道響應如圖3，自制工裝傳送帶陰燃藍道/紅外道響應比例如圖4。

圖3 自制工裝傳送帶陰燃單通道響應Fig.3 Mono-channel response of conveyor belt smoldering in self-manufactured module

圖4 自制工裝傳送帶陰燃藍光通道/紅外光通道響應比例Fig.4 Blue/infrared channel response ratio of conveyor belt smoldering in self-manufactured module

圖4 中，在試驗的早期階段，敏感元件輸出的藍光通道/紅外光通道響應比例值波動較大；隨著試驗進行，煙霧濃度逐漸增大，響應比例值逐漸趨于平穩。分析圖3 可知，在煙霧濃度水平較低的早期階段，敏感元件輸出的紅外通道響應值很小。作為響應比例值計算的分母，此時其微小變化也可導致藍光通道/紅外光通道響應比例值出現較大波動。當設置響應比例值與1 個固定閾值相比較而判斷煙霧性質時，敏感元件響應火災早期煙霧而存在的這種較大的波動將可能導致誤判。此時應適當引入其他在火災發生早期階段較為活躍、易于識別的特征量用于輔助判斷。

1.4 煤礦環境持續通風流影響驗證試驗

為模擬煤礦環境的通風流對敏感元件輸出的影響，使用符合MT 382 標準規定的煙霧測試工裝進行試驗，煙霧試驗標準工裝示意圖如圖5。

工裝分上下煙箱2 部分。下煙箱接在環形風洞中，陰燃的傳送帶煙霧隨風洞中的風流循環吹過，當下煙箱的煙霧遮蔽水平達5%obs/m 時，上下煙箱的連接翻板打開，上煙箱中的原型機下降到下煙箱中。重復進行5 次試驗，標準工裝傳送帶陰燃藍光通道/紅外光通道響應比例如圖6。

分析圖6 中的結果可知，受持續吹過的風流影響，敏感元件輸出的藍光通道/紅外光通道響應比例值出現波動，且波動的幅度較大，此時使用單一的響應比例值作為閾值容易造成誤判。但由于風流在短時間內相對穩定[17]，波動本身并非雜亂無章，可嘗試通過合理的數據處理減弱此波動的影響，得到代表當前煙霧性質的響應比例值，正確完成煙霧性質的判別。

1.5 綜合分析

通過以上驗證試驗及對早期火災煙霧、風流影響的測試可知，雙波長光電式感煙敏感元件應用于煤礦環境時，可以成功區分常見的火災及非火災氣溶膠，但當輸出的雙通道響應比例值處于煙霧性質判斷閾值附近時，由于多種原因造成的波動，敏感元件對煙霧性質的分辨可能出現誤判。應設置輔助監測手段增強其對早期火災煙霧的識別能力，并采用合理的數據處理手段適應風流對煙霧形態的影響，提高其判斷、報警的準確性。

2 針對煤礦應用場景的優化設計

2.1 波動數據處理算法

分析圖4、圖6 的數據可知，早期火災煙霧的特性、風流的影響雖然使雙通道相應比例值R有較大波動，但由于其煙霧本身的性質不變，此波動圍繞著1 個中間值R0展開，則R0可作為代表此煙霧特性的特征比例值。此時除少數存在粗大誤差的數據外，其余數據在R0兩側按一定規律分布。可設計一種數據處理機制計算出R0。此數據處理機制需能夠剔除波動中存在的粗大誤差，同時符合礦用煙霧傳感器的實時性要求，且計算量應與礦用傳感器使用的嵌入式微控制器（MCU）的計算能力相一致。

設置敏感元件輸出方式，使其每1 s 輸出1 個雙通道響應比例值，此比例值為1 s 內獲得數據的平均值。連續采樣7 s，有結果集：{R1,R2,R3,R4,R5,R6,R7} 。

結果集中，R1～R7為按絕對值從小到大排序的采樣結果。由于波動的影響，此結果中最大值及最小值可能存有粗大誤差。綜合考慮粗大誤差的性質和煙霧監測應用環境的數據量、實時性要求以及MCU 的計算能力，應使用狄克松準則[18]進行粗大誤差的檢驗與剔除。

由7 s 內帶排序的數據結果集可計算出統計量：

式中：r10為R7的檢驗統計量；r10'為R1的檢驗統計量。

取檢驗顯著度為0.05，由狄克松準則臨界值表可得，當r>0.507，認為對應的測量值存在粗大誤差[19]，應予剔除。重復此過程，直到所有粗大誤差均被剔除。剔除粗大誤差后，剩余藍紅響應比例值的算術平均值即為R0。

圖4 數據經波動數據處理算法剔除粗大誤差后的輸出如圖7，圖6 數據經波動數據處理算法剔除粗大誤差后的輸出如圖8。

圖7 圖4數據經波動數據處理算法剔除粗大誤差后的輸出Fig.7 Output of data in Fig.4 after coarse errors eliminated by fluctuation data processing algorithm

圖8 圖6數據經波動數據處理算法剔除粗大誤差后的輸出Fig.8 Output of data in Fig.6 after coarse errors eliminated by fluctuation data processing algorithm

對比處理前后的數據可見，敏感元件輸出的藍光通道/紅外光通道響應比例曲線的波動情況得到了改善，但仍存在一定程度的波動。若處理后的波動位于設置的火災煙霧判斷閾值附近，則需引入新的判據進行處理。

2.2 混疊區的定義與判斷

由1.2 節的討論可知，當雙波長光電敏感元件應用于非煤礦環境時，可設置1 個閾值δ，當敏感元件輸出的雙通道響應比例值大于此閾值時，當前煙霧為火災煙霧，反之為非火災煙霧；當敏感元件應用于在煤礦環境中時，當計算得到的R0在閾值δ附近波動時，敏感元件無法準確判斷當前煙霧是否為火災煙霧。

定義區間[δ1,δ2]。

當：R0∈{（0,δ1）∩（δ2, +∞）}，可以正確判斷煙霧性質。即當R0小于δ1時，當前煙霧為非火災煙霧；R0大于δ2時，當前煙霧為火災煙霧。

而當：R0∈[δ1,δ2]，使用單一的閾值δ判斷煙霧性質可能存在誤判，稱此區間[δ1,δ2]為混疊區。

由表1 的試驗數據可知，敏感元件對火災與非火災煙霧的響應比例區分界線在區間[1.2, 1.4]中，則實際應用可取δ =1.3。

考慮敏感元件的響應在早期煙霧檢測場景中的波動及風流對敏感元件雙通道響應比例值的影響，應設置一定裕度以降低誤報。參照圖4、圖6 的數據，取20%裕度[20]。計入裕度后，有：δ1=1.04，δ2=1.56；由此可知，混疊區取[1.04，1.56]即可。

當R0處于混疊區中時，需引入其它判據增加煙霧性質判斷的準確性。

2.3 一氧化碳體積分數輔助判據引入

由第1.5 節中的結論可知，導致敏感元件在早期火災監測場景中輸出的R0處于混疊區的原因是R0存在波動，此時應選擇2 種（火災/非火災）煙霧產生時表現出明顯差異的特征量作為輔助判據。研究表明，一氧化碳（CO）氣體含量在火災發生早期會大幅上升，而在非火災煙霧中含量極低[21]，且礦用帶式輸送機常用材料熱解或燃燒時產生的CO 含量遠大于平常水平[22]。雖然煤層氧化時同樣可能產生大量CO，但本判據可以在先行判明存在煙霧的條件下再作為輔助判據使用，因而能避免在該情形下造成誤報。使用CO 氣體體積分數作為輔助判據不僅滿足界定火災與非火災煙霧氣溶膠的需求，還可增強傳感器對早期火災的檢測能力，使其對煤礦應用場景具有更好的適應性。

目前煤礦環境常見的CO 傳感器多采用基于電化學原理的敏感探頭，其具有精度高、經濟性好的優點，但也有檢測易受烷類氣體、礦井風速、溫度與壓力變化影響的問題存在，且實時性相對不高[23]。鑒于煙霧傳感器行業標準要求其要在煙霧濃度達到規定條件后的20 s 內做出響應，使用了定制的基于NDIR 紅外吸收檢測原理的CO 敏感元件并搭配微型氣泵進行抽氣檢測，在降低了風速、壓力、溫度變化帶來影響的同時提高了敏感元件的響應速度。

使用煙霧試驗標準工裝再次進行標準工裝煙霧試驗，將CO 敏感元件置于緊貼煙霧敏感元件的位置，其余條件和方法與之前試驗相同。記錄工裝內煙霧達到5% obs/m 后20 s 時CO 敏感元件的輸出，重復測定5 次，取平均值20.4 ×10-6作為煙霧傳感器應報警時CO 的參考體積分數C0。

引入CO 氣體體積分數作為輔助檢測手段，CO 傳感器每秒記錄1 個氣體體積分數有效數據，當監測的煙霧處于混疊區即觸發CO 體積分數輔助判據。此時若CO 體積分數滿足以下條件，則認為環境中存在CO 氣體且有體積分數增大的趨勢，存在火災煙霧，否則認為該煙霧為干擾煙霧：

至此，通過設置波動數據處理算法，定義煙霧性質混疊區的概念，并引入CO 氣體體積分數輔助監測手段，設計了基于雙波長光電感煙的多特征量煤礦火災煙霧監測方法，解決了現有技術應對煤礦環境風流影響及早期陰燃煙監測需求優化不足的問題。

3 樣機設計

3.1 樣機硬件

樣機硬件原理框圖如圖9。

圖9 樣機硬件原理框圖Fig.9 Hardware functional block diagram of prototype

樣機核心MCU 選用STM32F412RET6 單片機。本安電源通過濾波及電壓轉換后由本安保護電路提供本質安全保護，并輸出3 路電壓；1 路5 V為CO 敏感元件供電，1 路3.3 V 為單片機及外圍存儲、遙控、顯示模塊供電，1 路1.8 V 為雙波長光電感煙模塊供電。

雙波長光電感煙模塊與CO 氣體體積分數監測模塊分別通過I2C 及串口以數字信號的形式將測得數據傳輸至單片機。單片機可通過I2C 接口進行數據的存儲操作，通過SPI 接口驅動遙控模塊完成遙控操作，并由串口輸出監測情況至顯示模塊的顯示屏進行監測情況的顯示。

3.2 樣機軟件

樣機軟件基本流程圖如圖10。圖10 展示了樣機完成1 次檢測的基本流程。

圖10 樣機軟件基本流程圖Fig.10 Software basic flow chart of prototype

利用雙波長光電煙霧敏感元件、CO 敏感元件獲取檢測原始信息。樣機通過檢測煙霧敏感元件收到的藍光單通道響應PTR 值來識別是否存在煙霧。連續記錄藍光通道的響應值3 s，每秒輸出1個 平 均 值，計 為a1、a2、a3，若 滿 足：{a1、a2、a3}∈ [β1,+∞）， 則認為存在煙霧。式中： β1為煙霧敏感元件在MT 382—2011 中規定的棉繩點燃試驗中于穩定的5% obs/m 的煙霧內測得的藍光通道響應PTR 有效值。

當存在煙霧時，按2.1 中的方法進行針對煙霧波動數據的處理。處理完成后，按2.2 中的方法進行混疊區的判斷，若獲取到的待測煙霧藍光通道/紅外光通道響應比例值處于非混疊區，則可根據設置好的報警閾值進行煙霧性質的判斷，并根據判斷結果進行報警或發送非火災煙提示；若響應比例值處于混疊區，則按2.3 中的方法借助獲取到的CO 數據進行煙霧性質的判斷并發送報警或非火災煙提示。

當發出火災報警信號后，樣機繼續記錄當前待測煙霧的藍光通道/紅外光通道響應。當7 s 內獲取到的每秒藍光通道響應PTR 有效平均值均小于β1時，認為煙霧已經散去，可以取消報警。

4 試驗驗證

新技術樣機制作完成后，與使用基于傳統光電感煙技術制成的某型煙霧傳感器一起進行了對照驗證試驗。試驗項目包括符合MT 382—2011 標準的響應時間、塵氣流、閃光干擾試驗，并使用加濕器作為水汽干擾源補充了高濃度水汽干擾試驗（高擋位，持續10 min），使用粉塵風洞和粒徑大于10 μm 的煤塵補充了高濃度通風流粉塵干擾試 驗（風 速8 m/s，粉 塵 濃 度200 mg/m3，持 續10 min）。2 項補充試驗用于驗證樣機對煤礦環境常見干擾因素的抗干擾能力。重復進行5 次試驗，記錄響應時間的平均值和誤報警的次數，新技術樣機驗證試驗結果見表2，對照組驗證試驗結果見表3。

表2 新技術樣機驗證試驗結果Table 2 Verification test results of new prototype

表3 對照組驗證試驗結果Table 3 Verification test results of control group

對比數據可知，對照組樣機在補充的高濃度水汽和粉塵流干擾試驗中發出了誤報警，新技術樣機則表現良好，表明其對煤礦環境常見干擾因素的抗擾能力優于傳統技術路線煙霧傳感器。

5 結 語

綜合考慮成本、性能等因素，并經試驗驗證，雙波長光電感煙技術是目前開發煤礦火災煙霧傳感器良好的選擇。其可通過分析藍光通道/紅外光通道響應比例值區分煤礦應用場景中常見的煤塵、水汽等干擾氣溶膠與火災煙霧，但必須針對風流影響、早期陰燃煙等煤礦場景特殊監測需求做進一步優化；敏感元件在監測煤礦應用場景早期煙霧及應對環境中普遍存在的持續風流影響時，其輸出數據可能存在較大波動，此波動可能導致煙霧性質的誤判，可通過建立波動數據處理機制減少波動數據的負面影響；雙波長敏感元件的輸出在經上述波動數據處理算法初步處理后剔除了大部分粗大誤差，但數據輸出仍在小區間內存在一定波動，特別是在進行早期火災煙霧的監測時，此波動將更加明顯。當此波動存在于煙霧性質判斷閾值附近時仍會影響煙霧性質的判斷，可通過定義煙霧性質判斷閾值混疊區，并引入CO 氣體體積分數監測輔助手段進行混疊區的判斷，優化雙波長敏感元件在煤礦場景應用時的表現。經試驗驗證，采用新技術的制成的樣機應用于煤炭環境時，其抗水汽、煤塵干擾能力優于傳統光電式煙霧傳感器。

由于礦用柴油膠輪車的尾氣顆粒平均粒徑小于1 μm，且其中含有大量CO 氣體，現階段本技術樣機應用于膠輪車經過的場景中時可能產生誤報?？筛鶕谝欢l件下敏感元件的輸出在大小和時間2 個維度上的表現并結合周邊溫度變化情況建立判斷是否有膠輪車經過的模型。條件所限，本研究尚未對此問題展開深入分析，可以按照此思路做進一步的研究。