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AVA技術特點一:高功率藍光LED探測光源

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發表於 2014-6-7 23:52:49 |顯示全部樓層
本帖最後由 黑色的狗 於 2014-6-8 00:09 編輯

AVA技術特點一:高功率藍光LED探測光源探測光源的發展

    1980年代澳大利亞IEI公司的馬丁科爾博士成功的將昂貴、複雜的實驗室級別比濁計商品化,並以VESDAVery Early SmokeDetection Apparatus)為品牌開創了消防報警系統當中獨特的空氣採樣式感煙火災探測技術以來,已經歷了30年的發展歷史。此類產品也隨之近代科技技術的發展而進步,其中最明顯的發展大概就是探測光源的演進了。此類產品的煙霧顆粒探測原理均為光散射(Light Scattering),這種方式通過檢測光線(光源)照射煙霧顆粒時產生的散射光大小來檢測煙霧濃度,而散射光信號大小與光源本身的亮度、波長及角度等有關,因此探測光源在探測煙霧的靈敏度方面扮演了非常重要的角色。
    80年代,第1代的VESDA E700E70D等型號的空氣採樣式煙霧探測器使用氙氣燈(Xenon)做為探測光源。氙氣燈的亮度非常高且為寬頻光,光譜當中包含短波長到長波長的各種波長,因此對空氣當中各種尺寸的懸浮顆粒均敏感,就煙霧探測性能來說是非常良好的探測光源。不過由於氙氣燈的成本高,而且亮度會隨著時間而逐漸降低。因此每2年探測器就需要進行校正,日後運行維護成本較高。
    90年代,隨著半導體雷射(激光)技術的發展及普及,很自然的,不同的廠家的產品(包括Kidde Hart LaserAirSense Stratos-HSSDVESDA LaserPLUS)均不約而同的使用紅外雷射(激光)作為探測光源。紅外雷射的優點是壽命長,在光束聚焦點的光強度非常高,可以使通過雷射光束焦點的懸浮顆粒產生非常強的散射光。不過由於紅外雷射為單調光,其光線波長為940nm,其波長較長,因此對微小顆粒較不敏感。因此第2代紅外雷射光源雖然解決了成本和壽命的問題,但同時也犧牲了對火災煙霧當中較小尺寸顆粒的靈敏度。
    到了21世紀,隨著LED製造技術突飛猛進的發展,LED不僅亮度越來越大,壽命也越來越長。而在高亮度藍色LED成功問世之後,其與紅色及綠色的組合可以生成任何顏色。因此現在LED的用途早已不再侷限於指示燈,而開始應用於各式各樣的應用當中。包括日常建築當中的各類照明燈具,戶外的路燈,汽車的頭燈,長距離手電筒等均已逐漸捨棄傳統光源改而採LED。因此,似乎是理所當然的,21世紀問世的空氣採樣式產品大多使用高亮度LED為探測光源,這其中包括了VESDA創始人馬丁科爾博士在2005年推出的Monitair,並稱其產品為第3代空氣採樣式煙霧探測器。
    AVA產品在研發階段比較了各種不同的產品技術之後,使用了高功率藍光LED為探測光源。其特點不僅可以滿足高亮度、壽命長等對探測光源的基本要求,藍光470nm的短波長對尺寸較小的煙霧顆粒更為敏感,因此對所有尺寸的煙霧顆粒均能有效探測。可以說同時兼顧了第1代氙氣光源及第2代紅外雷射光源的優點,卻沒有二者的缺點,是迄今為止最為理想的探測光源。

光線散射原理
    空氣當中的懸浮顆粒的粒徑尺寸分佈大約在0.01100mm之間,煙霧顆粒的粒徑一般較小,大約在0.01至數mm之間;而灰塵顆粒的粒徑一般較大,大約在數mm到數十mm之間。根據光線散射理論,散射光強度與顆粒尺寸大小及入射光的波長有關,當粒徑尺寸與入射光波長相當時,光散射模型符合米氏散射(Mie Scattering),而當粒徑尺寸遠小於入射光波長時,光散射模型符合瑞利散射(Rayleigh Scattering)。所謂粒徑大小可以用參數α來表示,

粒徑大小

粒徑大小

file://localhost/Users/jimchen/Library/Caches/TemporaryItems/msoclip/0/clip_image002.png
    其中D為粒徑大小,λ為入射光波長。當a小於0.1時,適用瑞利散射;當a介於0.150之間時,適用米氏散射。米氏散射及瑞利散射的方程式分別如下

瑞利散射

瑞利散射

瑞利散射
file://localhost/Users/jimchen/Library/Caches/TemporaryItems/msoclip/0/clip_image004.png

米氏散射

米氏散射

米氏散射

註:米氏散射的方程式則較為複雜,無法用一個公式來表示,有文獻表示米氏散射與波長的平方成反比。因此對比瑞利散射及米氏散射,其散射光強度除了與入射光強度成正比之外,瑞利散射與入射光波長的4次方成反比,米氏散射則與入射光波長的平方正反比。

    如果比較紅外光及藍光這兩種探測光源的波長,假設紅外光(雷射或LED)的波長為760nm0.76mm),藍光(雷射或LED)的波長為470nm0.47mm)。對於懸浮在空氣當中的顆粒,當其粒徑在0.110mm級別時,適用米氏散射來計算其散射光強度;當粒徑在0.010.1mm這個級別時,其散射模型漸漸趨近於瑞利散射,粒徑越小(譬如粒徑小於0.015mm時)越適用瑞利散射來計算其散射光強度。瑞利散射的散射光強度與波長的4次方成反比,因此從理論上來計算,對於空氣當中的極微小煙霧顆粒,由於紅外光及藍光波長的不同,短波長藍光產生的散射光強度與長波長紅外光的散射光強度將會是6.81,也就是藍光的散射光強度會是紅外光散射光的6.8倍。而對於空氣當中較大的煙霧顆粒,適用米氏散射來計算散射光時,短波長藍光產生的散射光與長波長紅外光產生的散射光強度將會時2.61,藍光的散射光強度會是紅外光的2.6倍。
    因此,相較於使用紅外雷射為探測光源的產品,AVA藍光光源對煙霧顆粒更為敏感,尤其是對微小煙霧顆粒更是敏感。而這點對於火災探測是非常重要的,因為火災在醞釀或萌芽階段燃燒產生的煙霧顆粒會比後期燃燒產品的顆粒更小,因此藍光光源對於極早期火災探測具有非常大的優勢。
藍光普照
    AVA藍光LED探測光源的另外一個特點是對煙霧樣品進行“三度空間”的探測,而非“點”的探測。
    雷射光束只有在光焦點位置的光亮度是最強的,因此其煙霧探測方式事實上相當於粒子計數方式(Particle Counter),這種方法透過單位時間內懸浮顆粒通過光束焦點產生的散射光脈沖次數轉換成為煙霧濃度,每次檢測時是檢測單一顆粒。
    與上述方式不同的,如下圖所示AVA藍光LED發出的高亮度光束可以同時照射到一個三度空間內部的所有懸浮顆粒,因此空間內每個懸浮顆粒都可以對散射光產生貢獻,這樣雖然LED的亮度不如雷射光束焦點處的亮度高,單一顆粒產生的散射光不如雷射光,但由於懸浮顆粒數量眾多,因此合計的散射光信號非常大,而且散射光強度與所有懸浮顆粒的總質量成正比,更能準確的代表空氣當中實際的煙霧濃度大小。

藍光前向散射

藍光前向散射


file://localhost/Users/jimchen/Library/Caches/TemporaryItems/msoclip/0/clip_image006.png
探測器校正
    綜上所述,基於高功率藍光LED光源對煙霧顆粒的靈敏度高於紅外雷射光源的事實,而且不同顆粒尺寸大小的散射光強度也不相同,微小尺寸的煙霧顆粒可以產生更大的散射光強度。因此AVA產品的煙霧探測器在校正時是以較大尺寸顆粒為基準,使AVA產品在火災燃燒產生較大顆粒尺寸的煙霧時,其靈敏度輸出與紅外雷射類型產品的靈敏度相當。這樣當火災燃燒產生微小顆粒尺寸的煙霧時(或是在火災醞釀萌芽階段時),其靈敏度輸出會比紅外雷射類型產品的靈敏度高很多。
file://localhost/Users/jimchen/Library/Caches/TemporaryItems/msoclip/0/clip_image008.png

藍光及紅外光對不同顆粒尺寸的靈敏度

藍光及紅外光對不同顆粒尺寸的靈敏度

圖:校正後的AVA產品與紅外雷射光源產品在不同顆粒尺寸時的煙霧濃度大小
實測數據對比
    下圖是AVA產品與市面上常見的使用紅外雷射為光源的產品對各種物質燃燒產生的煙霧濃度大小的比值,比值大於1表示AVA更為靈敏,比值小於1表示AVA較不靈敏。從圖上可以看到,對所有物質燃燒煙霧測試,使用藍光LEDAVA靈敏度比使用紅外雷射光的產品更為靈敏。

不同物質燃燒

不同物質燃燒

圖:AVA產品與紅外雷射光源產品在不同物質燃燒時的煙霧濃度輸出比值
結論
l   使用藍光LED的AVA產品比使用紅外雷射光的產品對微小煙霧顆粒更為靈敏

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