基于不对称比的飞机货舱抗干扰烟雾探测技术研究
发布时间：2022-01-11 16:32
飞机货舱火灾烟雾探测系统误报不仅威胁到飞行安全,而且造成了巨大的经济损失,烟雾探测器高误报率问题亟需解决。非火灾气溶胶的干扰是造成烟雾探测器高误报率的主要原因,在飞机货舱环境下,粉尘气溶胶和水雾是两种最常见的干扰气溶胶。前人研究结果表明,干扰气溶胶的区分识别需要综合考虑光源波长、偏振性和散射光接收角等因素,前后向散射角度的散射光强比（即不对称比）可以用于区分不同类型气溶胶,相对于散射光强的角分布测量,普通烟雾探测器更容易实现对不对称比的测量。另一方面,烟雾探测器存在对黑白烟响应不均衡的问题,影响探测性能。本文针对飞机货舱环境下两种典型干扰气溶胶（粉尘气溶胶和水滴气溶胶）,采用理论分析、数值计算和实验测量的方法,开展了基于不对称比的飞机货舱抗干扰烟雾探测技术研究,主要研究工作如下:（1）理论分析不对称比的变化规律,利用数值计算方法研究不同类型颗粒的散射特性,对不对称比变化规律进行验证。基于Lorenz-Mie散射理论推导不对称比的理论计算公式,分析了火灾烟颗粒和干扰颗粒的不对称比随尺寸参数（0.1-50）的变化趋势特征,发现不对称比随尺寸参数的增大,达到第一个极大值后开始呈现周期性振荡变...
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２环境中常见气溶胶颗粒粒度分布ｍ??飞机货舱的复杂环境是烟雾探测器误报率高的重要影响因素
?第一章绪论???测器对这两种干扰气溶胶的抗干扰性能。??２０１９年，中国民航局修订了中国民用航空技术标准规定《货舱火警探测仪》??（ＣＴＳＯ－Ｃｌｅ），要求货舱火警探测仪需满足ＳＡＥＡＳ?８０３６Ａ。??＿＿??二可?？广??ｉ?ｈｕｍｉｄｉｔｙ?ｓｅｎｓｏｒ??Ｃｏｎｓｏｌ?Ｕｒｓｔ?Ａｅｒｏｓｏｌ?Ｇｅｎｅｒａｓｏｒ?ａｉｒ?ｓｔｒｅａｍ??—?ｉａｍｉｎａｒｉｓａｔｉｏｎ??ｐｏｓｉｔｉｏｎ??图１Ｊ烟雾探测器抗干扰性能测试装置：（ａ）粉尘气溶胶测试装置，（ｂ）水雾测试装置??综上所述，为了满足飞机货舱环境下火灾烟雾探测系统的高灵敏度探测和抗??千扰要求，烟雾探测器必须具备对干扰气溶胶区分识别的能力。本文基于前人相??关研究成果，研究飞机货舱环境下典型干扰气溶胶的区分识别方法，降低烟雾探??测器误报率，对保障飞机飞行安全和人员生命财产安全具有重大意义。??１．２国内外研究现状与趋势??针对干扰气溶胶引起的飞机货舱火灾烟雾系统频繁误报问题，国内外研究者??根据火灾烟雾与典型干扰气溶胶的基本光学属性（粒径分布、折射率和微观形貌??等）特征，研究分析了它们的光散射特性差异，探讨了千扰气溶胶区分识别方技??术方法，并开展了抗干扰烟雾探测器原理验证样机研制工作。另一方面，烟雾探??测器还存在对黑白烟不能均衡响应的问题，影响其探测性能，因此在本文中也将??进行分析讨论。下面从三个方面对相关研宄的现状进行介绍：（１）颗粒光学属性??特征，（２）抗干扰烟雾探测技术研宄现状，（３）黑白烟均衡响应研究现状。??４??
与干扰颗粒在粒径尺寸、折射率和微观形貌等方面有一定区别，??本小节将分别对火灾烟颗粒与两种典型千扰颗粒（粉尘颗粒和水滴颗粒）的光学??属性特征进行介绍。??火灾烟颗粒??固体、液体和气体燃料在燃烧过程中都会产生一定量的烟颗粒，烟颗粒的粒??径、折射率和微观形貌等属性不仅与燃料成分有关也与环境压力和温湿度等??因素相关［２Ｇ］。一般来说，阴燃或热解火产生的烟雾一般为淡蓝色或灰白色，也称??为白烟，通过扫描电子显微镜（也称为扫描电镜，ＳＥＭ）可以看到近似球形的液??滴颗粒［１９］，如图１．４（ａ）所示。明火产生的是黑色烟雾，也称为黑烟，烟颗粒微观??形貌如图１．４（ｂ）所示，具有典型的不规则分形结构与阴燃／热解火烟颗粒不??同，明火烟颗粒的炭黑含量较高，因此吸收系数要明显高于阴燃／热解火烟颗粒，??因此也可以将明火烟颗粒称为黑碳颗粒，用于体现与阴燃／热解火烟颗粒在颜色??（折射率）方面的区别。??图１．４阴燃／热解火烟颗粒和黑碳颗粒的ＳＥＭ图像??明火烟颗粒的分形结构是由大小尺寸近似的固体颗粒（也叫主粒子）粘结而??成［２２，２３］，假定所有主粒子半径相同，主粒子的质量或数量空间分布可以用经验公??式表示为：??Ｎ?＝?ｋａ（Ｒｓ?／?ｒ〇）Ｄｆ?（１．１）??其中，ＴＶ是烟颗粒聚合体中的主粒子数，是前置因子，＆是烟颗粒聚合体??的质量回转半径，＾是主粒子半径，是分形维数。??根据明火烟颗粒的微观图像，可以统计得到ｉＶ和＾的具体大小，回转半径??＆?一般通过下面的经验公式得到［２４］：??１／（２鳥）＝１．４９?（１．２）??因此，通过对公式（１．２）进行求对数，再通过线性拟合可以得到明火烟颗粒的??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]光学迷宫对飞机货舱感烟探测器响应性能的影响[J]. 韩玲,林高华,方俊,王进军,张永明. 火灾科学. 2016(04)
[2]单分散长椭球形气溶胶粒子的散射相函数研究[J]. 邵士勇,黄印博,魏合理,饶瑞中. 光学学报. 2009(01)
[3]火灾烟颗粒的分形结构形状模拟与光散射计算[J]. 乔利锋,张永明,谢启源,方俊,王进军. 物理学报. 2007(11)
[4]辐射传输方程中非对称因子的估算[J]. 杨春平,吴健,冷杰. 红外与激光工程. 2006(S4)
[5]基于回转椭球模型分析烟颗粒非球形性对光散射模式影响(英文)[J]. 谢启源,张永明,袁宏永,赵建华,乔利锋,蒋亚龙. 中国科学技术大学学报. 2006(03)
[6]汽轮机湿蒸汽两相流中水滴尺寸研究进展[J]. 汪丽莉,蔡小舒. 上海理工大学学报. 2003(04)
[7]激光散射法用于雾化场颗粒Sauter平均直径测量的若干问题研究[J]. 万群,韩肇元,蔡庆军,姚久成. 爆炸与冲击. 2001(04)
博士论文
[1]基于双波长的多参数火灾探测方法研究[D]. 邓田.华中科技大学 2017
[2]火灾烟雾颗粒散射矩阵模拟测量与粒径折射率反演研究[D]. 张启兴.中国科学技术大学 2011
[3]火灾烟颗粒偏振光散射特征的研究[D]. 乔利锋.中国科学技术大学 2008
[4]火灾烟颗粒光散射模型的研究[D]. 谢启源.中国科学技术大学 2006
硕士论文
[1]双波长法区分火灾烟颗粒与干扰颗粒[D]. 孙悟.合肥工业大学 2013
[2]火灾烟颗粒与非火灾干扰颗粒光散射特性的研究[D]. 张青.合肥工业大学 2010
[3]基于光散射的微粒检测[D]. 李建立.烟台大学 2009
[4]双向散射及双波段光电感烟火灾探测器特性研究与设计[D]. 孙峻岭.合肥工业大学 2007
本文编号：3583099
【文章来源】：中国科学技术大学安徽省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：139 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２环境中常见气溶胶颗粒粒度分布ｍ??飞机货舱的复杂环境是烟雾探测器误报率高的重要影响因素
?第一章绪论???测器对这两种干扰气溶胶的抗干扰性能。??２０１９年，中国民航局修订了中国民用航空技术标准规定《货舱火警探测仪》??（ＣＴＳＯ－Ｃｌｅ），要求货舱火警探测仪需满足ＳＡＥＡＳ?８０３６Ａ。??＿＿??二可?？广??ｉ?ｈｕｍｉｄｉｔｙ?ｓｅｎｓｏｒ??Ｃｏｎｓｏｌ?Ｕｒｓｔ?Ａｅｒｏｓｏｌ?Ｇｅｎｅｒａｓｏｒ?ａｉｒ?ｓｔｒｅａｍ??—?ｉａｍｉｎａｒｉｓａｔｉｏｎ??ｐｏｓｉｔｉｏｎ??图１Ｊ烟雾探测器抗干扰性能测试装置：（ａ）粉尘气溶胶测试装置，（ｂ）水雾测试装置??综上所述，为了满足飞机货舱环境下火灾烟雾探测系统的高灵敏度探测和抗??千扰要求，烟雾探测器必须具备对干扰气溶胶区分识别的能力。本文基于前人相??关研究成果，研究飞机货舱环境下典型干扰气溶胶的区分识别方法，降低烟雾探??测器误报率，对保障飞机飞行安全和人员生命财产安全具有重大意义。??１．２国内外研究现状与趋势??针对干扰气溶胶引起的飞机货舱火灾烟雾系统频繁误报问题，国内外研究者??根据火灾烟雾与典型干扰气溶胶的基本光学属性（粒径分布、折射率和微观形貌??等）特征，研究分析了它们的光散射特性差异，探讨了千扰气溶胶区分识别方技??术方法，并开展了抗干扰烟雾探测器原理验证样机研制工作。另一方面，烟雾探??测器还存在对黑白烟不能均衡响应的问题，影响其探测性能，因此在本文中也将??进行分析讨论。下面从三个方面对相关研宄的现状进行介绍：（１）颗粒光学属性??特征，（２）抗干扰烟雾探测技术研宄现状，（３）黑白烟均衡响应研究现状。??４??
与干扰颗粒在粒径尺寸、折射率和微观形貌等方面有一定区别，??本小节将分别对火灾烟颗粒与两种典型千扰颗粒（粉尘颗粒和水滴颗粒）的光学??属性特征进行介绍。??火灾烟颗粒??固体、液体和气体燃料在燃烧过程中都会产生一定量的烟颗粒，烟颗粒的粒??径、折射率和微观形貌等属性不仅与燃料成分有关也与环境压力和温湿度等??因素相关［２Ｇ］。一般来说，阴燃或热解火产生的烟雾一般为淡蓝色或灰白色，也称??为白烟，通过扫描电子显微镜（也称为扫描电镜，ＳＥＭ）可以看到近似球形的液??滴颗粒［１９］，如图１．４（ａ）所示。明火产生的是黑色烟雾，也称为黑烟，烟颗粒微观??形貌如图１．４（ｂ）所示，具有典型的不规则分形结构与阴燃／热解火烟颗粒不??同，明火烟颗粒的炭黑含量较高，因此吸收系数要明显高于阴燃／热解火烟颗粒，??因此也可以将明火烟颗粒称为黑碳颗粒，用于体现与阴燃／热解火烟颗粒在颜色??（折射率）方面的区别。??图１．４阴燃／热解火烟颗粒和黑碳颗粒的ＳＥＭ图像??明火烟颗粒的分形结构是由大小尺寸近似的固体颗粒（也叫主粒子）粘结而??成［２２，２３］，假定所有主粒子半径相同，主粒子的质量或数量空间分布可以用经验公??式表示为：??Ｎ?＝?ｋａ（Ｒｓ?／?ｒ〇）Ｄｆ?（１．１）??其中，ＴＶ是烟颗粒聚合体中的主粒子数，是前置因子，＆是烟颗粒聚合体??的质量回转半径，＾是主粒子半径，是分形维数。??根据明火烟颗粒的微观图像，可以统计得到ｉＶ和＾的具体大小，回转半径??＆?一般通过下面的经验公式得到［２４］：??１／（２鳥）＝１．４９?（１．２）??因此，通过对公式（１．２）进行求对数，再通过线性拟合可以得到明火烟颗粒的??５??
【参考文献】：
期刊论文
[1]光学迷宫对飞机货舱感烟探测器响应性能的影响[J]. 韩玲,林高华,方俊,王进军,张永明. 火灾科学. 2016(04)
[2]单分散长椭球形气溶胶粒子的散射相函数研究[J]. 邵士勇,黄印博,魏合理,饶瑞中. 光学学报. 2009(01)
[3]火灾烟颗粒的分形结构形状模拟与光散射计算[J]. 乔利锋,张永明,谢启源,方俊,王进军. 物理学报. 2007(11)
[4]辐射传输方程中非对称因子的估算[J]. 杨春平,吴健,冷杰. 红外与激光工程. 2006(S4)
[5]基于回转椭球模型分析烟颗粒非球形性对光散射模式影响(英文)[J]. 谢启源,张永明,袁宏永,赵建华,乔利锋,蒋亚龙. 中国科学技术大学学报. 2006(03)
[6]汽轮机湿蒸汽两相流中水滴尺寸研究进展[J]. 汪丽莉,蔡小舒. 上海理工大学学报. 2003(04)
[7]激光散射法用于雾化场颗粒Sauter平均直径测量的若干问题研究[J]. 万群,韩肇元,蔡庆军,姚久成. 爆炸与冲击. 2001(04)
博士论文
[1]基于双波长的多参数火灾探测方法研究[D]. 邓田.华中科技大学 2017
[2]火灾烟雾颗粒散射矩阵模拟测量与粒径折射率反演研究[D]. 张启兴.中国科学技术大学 2011
[3]火灾烟颗粒偏振光散射特征的研究[D]. 乔利锋.中国科学技术大学 2008
[4]火灾烟颗粒光散射模型的研究[D]. 谢启源.中国科学技术大学 2006
硕士论文
[1]双波长法区分火灾烟颗粒与干扰颗粒[D]. 孙悟.合肥工业大学 2013
[2]火灾烟颗粒与非火灾干扰颗粒光散射特性的研究[D]. 张青.合肥工业大学 2010
[3]基于光散射的微粒检测[D]. 李建立.烟台大学 2009
[4]双向散射及双波段光电感烟火灾探测器特性研究与设计[D]. 孙峻岭.合肥工业大学 2007
本文编号：3583099
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