線型光束濾光片的校準(zhǔn)

何日梅，韋秋葉，范曉輝，盧敏萍

（廣西壯族自治區(qū)計量檢測研究院，南寧 530200)

線型光束感煙火災(zāi)探測器是光電感煙探測器的一種，對燃燒或熱解產(chǎn)生的液體或固體顆粒產(chǎn)生響應(yīng)，依靠煙霧顆粒對光的吸收或散射原理，對火災(zāi)進(jìn)行探測，可分為對射式和反射式［1-3］。線型光束感煙火災(zāi)探測器具有保護(hù)面積大、安裝位置高和抗干擾能力強(qiáng)等特點，因此被廣泛應(yīng)用于各種大型場所中［4-6］。GB 50116—2013 《自動火災(zāi)報警設(shè)計規(guī)范》5.3.1 條款列出了該類探測器的適用場所：大型庫房、博物館、檔案館、飛機(jī)庫等多為無遮擋的大空間場所，發(fā)電廠、變配電站、古建筑、文物保護(hù)建筑的廳堂館也適合安裝這種類型的探測器［7］。廣大研究者從不同角度對探測器的性能進(jìn)行研究，蔣廓等［8］采用火災(zāi)動力學(xué)模擬器（FDS）分析布置高度、距離火源水平距離、光路長度等對探測器響應(yīng)性能的影響；李宏文等［9］研究線型紅外光束感煙探測器光路長度對報警時間的影響，并提出不同靈敏度設(shè)置下，發(fā)射器與接收器之間的合理安裝間距；李玉寶［10］探討了以紅外光束感煙探測器為核心的火災(zāi)報警系統(tǒng)的設(shè)計和實現(xiàn)。由此可見，線型光束感煙火災(zāi)探測器的廣泛應(yīng)用。

線型光束濾光片作為探測器配套濾光片，主要用于模擬火災(zāi)條件下，煙霧遮擋探測器后探測器的響應(yīng)情況，利用濾光片減少紅外發(fā)光器發(fā)射到紅外接收器的光束量來判定火災(zāi)，用以驗證火災(zāi)探測器的性能，是保證建筑消防安全的重要手段。GB 14003—2005 《線型光束感煙火災(zāi)探測器》附錄A中規(guī)定了配套的濾光片，應(yīng)使用減光值為0.9～10 dB 的濾光片檢測探測器響應(yīng)閾值［11］。GB 50166—2019 《火災(zāi)自動報警系統(tǒng)施工及驗收規(guī)范》規(guī)定，用減光值為0.9 dB 的濾光片遮擋光路，探測器不應(yīng)該發(fā)出火災(zāi)報警信號；用減光值為1～10 dB 的濾光片遮擋光路，探測器應(yīng)發(fā)出火災(zāi)報警信號［7］。探測器廠家一般配備減光值分別為0.4 dB和10 dB或者0.9 dB 和10 dB 的配套濾光片。濾光片的準(zhǔn)確測量對探測器的性能驗證尤為重要，有研究者對濾光片的檢測校準(zhǔn)進(jìn)行了研究［5-7］。孔小平等［13］規(guī)定了線型光束濾光片透射比和重復(fù)性的校準(zhǔn)方法，并給出了減光值示值誤差的參考計量要求和不確定度，但未提及正反差別和年變化量等校準(zhǔn)方法；趙雯［14］提出了減光值誤差、均勻性和正反差別的校準(zhǔn)方法和參考計量指標(biāo)，但未提出年變化量校準(zhǔn)方法和計量指標(biāo)；王舵［15］分析了減光值的計算方法，但未提出計量性能的參考計量指標(biāo)。目前，線型光束濾光片尚無相關(guān)國家檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范。

為提出較為全面的校準(zhǔn)方法和計量指標(biāo)要求，向市場提供檢測校準(zhǔn)依據(jù)，促進(jìn)濾光片技術(shù)指標(biāo)的統(tǒng)一，筆者在前人研究的基礎(chǔ)上，建立線型光束濾光片的校準(zhǔn)方法。選擇減光值小于1.0 dB 和等于10 dB 的濾光片，根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)指標(biāo)［16-17］，測量不同廠家濾光片減光值數(shù)據(jù)，給出較為全面的參考計量特性，并進(jìn)行不確定度分析。

1 實驗部分

1.1 主要儀器與試劑

紫外、可見、近紅外分光光度計：PE lambada 950 型，波長范圍為175～3 300 nm，透射比范圍為0～100 %，波長最大允許誤差不超過±0.5 nm，透射比最大允許誤差不超過±0.003，雜散輻射水平低于0.002，珀金埃爾默股份有限公司。

線型光束濾光片：0.4、10 dB，北京朋利馳科技有限公司。

1.2 線性光束濾光片工作原理

線型光束濾光片主要用于線型光束感煙火災(zāi)探測器性能的檢測。其工作原理是利用濾光片減少紅外發(fā)射器發(fā)射到接收器的光束光量，探測器檢測到光束量減少時，發(fā)生警報。濾光片模擬火災(zāi)發(fā)生時，物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的煙霧粒子對紅外線光束吸收或散射，減少光束發(fā)射器發(fā)射到光電接收器的光束量。反射式、對射式紅外光束感煙探測器原理圖分別見圖1、圖2。

圖1 反射式紅外光束感煙探測器原理圖

圖2 對射式紅外光束感煙探測器原理圖

1.3 校準(zhǔn)條件

環(huán)境溫度為（23±5） ℃，相對濕度不大于65%，工作環(huán)境中無引起濾光片或其膜層腐蝕的氣體。

1.4 校準(zhǔn)范圍

線型光束感煙探測器光束發(fā)射器主要由波長為800 nm 的紅外發(fā)射管組成［13］，其透射率視具體實驗要求而定。校準(zhǔn)時測定濾光片在規(guī)定波長下的透射比，判定其是否符合使用要求。對各廠家濾光片進(jìn)行800～2 500 nm 全波段掃描，對圖譜進(jìn)行分析，將校準(zhǔn)減光值的波長范圍設(shè)置為800～1 100 nm，將測得的透射比換算為減光值。

1.5 校準(zhǔn)項目

校準(zhǔn)項目包括減光值、均勻性、正反差別、年變化量。

1.6 校準(zhǔn)方法

1.6.1 減光值的測量

將分光光度計開機(jī)預(yù)熱后，根據(jù)濾光片的用途設(shè)置測量的波長范圍，光譜間隔取5 nm，積分時間為1 s，以空氣作為參比測量濾光片的透射比曲線，在800～1 100 nm 波長范圍內(nèi)的減光值A(chǔ)按公式(1)計算［11，14］。

式中：A——線型光束濾光片的減光值，dB；

τ——特征波段范圍內(nèi)的平均透射比值。

重復(fù)上述條件掃描3 次，計算特征波段減光值的平均值，該平均值即為特征波段減光值。

GB 14003—2005 未對濾光片透射比做具體要求，因此，對濾光片分別給出工作范圍的透射比平均值和減光值，由客戶根據(jù)校準(zhǔn)值進(jìn)行使用（不同減光值的濾光片可用于探測器的日常檢測，因此該項校準(zhǔn)項目僅給出校準(zhǔn)值，未給出計量特性要求）。

1.6.2 均勻性與正反差別

在濾光片中心點及距中心點上下各1 cm 處，按減光值的測量方法，計算3 處減光值的差值，取其絕對值，其中最大值為均勻性。在濾光片正面中心與從背面中心點射入時，按減光值的測量方法，計算兩個減光值的差值的絕對值即為正反差別。均勻性與正反差別的計量特性要求如表1 所示。

1.6.3 年變化量

計算同一濾光片兩次校準(zhǔn)周期即12 個月內(nèi)對應(yīng)波長范圍800～1 100 nm 下減光值差值的絕對值，計量特性要求如表1 所示。

表1 計量特性要求 dB

2 結(jié)果與討論

選擇不同廠家的線型光束濾光片進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果如表2所示。由表2可知，大部分廠家均勻性、正反差別和年變化量在本校準(zhǔn)方法提出的計量性能要求范圍內(nèi)，表明所提出的要求較為合理。但部分濾光片減光值參數(shù)與標(biāo)稱值相差較遠(yuǎn)，這需要廠家不斷的提升減光值的準(zhǔn)確性，在生產(chǎn)時嚴(yán)格把關(guān)。

表2 不同廠家線型光束濾光片校準(zhǔn)結(jié)果 dB

3 校準(zhǔn)結(jié)果不確定度分析

3.1 數(shù)學(xué)模型

根據(jù)不確定度傳播率［18］，對公式（1）求導(dǎo)，得靈敏系數(shù)：

3.2 不確定度來源識別

標(biāo)準(zhǔn)不確定度來源如下：

（1）測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

（2）光譜光度計波長誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

（3）光譜光度計光譜透射比誤差引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

（4）樣品均勻性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度；

（5）樣品正反差別引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度。

不確定度來源示意圖如圖3 所示。

圖3 不確定度來源示意圖

3.3 測量不確定度評定

以標(biāo)稱值為0.4 dB 的線型光束濾光片為例評定不確定度。

3.3.1 各分量的標(biāo)準(zhǔn)不確定度

（1）測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度u1(A)。儀器開機(jī)預(yù)熱后，對送檢的線型光束濾光片（AH-410型，北京朋利馳科技有限公司）進(jìn)行10 次重復(fù)測量，測得減光值分別為0.41、0.39、0.41、0.39、0.39、0.39、0.39、0.40、0.39、0.41 dB，采用A 類評定，根據(jù)貝塞爾公式［19］，計算單次測量標(biāo)準(zhǔn)偏差s= 0.009 5。在通常情況下，濾光片校準(zhǔn)次數(shù)不低于2 次［20］，本試驗校準(zhǔn)3 次，取測量結(jié)果的平均值作為測量結(jié)果，則測量重復(fù)性引入的標(biāo)準(zhǔn)不確定度分量：

3.3.2 不確定度分量及合成不確定度

標(biāo)稱值為10 dB的線型光束濾光片按照上述0.4 dB 線型光束濾光片方法進(jìn)行不確定度評定，各不確定度分量和合成不確定度匯總?cè)绫? 所示。

表3 各不確定度分量及合成不確定度（800～1 100 nm） dB

3.4 擴(kuò)展不確定度

由于各校準(zhǔn)單位裝置和人員、環(huán)境條件的差別，校準(zhǔn)結(jié)果的不確定度各不相同，按上述方法進(jìn)行分析，通過測試估算的擴(kuò)展不確定度如表4 所示。

表4 擴(kuò)展不確定度（800～1 100 nm） dB

4 結(jié)語

建立線型光束濾光片的校準(zhǔn)方法。規(guī)定了減光值、均勻性、正反差別和年變化量的校準(zhǔn)方法，提出了均勻性、正反差別和年變化量的計量特性要求，開展測量不確定度的評定，為市場提供檢測校準(zhǔn)依據(jù)為日后線型光束濾光片國家檢定規(guī)程或校準(zhǔn)規(guī)范的制定提供數(shù)據(jù)支持。