遮光式光学烟雾传感器

基本构成与工作方式

遮光式光学烟雾传感器是一种把烟雾浓度转换为电信号的光学检测器件。其基本光路为：光源发出的光经过一段被测空间（如烟道）后照射到光敏元件上，光敏元件把接收到的光通量转换为电信号，再经放大后送显示或报警电路。光源与光敏元件通常分置于被测空间两侧，构成透射式（对射式）结构。

遮光检测原理

在洁净空气中，光源发出的光几乎无衰减地到达光敏元件，光敏元件输出一个较大的基准电信号。当被测空间出现烟雾时，烟尘颗粒对光产生两类作用：

• 吸收：光能被颗粒吸收并转化为其他形式的能量；
• 散射（含折射偏离）：光线被颗粒改变传播方向，偏离原光路。

两者共同使沿原方向到达光敏元件的光通量减少。烟雾浓度越高，颗粒越多，到达光敏元件的光越少，输出电信号越小。因此，光敏元件输出信号的强弱即可反映烟尘浊度（烟雾浓度）的变化。

光通量与电信号的关系

设光源发出的光通量为 ${\mathrm{\Phi }}_0$（单位：流明，lm），经过烟道后到达光敏元件的光通量为 $\mathrm{\Phi }$。烟雾对光的衰减可表示为
$\mathrm{\Phi }={\mathrm{\Phi }}_0{e}^{-kL}$
其中 $k$ 为与烟尘浓度有关的衰减系数（单位：${\mathrm{m}}^{-1}$），$L$ 为光在烟尘中穿过的有效光程（单位：$\mathrm{m}$）。该式说明：$k$ 或 $L$ 增大时，$\mathrm{\Phi }$ 按指数规律减小。该指数模型描述均匀烟尘介质中沿原方向的直达光消光，要求烟尘分布均匀、入射光波长与接收几何（接收孔径和视场）固定，并控制多重散射影响；$k$ 是包含吸收与散射的消光系数，不能把非散射吸收系数直接等同为该 $k$。
光敏元件（如光电二极管、光电池等）在一定的偏置和负载条件下，其输出光电流 $I$ 与入射光通量近似成正比：
$I=S\mathrm{\Phi }$
其中 $S$ 为光敏元件的电流灵敏度（单位：$\mathrm{A}\mathrm{/}\mathrm{l}\mathrm{m}$）。于是烟雾浓度增加使 $\mathrm{\Phi }$ 减小，$I$ 随之减小，经放大后输出电压降低，据此可判断烟雾浓度是否超过阈值并触发报警。

系统组成与信号流向

典型系统包括：平行光源、被测烟道（检测区）、光电探测（光敏元件）、放大电路、显示/报警器。为补偿光源老化、器件漂移和污染带来的基准变化，通常还设有刻度校正环节，将校正信号反馈至放大环节，使洁净空气条件下的输出保持稳定。

适用范围与条件

• 该原理适用于烟雾或烟尘使透射光减弱的场合，属于透射式（遮光式）检测。
• 输出与烟雾浓度之间的关系受颗粒粒径、颜色、光波长、光程长度等因素影响，实际标定需在具体烟道条件下进行。
• 光源与光敏元件之间的光路若被灰尘、水汽等长期污染，会产生与烟雾无关的衰减，需要定期清洁或校正。
• 当烟雾浓度很高使 $\mathrm{\Phi }$ 接近零时，输出信号趋于饱和，检测灵敏度下降，因此存在有限的动态范围。