摘 要

烟雾浓度检测对于预防火灾的发生具有重大意义，而烟雾浓度检测系统的精确性和响应速度是很重要的性能指标。本文设计了基于光电二极管的烟雾浓度检测装置的硬件电路，并借助仿真软件进行仿真，最终组装了烟雾浓度检测装置。

论文主要研究了如何利用基于光电二极管的烟雾浓度检测装置稳定地测量火灾烟雾浓度，通过分析计算，反复调试电路，对激光驱动电路、前置运算放大器、次级运算放大器各个元件参数进行计算，使各个电路模块具有良好的稳定性、带宽、信噪比和热稳定性。

调试结果表明：通过定性的分析计算以及元件的选择，基于光电二极管的烟雾浓度检测装置可以稳定地测量局部烟雾浓度，并且在局部范围内距离可以任意调节。

本文的主要内容：对硬件电路系统工作原理以及各个电路模块稳定性原理进行了详细阐述。

关键词：消光；烟雾浓度；光电探测；光电二极管

Abstract

Smoke concentration detection is of great significance to prevent the occurrence of fire, and the accuracy and response speed of smoke concentration detection system is a very important performance index. In this paper, the hardware circuit of the smoke concentration detection device based on photodiode is designed and simulated by simulation software. Finally, the smoke concentration detection device is assembled.

This paper mainly studies how to measure the fire smoke concentration stably by using the photodiode-based smoke concentration detection device. The parameters of the laser driving circuit, the pre-operational amplifier and the secondary operational amplifier are calculated by analyzing and calculating the circuit. Each circuit module has good stability, bandwidth, signal to noise ratio and thermal stability.

The results of the debugging show that the smoke concentration detection device based on the photodiode can measure the local smoke concentration stably by the qualitative analysis and the selection of the components, and the distance can be adjusted arbitrarily within the local range.

The main contents of this paper are as follows: the working principle of the hardware circuit system and the principle of the stability of each circuit module are described in detail.

Key Words：extinction；smoke concentration；photoelectric detection；photodiod

目 录

第1章 绪论 1

1.1 烟雾浓度检测研究的背景、目的和意义 1

1.1.1 烟雾浓度检测研究的背景 1

1.1.2 烟雾浓度检测研究的目的和意义 1

1.2 国内外研究现状、课题研究内容和预期目标 1

1.2.1 国内研究现状 1

1.2.2 国外研究现状 2

1.2.3 国内外烟雾浓度测定标准 3

1.2.4 课题研究内容 4

1.2.5 预期目标 4

第2章 烟雾浓度检测系统工作原理级结构 5

2.1 设计方案的比较与选择 5

2.1.1 基于朗伯-比尔定律（Lambert-Beer Law）原理烟雾浓度检测 5

2.1.2 基于米氏散射原理烟雾浓度检测 5

2.1.3 方案选择 5

2.2 系统结构 6

2.3 激光驱动电路 6

2.3.1 激光器性能测试 6

2.3.2 激光驱动电路设计 7

2.4 光电二极管及前置放大器 9

2.4.1 光探测元件选材 9

2.4.2 前置放大器设计 10

2.5 次级放大器及模数转换 11

2.5.1 次级放大器设计 11

2.5.2 模数转换 11

第3章 前置放大器性能分析 12

3.1 消除前置放大器自激振荡 12

3.2 前置放大器带宽控制 16

3.3 放大电路中的干扰和噪声及其抑制措施 18

3.4 前置放大电路元件参数设计 20

3.5 热稳定性分析 21

第4章 结论 22

4.1 本系统设计总结 22

4.2 本系统改进空间 23

参考文献 24

致 谢 25

第1章 绪论

1.1 烟雾浓度检测研究的背景、目的和意义

1.1.1 烟雾浓度检测研究的背景

火灾会对人民生命财产安全和社会发展造成巨大威胁。人类因为学会了使用火而使人类文明前进了一大步，与此同时，人类也不得不学习对火的控制，总结引发火灾的原因，并做出相应措施预防火灾，尽可能避免火灾给人类带来的损失。

现在社会中，电力系统在人类基础生活设施中无处不在，人类对电力的应用增加了火灾发生的可能性；除此之外，传统的火灾事故起因也没有得到有效规避。现代社会人群居住密度大，设施铺设密度也大，一旦发生火灾，可能会造成人员伤亡和财产破坏。

火灾烟雾会对精密电子设备产生不良影响，如破坏机房电路板，使电路系统失效；破坏实验室药品制备所需要的洁净环境；破坏大气环境等。

例如，1987年5月6日到6月2日，黑龙江省大兴安岭地区森林大面积焚毁，这在新中国成立以来，是造成损失最大的一次森林火灾。人们称这次火灾为“无声的战斗”。 该次火灾不仅焚毁了中国领土内的1800万英亩（与苏格兰面积相当）面积的森林受到或大或小的损毁，还蔓延到了苏联领土内的1200万英亩森林。本次火灾发生的深层原因就是火灾防治投入不够。再如，2014年9月23日9时14分许，安徽淮北市濉溪县百善镇鲁王面粉厂区一车间内发生爆炸，导致8名工人受伤，爆炸原因是空气中面粉浓度达到爆炸浓度。

1.1.2 烟雾浓度检测研究的目的和意义

烟雾浓度是火灾控制中一个非常重要的监测参数，无论是出于预防火灾蔓延，还是避免火灾烟雾对生产生活造成不利影响，烟雾浓度检测装置在都具有非常大的使用价值，既能有效提前预报火灾可能发生，也能尽量避免火灾发生很久才被发现，烟雾浓度过高导致逃生与灭火行动。

1.2 国内外研究现状、课题研究内容和预期目标

1.2.1 国内研究现状

随着经济高速发展，各种公共场合以及易发生火灾的植被区对火灾烟雾浓度检测系统的需求量越来越大。基于光电二极管的烟雾浓度检测系统，对其精度要求也越来越高。国内已经投入生产使用的烟雾浓度检测系统仍具有一定缺点，如:（1）响应速度不快；（2）有些系统需要人工操作，不够智能化；（3）精确度、稳定性不够高。

现在国内主要有四类烟雾检测器，离子感烟式、光电感烟式、红外光束感烟式和燃气探测式^[1]。