基于紫紅外傳感器的火焰探測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李文斌，張 卓，范賜恩，陳 迎，吳敏淵

(1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢 430070；2.上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201100)

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基于紫紅外傳感器的火焰探測系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

李文斌1，張 卓2，范賜恩1，陳 迎1，吳敏淵1

(1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢 430070；2.上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201100)

針對傳統(tǒng)的感煙、感溫、感光型火焰探測器的誤報率高，響應(yīng)時間長的特點，研制了一種聯(lián)合使用紫外和紅外傳感器的火焰探測系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用紫外傳感器探測火焰輻射出的處在日盲區(qū)波段的紫外光譜，同時使用紅外傳感器探測火焰輻射出的4.4 μm波段的紅外光譜，并結(jié)合快速傅里葉變換(FFT)提取火焰閃爍頻率的方法來識別火焰。實驗表明，該方法有效地降低系統(tǒng)誤報率和漏報率，響應(yīng)時間小于1 s，探測距離達到5 m，對于糧倉、易燃物品存放地的消防應(yīng)用有著重要的意義。

紫外傳感器；紅外傳感器；火焰探測；快速傅里葉變換；閃爍頻率；消防應(yīng)用

0 引言

糧倉、易燃物品存放地等場所往往易于發(fā)生火災(zāi)，嚴重危害人們的生命和財產(chǎn)安全，所以對該類場所的安防工作極其重要。傳統(tǒng)火災(zāi)探測器主要是感煙、感溫、感光型探測器[1-2]。感煙、感溫型探測器雖然漏報率很低，但是易受環(huán)境濕氣、溫度等因素的影響。感光型主要有兩種：紫外探測器和紅外探測器。傳統(tǒng)的感光性火焰探測器有單紫外，單紅外，雙紅外和三紅外探測器。紫外探測器響應(yīng)快速，對人和高溫物體不敏感，但有本底噪聲存在，且易受雷電、電弧等影響，紅外探測器易受高溫物體、人、日光等影響[3]，所以單紫外，單紅外探測易發(fā)生誤報現(xiàn)象。雙波段紅外和三波段紅外探測器響應(yīng)時間長，背景復(fù)雜情況下難以區(qū)分火焰和背景，誤報率較高。紫紅外探測器結(jié)合了紫外傳感器和紅外傳感器優(yōu)勢，互補不足，可以快速識別火焰，并且準(zhǔn)確率高。

目前已存在的紫紅外火焰探測器，其主要應(yīng)用在石油，煤礦等防爆場所，這類型的產(chǎn)品對響應(yīng)速度要求極高[4]，處在惡劣的環(huán)境下使得誤報現(xiàn)象嚴重，而且對其外圍包裝有很高的防爆要求，成本高，不適用于民用場所。倉庫環(huán)境相對較好，響應(yīng)時間要求較低，對探測器的外圍包裝無較高的防爆要求。鑒于此設(shè)計的紫紅外火焰探測器可快速探測到火焰信息，并有一定時間對其信號做算法處理，在快速響應(yīng)的同時提高了準(zhǔn)確率，適合于物質(zhì)倉庫的防火應(yīng)用。

1 系統(tǒng)原理

通常，物質(zhì)燃燒會輻射紫外光、可見光、紅外光等光譜[5]?；鹧婀庾V輻射圖如圖1所示，在火焰所發(fā)出的紅外光譜內(nèi),4.4 μm波段處輻射強度最大[6]，而到達地面的太陽光發(fā)出的紫外光波長大于290 nm，且非透紫材料作為玻殼的電光源發(fā)出的紫外波長也大于290 nm，故對物質(zhì)燃燒輻射出的290 nm以下的紫外波段探測能消除太陽光、日光燈、高溫物體等強烈干擾源的影響[7]。此外，火焰的閃爍頻率通常在5～25 Hz內(nèi)，主要集中在7～12 Hz，并且閃爍頻率不隨火焰與傳感器的距離改變[8]。

圖1 火焰輻射光譜圖

系統(tǒng)選用了探測4.4 μm紅外波段的碳酸鋰紅外傳感器和探測160～260 nm紫外波段的紫外光電管，為了增加探測距離，系統(tǒng)在紅外傳感器上增加了菲涅爾透鏡[9]。系統(tǒng)微處理器選擇STM32F103VET6，這款A(yù)RM芯片相對DSP來說成本較低，主頻可達到72 MHz，內(nèi)部有512 kB Flash,和64 kB SRAM，內(nèi)含21通道的12位AD轉(zhuǎn)換器，其強大的數(shù)據(jù)處理能力，能快速處理火災(zāi)信息，容易實現(xiàn)FFT等高性能識別算法[10]。系統(tǒng)電路如圖2所示，主要由紫外光探測電路、紅外光探測電路、紅外放大電路、STM32微處理器的信號處理電路以及報警電路組成。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計框圖

2 硬件電路設(shè)計

2.1 紫外傳感與信號處理

紫外光電管是利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的所謂外光電效應(yīng)而制成的光電器件。陰極涂有光電發(fā)射材料，當(dāng)特定波段內(nèi)的紫外光照射到陰極上時就會有電子逸出，陽極可收集逸出的電子，在外電場的作用下形成電流[11]。其應(yīng)用電路圖如圖3所示，當(dāng)紫外光存在時，C1在電路中會重復(fù)進行充放電過程，從而產(chǎn)生尖峰脈沖。為了便于檢測，系統(tǒng)對尖峰脈沖通過比較電路對其整形，然后送入處理器中，其中R3=R4，設(shè)定比較電壓為1.65 V，電路將脈沖信號送入處理器中進行計數(shù)。

圖4中顯示了輸出脈沖個數(shù)與紫外線強弱的關(guān)系，當(dāng)紫外光飽和時脈沖數(shù)目很多且密，當(dāng)紫外光變?nèi)鯐r，脈沖數(shù)減少且變稀，而當(dāng)無紫外光時，紫外光電管也會存在一定的本底噪聲，但脈沖數(shù)相當(dāng)稀少，而且脈沖間間隔時間相對很長[12]。系統(tǒng)選用的GD-2J型紫外光電管典型靈敏度在1 000～2 000 cps，反應(yīng)時間<50 ms。

圖3 紫外光電管應(yīng)用電路圖

圖4 紫外光強弱與輸出脈沖的關(guān)系

2.2 紅外放大電路設(shè)計

在紅外光譜探測中，碳酸鋰紅外傳感器的輸出信號為模擬量，且較為微弱[13]，需要設(shè)計適宜的前置放大電路。系統(tǒng)放大電路如圖5所示。該放大電路是用兩級放大，放大時加入2.5 V直流偏置，為了使直流信號不被放大，使用C1，C2，C4，C5進行隔直，放大倍數(shù)都各為51倍，總放大增益為68 dB。由于處理器是3.3 V供電，所以放大后的信號經(jīng)過R8，R9分壓后送入處理器。

圖5 紅外探測前置放大電路

2.3 報警電路設(shè)計

報警電路由指示燈和揚聲器組成，當(dāng)判別到有火焰時，指示燈閃爍，且揚聲器發(fā)出報警信號，電路如圖6所示。

圖6 報警電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)算法依據(jù)

紫外光電管靈敏度很高，響應(yīng)快速，探測160～260 nm波段的紫外光可消除太陽光，高溫物體，人，日光燈等影響。然而紫外光電管的靈敏度越高，噪聲也將越高，從圖4可以看出無紫外光時它也存在著脈沖輸出，即本底噪聲，為了消除紫外光電管的本底噪聲干擾，系統(tǒng)加入了對火焰紅外光譜的探測。利用紫外光電管可消除紅外探測中許多干擾，紅外光譜的探測則可消除紫外光電管的本地噪聲的影響。

圖7顯示了打火機的火焰、電烙鐵晃動和日光燈的FFT變換頻譜圖，從圖中可以看出火焰的閃爍頻率滿足在5～25 Hz內(nèi)。日光燈的頻率則比較單一，通常是 50 Hz或100 Hz.高溫物體大部分保持恒溫，或變化的頻率很低，如電烙鐵則需人為晃動，其頻率由晃動頻率決定，可能造成紅外的誤判，由于紫外對其不敏感，實際效果中，高溫物體并不會引起誤報。因而保留火焰的閃爍頻率信號，可防止紫外噪聲存在的同時也有紅外干擾源存在的這種情況發(fā)生，降低了誤報率。

(a)打火機FFT頻譜

(b)電烙鐵FFT頻譜

(c)日光燈FFT頻譜圖7 典型火焰頻譜與干擾源頻譜對照

3.2 系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示，系統(tǒng)首先判斷是否有紫外光存在，然后再對紅外信號進行處理，提取頻率信號，若有紫外和紅外存在，且提取的頻率信息滿足要求，則可認為火焰存在，發(fā)出報警信號。

為防止火焰的突變造成紅外信號頻率的誤判，等到紫外脈沖后需延時5 ms。A/D采樣頻率設(shè)為1 250 Hz。數(shù)字濾波器為基于布萊克曼窗的高階FIR低通濾波，截止頻率45 Hz。為提取火焰的閃爍頻率，信號經(jīng)過FFT變換處理，F(xiàn)FT頻率分辨率為2.44 Hz，從FFT結(jié)果中篩選出幅度最高的點對應(yīng)的頻率是否滿足在5～25 Hz內(nèi)作為判別依據(jù)。由于火焰閃爍頻率較低，電路干擾、濾波器的不理想可能使得噪聲頻率混入其中，給頻率的判斷帶來影響，所以在FFT之前設(shè)定了電壓閾值50 mV。最終火焰判別依據(jù)如下：出現(xiàn)了2個或以上紫外脈沖且A/D結(jié)果中有電壓值超過0.5 V；在520 ms內(nèi)有紫外脈沖，濾波后的紅外信號電壓值有超過50 mV，且紅外信號頻率在5～25 Hz內(nèi)。這兩者的前提是紫外脈沖和紅外信號出現(xiàn)的間隔時間不超過總采樣所用的時間，即520 ms左右，有上述兩種情況之一，則認為有火焰。

圖8 軟件流程圖

4 實驗內(nèi)容與結(jié)果分析

測試紫紅外火焰探測系統(tǒng)的抗誤報性能，實驗利用白熾燈、手電筒、手機閃光照相、陽光直射和反射、日光燈、電烙鐵、人為走動等干擾源對系統(tǒng)測試，都無報警。表1顯示了紫紅外探測系統(tǒng)和單紫外、單紅外探測系統(tǒng)的對比實驗數(shù)據(jù)。實驗結(jié)果表明系統(tǒng)抗誤報能力強。為測試系統(tǒng)的抗漏報性能，實驗使用打火機在0.5 m、2 m、5 m處分別對系統(tǒng)點火100次。實驗數(shù)據(jù)如表2所示，紫紅外火焰探測系統(tǒng)漏報率最大不超過2%。同時利用高速相機對系統(tǒng)響應(yīng)時間測量，系統(tǒng)最快響應(yīng)時間<550 ms，最長響應(yīng)時間<1 s。

表1 系統(tǒng)誤報實驗比較

注：總次數(shù)10次

表2 火焰距離對漏報率的影響

5 結(jié)論

紫紅外火焰探測系統(tǒng)通過探測火焰所發(fā)出的特定波段的紫外和紅外光譜信息，并且提取火焰閃爍頻率的方法，克服了傳統(tǒng)型火焰探測器誤報率高的特點，縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時間，同時保證了火焰識別的準(zhǔn)確率。系統(tǒng)成本適中，安裝時盡量避免陽光直射，適用于糧倉，易燃物品存放地等需要檢測火焰的場所，對消防安全有著積極的意義。

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Design and Implementation of Flame Detection SystemBased on Ultraviolet Sensor and Infrared Sensor

LI Wen-bin1，ZHANG Zhuo2，F(xiàn)AN Ci-en1，CHEN Ying1，WU Min-yuan1

( 1.School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430070,China;2.Shanghai Institute of Aerospace Electronic Communications Equipment,Shanghai 201100,China)

Aiming at the defects that the traditional smoke sensor,heat sensor and photosensitive sensor are both of high false alarm rates and with long response time,this paper designed a flame detection system combined with ultraviolet and infrared sensors.The system used ultraviolet sensor to detect band-blind ultraviolet spectrum,and it utilized infrared sensor to detect infrared spectrum of 4.4 μm wavelength radiated from the flame and extracted the flame flicker frequency with Fast Fourier transform (FFT) to identify the flame.Experiments show that this method can effectively reduce the false alarm rate and non-response rate of the system.Response time of the system is less than one second,and its detection range can be up to 5 meters.Therefore,this system is of great important for the fire protection application such as granary and flammable storage places.

ultraviolet sensor;infrared sensor;flame detection;fast Fourier transform;flicker frequency;fire protection application

2014-03-17 收修改稿日期：2014-10-11

TP277

A

1002-1841(2015)03-0056-04

李文斌(1990—)，碩士，主要研究方向為電路與系統(tǒng)。 E-mail:2012202120093@whu.edu.cn 張卓(1980—)，工程師，主要從事測試與控制方向的研究。 E-mail:mark_zhangzhuo@163.com