打火機(jī)火苗檢測與其裝置優(yōu)化設(shè)計(jì)

中科院廣州電子技術(shù)有限公司 管 專 覃念芳

歐盟對打火機(jī)產(chǎn)品生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)是根據(jù)火焰的高度合格參數(shù)為主，目前，使用的檢測方法實(shí)際檢測效果不是很好，檢測精度較低、檢測速度比較慢。隨著單片機(jī)和傳感器技術(shù)的應(yīng)用，火焰的檢測技術(shù)有了很大的完善，它是利用熱傳感器針對某個(gè)方向分布的溫度進(jìn)行測試，其中使用的CCD傳感器是負(fù)責(zé)圖像采集的方法，還有燃燒成分氣體探測方法1[1-2]。這些檢測方法在工業(yè)火災(zāi)現(xiàn)場火焰檢測比較多，熱傳感器就是根據(jù)檢測的或延長分布溫度曲線，構(gòu)建數(shù)學(xué)模型，這樣分析難度比較大，而且需要處理大量的數(shù)據(jù)2[3-4]。使用傳感器CCD傳感器進(jìn)行火焰檢測，圖像算法分析比較復(fù)雜，成本較高。

在檢測打火機(jī)火焰高度時(shí)沒有較高的精度要求，但是能夠?qū)崿F(xiàn)在線檢測的目的。本文分析的三極管原理，根據(jù)光電轉(zhuǎn)換進(jìn)行火焰高度檢測，這種方法處理數(shù)據(jù)方便、使用原理簡單、成本低、速度測量快，比較適合在線檢測，很好的滿足了檢測打火機(jī)火焰高度是否合格的要求。

1 設(shè)計(jì)分析

1.1 檢測和調(diào)整打火機(jī)火苗

調(diào)整和檢測內(nèi)容包括：（1）火苗檢測判斷裝置的高度；（2）自動控制檢測裝置；（3）打火機(jī)檢測夾具；（4）拉起氣嘴檢測機(jī)構(gòu)；（5）火苗高度調(diào)整機(jī)構(gòu)。

1.2 調(diào)整和檢測打火機(jī)火苗工藝

在組裝打火機(jī)半成品時(shí)，需要先進(jìn)行打火機(jī)充氣，之后檢測和調(diào)整打火機(jī)火苗高度。相關(guān)的工藝步驟包括：拉起氣嘴→引火→火苗檢測高度→火苗高度判斷→外齒輪轉(zhuǎn)動，從而完成火苗高度調(diào)整。

2 方案設(shè)計(jì)

檢測打火機(jī)火苗高度功能設(shè)計(jì)包括：（1）火苗高度調(diào)整選擇電動機(jī)步進(jìn)驅(qū)動齒輪機(jī)構(gòu)；（2）選擇PLC控制器和單片機(jī)構(gòu)建自動控制裝置；（3）使用氣動氣缸建立氣嘴拉起結(jié)構(gòu)；（4）使用V形氣動快構(gòu)成打火機(jī)夾具；（5）選擇火電檢測裝置來判斷火苗的高度。關(guān)于檢測打火機(jī)高度檢測邏輯見圖1。

圖1 打火機(jī)火苗高度檢測邏輯

3 檢測裝置作用和動作

首先，點(diǎn)火裝置。打火機(jī)使用的資源是送料機(jī)構(gòu)提供，夾具負(fù)責(zé)夾緊；氣缸中的氣缸桿做向下運(yùn)動，從而驅(qū)動連桿運(yùn)動，觸動大齒輪做向下運(yùn)動，繼而推動氣閥和氣嘴的運(yùn)動，將氣嘴打開，之后將引火裝置點(diǎn)著。其次，火苗高度調(diào)整和檢測。在黑室有火苗光線進(jìn)入后，使用光電管導(dǎo)尋找火苗位置。在黑室中有3組平行排列，中間火苗和一組標(biāo)準(zhǔn)高度是一樣的。在光導(dǎo)管3組都是導(dǎo)通的時(shí)候，火苗高度如果過高，電動機(jī)步進(jìn)會驅(qū)動齒輪，從而牽動氣閥進(jìn)行旋轉(zhuǎn)調(diào)整，減少氣量，截止上面1組光電管。如果三組光電管都是截止，說明火苗的高度比較低，電動機(jī)步進(jìn)是反向轉(zhuǎn)動齒輪，促使氣閥進(jìn)行調(diào)節(jié)旋轉(zhuǎn)，氣量調(diào)整較大，從而促使光電管下邊2組導(dǎo)通，造成光電管上邊截止。

4 打火機(jī)火苗測量分析

4.1 測量原理

打火機(jī)內(nèi)部使用的燃燒液體包括：丁烷、丙烷混合物，使用光譜進(jìn)行燃燒火焰分析，光譜基本在900nm范圍內(nèi)集中，選擇這部分光譜光電接收管進(jìn)行分析。根據(jù)相關(guān)規(guī)律在火焰源適應(yīng)范圍中選擇多個(gè)光敏管進(jìn)行排列，通過判斷光敏管是否感光信號明確該位置有無火焰，從而得到火焰測量高度值。光敏管物理相鄰距離會影響火焰高度檢測最小分辨率。通過電路高頻數(shù)據(jù)采集光敏管輸出信號，在傳遞給微處理器，之后將處理后的數(shù)據(jù)顯示出來。見圖2.

圖2 測量原理圖

4.2 儀器結(jié)構(gòu)組成

檢測儀打火機(jī)火焰高度檢測結(jié)構(gòu)見圖3.它是由可調(diào)高度機(jī)構(gòu)、底座、電路板支架、檢測火焰罩、旋鈕、檢測火焰電路板、控制箱、液晶屏等構(gòu)成。在底座垂直位置是安裝的高度可調(diào)機(jī)構(gòu)，利用螺釘、電路板支架將火焰檢測電路板安裝在可調(diào)高度機(jī)構(gòu)上，三極管16個(gè)光敏等間距直線在檢測火焰電路板上排列，其中兩個(gè)三級管光敏相鄰的光軸中心相距d是4.5mm，輸出的火焰檢測電路板信號利用線纜傳遞給控制箱。

圖3 打火機(jī)火焰高度檢測儀的結(jié)構(gòu)

將旋鈕轉(zhuǎn)動這樣可以實(shí)現(xiàn)電路板火焰檢測隨著高度變化移動機(jī)構(gòu)，直到電路板火焰檢測在地段三極管光敏光軸和風(fēng)罩打火機(jī)對齊，點(diǎn)燃打火機(jī)按壓開關(guān)按鈕，這時(shí)利用三級光敏管進(jìn)行打火機(jī)火焰輻射光波探測，這時(shí)電平輸出會出現(xiàn)跳變情況。三級光敏管可以將輸出電平信號與微處理器多個(gè)口線I/0進(jìn)行連接，而微處理器會開啟I/0掃描功能，從而得到跳變電平的I/0口N個(gè)數(shù)，得到打火機(jī)火焰高度h：

公式中，d是三級光敏管光軸的中心距，通過微處理器，結(jié)果可以顯示在液晶屏中。

4.3 儀器精度完善

根據(jù)光敏管和火焰光源兩者的特性和相對位置，受到外界環(huán)境干擾比較大，為了提高實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)裝置檢測火焰高度的精度。本次測量方法會因?yàn)楣饷婀芪锢沓叽缍绊懛直媪?，會造成較大的實(shí)驗(yàn)誤差，精度測量不夠理想，所以，需要進(jìn)行儀器的完善。

自然光影給火焰光譜的影響。因?yàn)樽匀还夂痛蚧饳C(jī)光譜比較相似，而且光電接收光譜帶寬是固定的，很容易因?yàn)閺?qiáng)烈的自然光給正常的光敏管檢測造成影響3[5-6]。所以，這里可以采取將檢測裝置進(jìn)行隔光處理，實(shí)驗(yàn)裝置可以在暗室放置效果比較好。使用檢測火焰電路添加一個(gè)有16個(gè)直徑為1.5mm小孔的檢測火焰罩，每個(gè)孔的中心先和三極光敏管光軸是重合的，這樣可以將自然光影響消除。

氣流給火焰穩(wěn)定的影響。在實(shí)驗(yàn)測量中會因?yàn)榄h(huán)境氣流的影響，而擾動打火機(jī)火焰的穩(wěn)定情況，造成三級光敏瞬間監(jiān)測無法達(dá)到火焰輻射探測廣播，從而影響實(shí)驗(yàn)監(jiān)測的火焰高度真實(shí)性，所以為了減少氣流擾動造成的數(shù)據(jù)誤差。

這里需要對環(huán)境氣流擾動進(jìn)行改善，但是這種改善會相應(yīng)增加測量成本。比較經(jīng)濟(jì)性的解決對策就是使用相關(guān)儀器制造一個(gè)比較封閉的空間，并考慮到自然光隔離問題，可以將儀器放在一個(gè)較為封閉不透光的罩內(nèi)。

打火機(jī)火焰源的不穩(wěn)定。打火機(jī)屬于低成本的產(chǎn)品，它是通過碰撞的壓電陶瓷引起電荷點(diǎn)火產(chǎn)生火焰，點(diǎn)火裝置比較簡單。關(guān)于檢測點(diǎn)著10s中的打火機(jī)火焰高度檢測，在點(diǎn)著打火機(jī)火焰高度的瞬間是比正常要高，而且也會出現(xiàn)閃爍情況。對于不穩(wěn)定的火焰源來說，一般選擇20K樣本頻率數(shù)據(jù)系統(tǒng)采集光敏管信號，光敏管相應(yīng)的時(shí)間存在不穩(wěn)定性。后期需要將粗大誤差通過相關(guān)軟件進(jìn)行排除，來減少閃爍現(xiàn)象造成的誤差，從而保證檢測火焰的高度數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

4.4 檢測零位和打火機(jī)出口誤差

機(jī)械裝置零位和打火機(jī)出火口瞄準(zhǔn)是以相同水平安裝為標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行目測結(jié)果判斷，這樣會存在一定的誤差，但是因?yàn)闄z測的打火機(jī)火焰高度誤差不是很大可以忽略不計(jì)。

4.5 光敏管接收光強(qiáng)度的影響因素

在使用光敏管時(shí)，不僅會受到接收光譜范圍的影響，還會因?yàn)槲锢沓叽绠a(chǎn)生影響。就是光通量接收理論的大小。光通量接收影響因素包含：光源強(qiáng)度的分布，光敏管和光焰對應(yīng)的為孩子，以及火焰罩直徑開孔的大小。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)在直徑火焰罩開孔是1.5mm情況下，可以得到高于火焰正常10mm的結(jié)果。還有想要保證檢測結(jié)果的有效性，需要設(shè)置光敏管距離是2～3cm，這個(gè)距離檢測可以減少相鄰光敏管信號接收的數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性。

5 結(jié)語

針對檢測打火機(jī)火焰高度中的影響因素進(jìn)行方法改進(jìn)，同時(shí)也分析了檢測結(jié)構(gòu)。將環(huán)境因素干擾排除后，這種檢測方法具有操作比較簡單、成本低廉、性能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單等優(yōu)勢，檢測結(jié)果有效性高，可以為打火機(jī)檢測火焰高度提供新的參考意見。