高精度高可靠寬光譜火焰探測器設(shè)計*

李 強, 張立軍, 王冠鷹, 宋文剛, 吳秀龍, 黎 軒

(1.中國科學(xué)院微電子研究所,北京 100029；2.安徽大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

火災(zāi)探測器是火災(zāi)自動報警和滅火抑爆系統(tǒng)中最基本和最重要的器件。現(xiàn)有的火災(zāi)探測器主要有感煙火災(zāi)探測器[1～3]、感溫火災(zāi)探測器[4]以及火焰圖像探測器。以上這些火災(zāi)探測器都無法滿足抑爆系統(tǒng)對火災(zāi)高精度探測的需求,不能在爆炸誘導(dǎo)期內(nèi)對火焰進(jìn)行快速有效的抑制。無法解決礦井、油田、石化企業(yè)以及易燃易爆儲存場所面臨的火災(zāi)防范及快速抑爆問題[5]。感光型火災(zāi)探測器是利用火焰的光特性,通常響應(yīng)時間十分迅速,可以快速感知外界光的變化,實現(xiàn)滅火抑爆的需求[6]。但是由于太陽光、雷電、電磁脈沖等條件干擾,現(xiàn)有的感光型火災(zāi)探測器經(jīng)常會出現(xiàn)誤報警現(xiàn)象。

本文提出了基于紫外光敏管、雙紅外光敏管的三探頭設(shè)計。經(jīng)過實際的性能測試,探測器的響應(yīng)時間、防誤報、探測視角等主要性能都達(dá)到領(lǐng)先水平。

1 火焰探測原理

物質(zhì)在燃燒時,在產(chǎn)生煙霧和放出熱量的同時,也產(chǎn)生可見或不可見的光輻射?；鹧娴妮椛涫蔷哂须x散光譜的氣體輻射和伴有連續(xù)光譜的固體輻射,其波長在0.1～10 μm或更寬的范圍[7,8]。燃燒生成的熾熱氣體和固體均產(chǎn)生較大電磁波輻射,烴類化合物燃燒生成大量的CO2和水蒸氣,此兩種氣體對火焰的輻射光譜產(chǎn)生重大影響。CO2氣體的紅外輻射光譜有三個重要的條狀光帶：2.65～2.8 μm；4.15～4.45 μm；13～17 μm[9,10]。水蒸汽的紅外光譜也有三個重要的條狀光帶：2.55～2.84 μm；5.6～7.6 μm；12～20 μm[9,10]。

不同物質(zhì)燃燒的火焰溫度不同,燃燒產(chǎn)物的成分差異也較大,火焰光譜也各不相同。對酒精、正庚烷、汽油3種材料的火焰光譜分布曲線進(jìn)行對比分析可以發(fā)現(xiàn)[11],由于CO2輻射光帶的影響,這3條曲線在中心波長為4.35 μm和2.7 μm附近出現(xiàn)重疊波峰,其中4.35 μm處尤為明顯。已知到達(dá)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]。

系統(tǒng)采用寬光譜三波段火焰探測,包括兩個紅外波段(2.7,4.35 μm)和一個紫外波段(185～260 nm),探測靈敏度高,響應(yīng)時間快,防誤報性能好。系統(tǒng)微處理器選擇STM32F405RGT6,ARM芯片采用M4內(nèi)核,主頻可達(dá)到168 MHz,內(nèi)部有1 MB Flash,196 KB SRAM和12位A/D轉(zhuǎn)換器,能夠提供浮點單元(floating-point unit,FPU)和數(shù)字信號處理(digital signal processing,DSP),其強大的數(shù)據(jù)處理和運算能力,能夠快速處理采集到的火焰信息,容易實現(xiàn)高性能的火焰識別算法。系統(tǒng)的電路框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)整體框架示意

2 火焰探測器硬件與軟件設(shè)計

2.1 紫外檢測模塊電路設(shè)計

紫外光敏管是一個封閉且能透過紫外線的玻璃管,管內(nèi)充滿氣體。玻璃管內(nèi)部有一對由金屬引線引出的電極—陽極和光電陰極,其中光電陰極由只對紫外線敏感的金屬材料制成,在紫外線照射下發(fā)射光電子。

紫外采集模塊原理如圖2(a)所示,UVTRON 為紫外光敏器件。紫外光敏管的工作電壓在250 V左右,系統(tǒng)利用單片機(jī)產(chǎn)生兩個脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)信號,用來控制變壓器產(chǎn)生交流(alternating current,AC)高壓,利用單相整流橋?qū)⒔涣麟妷恨D(zhuǎn)換為250～300 V的直流電,當(dāng)偏置電壓達(dá)到一定值(250 V),紫外光敏管即開始有放電導(dǎo)通現(xiàn)象,輸出一定頻率的指數(shù)脈沖信號。當(dāng)紫外光照射到紫外光敏管陰極時,C1在電路中會重復(fù)進(jìn)行充放電過程,從而產(chǎn)生尖峰脈沖。紫外線越強,輸出脈沖頻率越高,如圖2(b)所示。為了便于單片機(jī)采樣判斷,采用齊納二極管D1,將脈沖電壓穩(wěn)定在3.6 V以下,通過脈沖整形電路將紫外光敏管產(chǎn)生的指數(shù)脈沖信號整形為方波信號,然后通過引腳Y_OUT接入單片機(jī)。單片機(jī)通過計數(shù)一定時間內(nèi)方波個數(shù),來判斷有無紫外線及紫外線強度。

圖2 紫外采集模塊及輸出脈沖示意

紫外線傳感器只對185～260 nm狹窄范圍內(nèi)的光線敏感,而對其他范圍的光線不敏感,可以對火焰中的紫外線進(jìn)行檢測。到達(dá)地面的日光以及非透紫材料作為玻殼的電光源發(fā)出的紫外光波長均大于300 nm,火焰探測波段屬于太陽光譜盲區(qū),使系統(tǒng)避開了自然光源的復(fù)雜背景,可靠性較高。

2.2 紅外檢測模塊電路設(shè)計

紅外光敏管是基于自發(fā)極化和電介質(zhì)的熱釋電效應(yīng)原理制成的。紅外光敏管包括了2.7,4.35 μm兩個不同的譜段,兩個譜段的紅外輻射火警邏輯判斷為或的關(guān)系,適用多類型燃燒物。兩個管子原理相同,其中一個譜段原理圖如圖3所示。

圖3 紅外采集模塊示意

紅外檢測模塊包括紅外光敏電阻分壓電路、射極跟隨器、有源低通濾波器和參考電平調(diào)整電路四部分組成。紅外光敏管U2實質(zhì)上是一種三端口紅外光敏電阻,在紅外光的照射下,管子內(nèi)阻變小,并隨著火焰的抖動,內(nèi)阻也發(fā)生波動。將紅外光敏管U2與電阻R11分壓串聯(lián),可獲得紅外輻射條件下的電壓變化。

射極跟隨器的輸入阻抗高,輸出阻抗低,從信號源取得的電流小而且驅(qū)動能力強,因此，用于此濾波放大電路的輸入級和輸出級,減少電路間直接相連所帶來的影響,起到了緩沖作用。有源低通濾波器由集成運放和RC網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成,它體積小、性能比較穩(wěn)定,由于集成運放的增益和輸入阻抗都很高,輸出阻抗很低,因此,有源低通濾波器還具備放大與緩沖作用。放大后的信號最后通過電阻R6,R9進(jìn)行參考電平的調(diào)整,將最終輸入到微處理器的信號ADC1的電平進(jìn)行微調(diào)。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

首先判斷紫外信號強度,如果此時紫外脈沖強度非常強并且符合一定時域特征,則判定為預(yù)火警信號,如果未達(dá)到設(shè)定閾值但紫外信號有波動,則進(jìn)行下一步判定,如果此時紅外信號也已檢測到變化,同樣輸出預(yù)火警信號。然后進(jìn)行預(yù)火警信號的甄選排除,對非火焰信號引起的誤報警實施排它處理。最后,經(jīng)過處理的報警信號輸出到顯示端和邏輯控制端。具體的程序流程圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)程序流程示意

紅外代表了4.35 μm紅外光敏管信號和2.7 μm的紅外光敏管信號,紅外判斷為電壓信號。紫外信號代表紫外光敏管信號,為脈沖計數(shù)。正常情況下,紅外為一個較高值,紫外不應(yīng)有信號輸出。當(dāng)火焰發(fā)生,兩個波段紅外出現(xiàn)不同程度的下降,紫外出現(xiàn)計數(shù)。其中a,b,c,A均為設(shè)定值,分別代表了紫外信號下限,紅外信號變化下限,信號持續(xù)時間下限和強紫外信號閾值。對于單紫外觸發(fā)報警邏輯設(shè)置了較為嚴(yán)苛的條件,一組可參考量分別為：10個,10 %,3 ms,20個。

系統(tǒng)在取得符合報警邏輯的信號之后,并不立即進(jìn)行輸出,而要進(jìn)行誤報邏輯排除,只有當(dāng)信號形狀能夠經(jīng)過排除篩選,才最終輸出報警信號。

3 火焰探測器性能測試與結(jié)果分析

3.1 探測器實物圖及現(xiàn)場測試環(huán)境

高精度高可靠的火焰探測器實物圖,以及現(xiàn)場性能測試圖,如圖5所示。采用標(biāo)準(zhǔn)的測試環(huán)境,對火焰探測器響應(yīng)時間、防誤報性能、防漏報性能、探測視角范圍、溫度適應(yīng)性、振動沖擊適應(yīng)等多項指標(biāo)進(jìn)行了全面的測試。其中響應(yīng)時間和防誤報測試是表征火焰探測器的最核心的特征指標(biāo)。

圖5 火焰探測器實物、誤報項及響應(yīng)時間測試

3.2 響應(yīng)時間及探測距離

火焰探測器的響應(yīng)時間測試采用電子快門測試臺系統(tǒng),火源為標(biāo)準(zhǔn)火,符合GJB1734A規(guī)范,火源與探測器之間有電子快門系統(tǒng)。計時起點與快門開啟時刻同步,計時終點為探測器信號端輸出報警信號,最終兩個信號的時間差自動讀取。試驗結(jié)果如表1所示,火焰探測器具有較高精度,對0.4 m的標(biāo)準(zhǔn)火可以實現(xiàn)2 ms之內(nèi)的響應(yīng),達(dá)到領(lǐng)先水平。

表1 平均響應(yīng)時間測試結(jié)果

3.3 防誤報性能及其他性能

火焰探測器置于暗室環(huán)境中,依次使用表2中干擾項進(jìn)行測試,觀察是否輸出報警信號。測試結(jié)果表明,火焰探測器具備很好的防誤報性能,能夠排除日光、人工光源、環(huán)境、熱輻射、電磁輻射等非火焰輻射的干擾。

表2 防誤報測試結(jié)果

隨機(jī)選取探測器,分別放置在-43，55 ℃環(huán)境中保溫2 h,再進(jìn)行響應(yīng)時間測試,方法與常溫相同。經(jīng)過測試,平均時間分別為1.071 4,1.053 4 ms。將探測器安放在測試臺架上,點燃標(biāo)準(zhǔn)火,調(diào)整探測器視角,記錄信號輸出情況,測量得到探測器最大探測視角為±55°。經(jīng)過振動、沖擊試驗,火焰探測器符合GJB150.18A—2009和GJB150.16—1986規(guī)范。

4 結(jié) 論

采用基于單紫外、雙紅外的三探頭設(shè)計的火焰探測器,可實現(xiàn)高精度的火焰探測,同時具備高可靠性,能夠防范誤報警,無漏報警,解決了多種行業(yè)和場所對于滅火抑爆的需求。發(fā)展了火警控制軟件的報警輸出邏輯,采取強紫外報警,紫外紅外報警的核心邏輯,并根據(jù)誤報信號特征,實施了產(chǎn)生預(yù)報警然后進(jìn)行排除的處理流程。