垂直燃烧性能自动检测系统

周 磊 ，赵黎华 ，李 翔 ，杨 华

（1.天津出入境检验检疫局，天津 300457；2.天津市检验检疫科学技术研究院，天津 300457；3.天津科技大学 材料科学与化学工程学院，天津 300457）

当前，轻工和纺织制品这些与人类日常生活密切接触的消费品，它的阻燃安全性已引起国内外广大民众的高度关注，各国政府也先后提出多项阻燃性能的法规标准。但因其所涉及的项目众多，而且阻燃检测的标准需模拟燃烧来验证，故在计算中就引入了人工意识的影响因素，加之多种检测模拟条件的差异性和待测样品数量的“爆炸式”增长，都对阻燃检测的智能化、快速化提出了前所未有的要求。为达到自动检测纤维、织物、塑料消费品等阻燃性能的目的，开发了一套燃烧性能自动检测系统，将传统的垂直燃烧仪进行智能化改造，增加传感器和终点判定的信号探头，最终实现了对燃烧时间、燃烧距离、燃烧种类等智能化、自动化检测，在代替人工操作的同时，提高了效率也消除了人工误差。

1 系统的构成及功能

系统由燃烧仪、前端传感器、下位机、工业级相机、上位机5部分组成。其中，燃烧仪符合阻燃性能的测定[2]，续燃阴燃的时间可以任意设定，在上位机发送开始燃烧信号的同时按下自动点火按钮实现对被测材料的燃烧。前端传感器包括红外温度传感器，CO、Cl2气体电化学传感器。下位机处理系统包括STM8S系列单片机以及外围信号处理电路。工业相机采用高速CCD数字相机。上位机操作系统软件开发平台为VC++6.0。

本检测系统采用上下位机配合并对目标燃烧物进行测定。下位机通过气体传感器对燃烧中产生的CO和Cl2的浓度进行采集以及通过红外温度传感器对目标温度进行采集，通过RS232信息传输系统，将气体浓度、燃烧性质、燃烧时间在上位机上实现实时化、图形化、自动化的呈现。同时系统还具有“温度学习能力”，即对于同一种类的待测物体，可以只进行一次燃烧，上位机软件就可以实时记录此次的温度范围。用户可以据此温度设置测试物的温度，以判断燃烧的性质。上位机软件中有实时视频，可以看到物质的燃烧状态。它还会对工业相机采集到的燃烧图像进行图像处理，从而达到对燃烧距离的判定。检测系统示意图如图1所示。

图1 垂直燃烧自动检测系统示意图Fig.1 Sketch of vertical combustion automatic detection system

2 检测系统的实现

检测系统主要由传感器和相机，下位机控制系统，上位机控制系统等部分组成，图2中传感器模块与下位机开发板的接插件直接连接MCU的ADC模块，经过MCU采集与处理后，通过下位机开发板上的RS232接口与上位机连接并进行通信。工业相机与上位机通过USB线相连接，可以将图像数据传输到上位机软件进行图像处理。

图2 模块连接示意图Fig.2 Module connection diagram

2.1 传感器和相机

2.1.1 工业相机与镜头

采用的是工业级相机，分辨率为2048×1536，成像效果比CMOS更加逼真和细腻。镜头采用变焦工业镜头，可手动调节光圈和焦距，镜头成像效果好，图像清晰，满足系统的研究。相机的观测距离和焦距满足的公式是1 mm=7像素尺寸，所以测量精度3.45μm/像素×7像素=24.15μm完全满足测量精度1mm的要求。相机采用USB2.0接口，传输速度达到480 Mb/s。

2.1.2 传感器

（1）TN901 红外测温模块

红外测温模块[1]解决了传统测温中需要接触的弊端。该模块回应速度快，测量精度高，测量范围广并且可以同时测量环境温度和目标温度。配合凌阳的SPCE061A模块即可成为一个测量距离达30 m的非接触式温度测量计。模块具备SPI接口，方便与MCU连接。其工作电压3 V～5 V，反应时间是1 s。测量范围是（-33～220）℃，满足对燃烧物品阴燃和续燃时温度的判断。因为红外温度传感器通过红外线感知物体温度，所以传感器的摆放、角度和距离等因素都会对它的测量有影响。

（2）CO 和 CL2电化学传感器

系统采用CO和Cl2电化学传感器[5]，它的每一个电极都有特殊的用途。对于三电极传感器，其电势是感应电极、参考电极和对电极电势之和。电化学传感器在推荐的工作气体浓度范围内输出信号与气体浓度成线性关系，可以用公式：输出信号（μA）=灵敏度 μA/（mg·L-1）×气体浓度（mg·L-1）。 系统采用的是无偏压电化学传感器。根据分辨率的不同其中CO传感器能分辨出最少1（mg·L-1）的CO气体，Cl2传感器能分辨出最少 0.1（mg·L-1）的 Cl2气体，优于系统要求的灵敏度 10（mg·L-1）。

2.2 下位机系统

下位机采用ST公司推出的高性能8位MCU即STM8S系列单片机，通过信号调理后将模拟电信号进行A/D转换实现对CO和Cl2浓度的采集[6]。处理速度高达 16 MHz，气体采集的精度可达 10（mg·L-1）。采用红外温度传感器对目标温度进行采集，并通过目标温度来对燃烧性质进行判断，解决材料燃烧时间和损毁距离的自动化检测。通过RS232串口将气体浓度和燃烧的性质以及燃烧的时间发送到上位机。上位机接收到下位机上传的数据并进行判断和实时显示。

2.2.1 下位机软件及流程

下位机采用的软件平台为Keil uVision4，最新集成开发环境RealView MDK，其编译器、调试工具实现了与ARM器件的最完美匹配，采用C语言对系统进行开发。

图3为软件流程，下位机上电进入“等待”，等上位机通过发送“开始”命令。开始之后，下位机通过传感器获取实时温度和待测气体的浓度，防止气体的浓度突变，取4次平均值，并保存了气体浓度的最大值。依据实时温度的变化率来判断燃烧的性质。出现“熄灭”、“阴燃”或“续燃”后将结果通过RS232发送到上位机。上位机收到结果后，计算燃烧时间和燃烧距离。

2.2.2 功能实现

下位机可以精确地反映燃烧物质在燃烧过程中产生的有害气体浓度的变化过程。MCU将采集的数据通道RS232串口传输给上位机软件，并通过温度传感器使用GPIO模拟SPI从模式读取温度值，实时采集燃烧目标的温度，并通过一定的算法处理判断燃烧的结果。具体判断方法为：（1）续燃：测量温度大于62℃或者温度快速升高的次数多于2次（大于3℃定义为快速升高）即温度快速升高了6℃，即判断为续燃。（2）阴燃：测量温度在32℃～62℃之间并且温度缓慢上升的次数多于5次（0℃～2℃定义为缓慢升高），即判断为阴燃。（3）熄灭：温度低于32℃即为熄灭，温度比设定的熄灭温度低则判定为熄灭。最终将燃烧结果传到上位机显示。

图3 下位机软件流程Fig.3 Flow chart of lower computer

2.3 上位机系统

上位机的主要功能是通过串口通讯对接收到的下位机处理过的气体浓度、燃烧类别等数据在上位机对应界面进行实时的显示。对相机触发后采集的燃烧图像进行图像处理，能够自动和手动测量燃烧的距离。

2.3.1 上位机系统软件及流程

上位机系统采用的软件平台为VC++6.0，开发语言为C++，流程图如图4所示，开始命令发出后，程序向串口发出开始燃烧信号。当燃烧结束时有效数据将会被写入到文档。之后图像将会被存储和显示。存储图像之后显示测量距离的最终结果。

对照保存的图像进行手动测量需要打开手动测量距离的程序，选中要测量的距离，进行显示结果和结果写入文档。

2.3.2 功能实现

上位机实时显示界面如图5所示，点击图中菜单栏的“PLAY”可观测到物体燃烧的整个过程。

主界面的右侧可观察到数据显示与更新。点击“开始燃烧”按钮，同时按下燃烧仪的点火按钮进行点火。上位机通过USART通知采集系统开始采集，此时操作界面能够实时显示CO和Cl2的实时浓度，精度达到了0.1（mg·L-1）。同时，采集系统通过红外温度传感器采集目标物体的实时温度，通过经验值和一定的算法，来判断物体燃烧性质，并能够在“燃烧类别”中实时更新[1]。等待红外温度传感器判断燃烧结束后，最终的燃烧类别都是熄灭，此时一次测量结束。系统将自动计算燃烧总时长、CO和Cl2的最大浓度值，以及自动测量燃烧的距离值。所谓自动测量燃烧的距离就是将工业相机摄取的模拟图像信号进行采样并存储在寄存器中，计算机会通过像素分布和亮度、颜色等信息将模拟信号转换成数字信号，图像系统会对这些信号进行二值化处理和轮廓跟踪处理。通过将待测物燃烧之前和燃烧之后的图像轮廓及像素进行对比，从而确定燃烧的距离值[4]。而手动测量燃烧的距离则是当燃烧结束后根据保存的符合测量要求的图像，手动选取测量的区域[3]。

图4 上位机软件流程Fig.4 Flow chart of PC software

图5 实时显示界面Fig.5 Interface of real-time display

3 实验结果

实验通过对海绵燃烧的检测达到对燃烧性能自动检测系统的验证测试，燃烧试验开始后，系统自动记录燃烧时间以及在燃烧时产生CO和Cl2的浓度，在海绵燃烧终止时，对燃烧的性能进行判定。图6为某次燃烧效果的展示，并对燃烧的距离进行手动测量。圆圈内的区域即为手动测量的范围，通过像素的对比转换得到燃烧距离。

图6 手动测量距离Fig.6 Manual measuring distance

表1为选取的4组海绵燃烧之后界面数据的记录对比。图7为燃烧目标温度和温度变化率。

表1 海绵燃烧实验结果对比表Tab.1 Experimental results comparison table of sponge combustion

图7 实验结果Fig.7 Experimental result

通过海绵的燃烧试验，得到海绵燃烧中Cl2的浓度几乎为0，CO的含量较多，采集的气体灵敏度能够达到10（mg·L-1），通过燃烧的目标温度值的范围和目标温度值的变化率可以判断出海绵燃烧性质为续燃，每次实验的燃烧距离在60 mm左右，每次燃烧的响应时间在 0.1 s，燃烧时间在（0.3～0.4）s之间。

4 结语

本检测系统可以实现对受测材料燃烧终点的判定，能够识别出有火苗和无火苗的燃烧；利用图像采集过程中的自带标尺测量，实现对被测材料起始至燃烧终点距离的自动化测量。集成传感器，实现对燃烧试验箱内烟雾中CO和Cl2含量的测定。本文在模拟燃烧过程中，对化学分解衍生物能够做出准确的初筛，为产品的风险评估做出科学判定，能够科学、有效地对下一步阻燃性能检测指标的选取提供技术依据。

[1] 李文伟，牛芳芳，颜秋男，等.基于红外传感器的卷烟纸阴燃速率测量仪设计[J].中国造纸，2013，32（3）：46-48.

[2] 梁奎.浅谈塑料制品水平（垂直）燃烧测试法[J].消防技术与产品信息，2013（5）：52-53，26.

[3] 佘星星.基于图像处理的火焰检测技术[D].上海：上海电力学院，2011.

[4] 高震宇，冯茜，刘勇，等.基于机器视觉的卷烟阴燃速率测试系统设计[J].传感器与微系统，2013，32（3）：134-137.

[5] 宋小坚.可燃气体传感器研究进展[J].煤气与热力，2010，30（5）：40-42.

[6] 史军刚，白小平，郭瑞玺.基于PIC16F946的CO气体检测仪[J].计算机测量与控制，2007，15（6）：829-830，836.