高精度高可靠宽光谱火焰探测器设计*

李 强, 张立军, 王冠鹰, 宋文刚, 吴秀龙, 黎 轩

(1.中国科学院微电子研究所,北京 100029；2.安徽大学 电子信息工程学院,安徽 合肥 230601)

0 引 言

火灾探测器是火灾自动报警和灭火抑爆系统中最基本和最重要的器件。现有的火灾探测器主要有感烟火灾探测器[1～3]、感温火灾探测器[4]以及火焰图像探测器。以上这些火灾探测器都无法满足抑爆系统对火灾高精度探测的需求,不能在爆炸诱导期内对火焰进行快速有效的抑制。无法解决矿井、油田、石化企业以及易燃易爆储存场所面临的火灾防范及快速抑爆问题[5]。感光型火灾探测器是利用火焰的光特性,通常响应时间十分迅速,可以快速感知外界光的变化,实现灭火抑爆的需求[6]。但是由于太阳光、雷电、电磁脉冲等条件干扰,现有的感光型火灾探测器经常会出现误报警现象。

本文提出了基于紫外光敏管、双红外光敏管的三探头设计。经过实际的性能测试,探测器的响应时间、防误报、探测视角等主要性能都达到领先水平。

1 火焰探测原理

物质在燃烧时,在产生烟雾和放出热量的同时,也产生可见或不可见的光辐射。火焰的辐射是具有离散光谱的气体辐射和伴有连续光谱的固体辐射,其波长在0.1～10 μm或更宽的范围[7,8]。燃烧生成的炽热气体和固体均产生较大电磁波辐射,烃类化合物燃烧生成大量的CO2和水蒸气,此两种气体对火焰的辐射光谱产生重大影响。CO2气体的红外辐射光谱有三个重要的条状光带：2.65～2.8 μm；4.15～4.45 μm；13～17 μm[9,10]。水蒸汽的红外光谱也有三个重要的条状光带：2.55～2.84 μm；5.6～7.6 μm；12～20 μm[9,10]。

不同物质燃烧的火焰温度不同,燃烧产物的成分差异也较大,火焰光谱也各不相同。对酒精、正庚烷、汽油3种材料的火焰光谱分布曲线进行对比分析可以发现[11],由于CO2辐射光带的影响,这3条曲线在中心波长为4.35 μm和2.7 μm附近出现重叠波峰,其中4.35 μm处尤为明显。已知到达地面的太阳光发出的紫外光波长大于290 nm,且非透紫材料作为玻壳的电光源发出的紫外波长也大于 290 nm,故对物质燃烧辐射出的 290 nm 以下的紫外波段探测能消除太阳光、日光灯、高温物体等强烈干扰源的影响[7]。

系统采用宽光谱三波段火焰探测,包括两个红外波段(2.7,4.35 μm)和一个紫外波段(185～260 nm),探测灵敏度高,响应时间快,防误报性能好。系统微处理器选择STM32F405RGT6,ARM芯片采用M4内核,主频可达到168 MHz,内部有1 MB Flash,196 KB SRAM和12位A/D转换器,能够提供浮点单元(floating-point unit,FPU)和数字信号处理(digital signal processing,DSP),其强大的数据处理和运算能力,能够快速处理采集到的火焰信息,容易实现高性能的火焰识别算法。系统的电路框图如图1所示。

图1 系统整体框架示意

2 火焰探测器硬件与软件设计

2.1 紫外检测模块电路设计

紫外光敏管是一个封闭且能透过紫外线的玻璃管,管内充满气体。玻璃管内部有一对由金属引线引出的电极—阳极和光电阴极,其中光电阴极由只对紫外线敏感的金属材料制成,在紫外线照射下发射光电子。

紫外采集模块原理如图2(a)所示,UVTRON 为紫外光敏器件。紫外光敏管的工作电压在250 V左右,系统利用单片机产生两个脉冲宽度调制(pulse width modulation,PWM)信号,用来控制变压器产生交流(alternating current,AC)高压,利用单相整流桥将交流电压转换为250～300 V的直流电,当偏置电压达到一定值(250 V),紫外光敏管即开始有放电导通现象,输出一定频率的指数脉冲信号。当紫外光照射到紫外光敏管阴极时,C1在电路中会重复进行充放电过程,从而产生尖峰脉冲。紫外线越强,输出脉冲频率越高,如图2(b)所示。为了便于单片机采样判断,采用齐纳二极管D1,将脉冲电压稳定在3.6 V以下,通过脉冲整形电路将紫外光敏管产生的指数脉冲信号整形为方波信号,然后通过引脚Y_OUT接入单片机。单片机通过计数一定时间内方波个数,来判断有无紫外线及紫外线强度。

图2 紫外采集模块及输出脉冲示意

紫外线传感器只对185～260 nm狭窄范围内的光线敏感,而对其他范围的光线不敏感,可以对火焰中的紫外线进行检测。到达地面的日光以及非透紫材料作为玻壳的电光源发出的紫外光波长均大于300 nm,火焰探测波段属于太阳光谱盲区,使系统避开了自然光源的复杂背景,可靠性较高。

2.2 红外检测模块电路设计

红外光敏管是基于自发极化和电介质的热释电效应原理制成的。红外光敏管包括了2.7,4.35 μm两个不同的谱段,两个谱段的红外辐射火警逻辑判断为或的关系,适用多类型燃烧物。两个管子原理相同,其中一个谱段原理图如图3所示。

图3 红外采集模块示意

红外检测模块包括红外光敏电阻分压电路、射极跟随器、有源低通滤波器和参考电平调整电路四部分组成。红外光敏管U2实质上是一种三端口红外光敏电阻,在红外光的照射下,管子内阻变小,并随着火焰的抖动,内阻也发生波动。将红外光敏管U2与电阻R11分压串联,可获得红外辐射条件下的电压变化。

射极跟随器的输入阻抗高,输出阻抗低,从信号源取得的电流小而且驱动能力强,因此，用于此滤波放大电路的输入级和输出级,减少电路间直接相连所带来的影响,起到了缓冲作用。有源低通滤波器由集成运放和RC网络构成,它体积小、性能比较稳定,由于集成运放的增益和输入阻抗都很高,输出阻抗很低,因此,有源低通滤波器还具备放大与缓冲作用。放大后的信号最后通过电阻R6,R9进行参考电平的调整,将最终输入到微处理器的信号ADC1的电平进行微调。

2.3 系统软件设计

首先判断紫外信号强度,如果此时紫外脉冲强度非常强并且符合一定时域特征,则判定为预火警信号,如果未达到设定阈值但紫外信号有波动,则进行下一步判定,如果此时红外信号也已检测到变化,同样输出预火警信号。然后进行预火警信号的甄选排除,对非火焰信号引起的误报警实施排它处理。最后,经过处理的报警信号输出到显示端和逻辑控制端。具体的程序流程图如图4所示。

图4 系统程序流程示意

红外代表了4.35 μm红外光敏管信号和2.7 μm的红外光敏管信号,红外判断为电压信号。紫外信号代表紫外光敏管信号,为脉冲计数。正常情况下,红外为一个较高值,紫外不应有信号输出。当火焰发生,两个波段红外出现不同程度的下降,紫外出现计数。其中a,b,c,A均为设定值,分别代表了紫外信号下限,红外信号变化下限,信号持续时间下限和强紫外信号阈值。对于单紫外触发报警逻辑设置了较为严苛的条件,一组可参考量分别为：10个,10 %,3 ms,20个。

系统在取得符合报警逻辑的信号之后,并不立即进行输出,而要进行误报逻辑排除,只有当信号形状能够经过排除筛选,才最终输出报警信号。

3 火焰探测器性能测试与结果分析

3.1 探测器实物图及现场测试环境

高精度高可靠的火焰探测器实物图,以及现场性能测试图,如图5所示。采用标准的测试环境,对火焰探测器响应时间、防误报性能、防漏报性能、探测视角范围、温度适应性、振动冲击适应等多项指标进行了全面的测试。其中响应时间和防误报测试是表征火焰探测器的最核心的特征指标。

图5 火焰探测器实物、误报项及响应时间测试

3.2 响应时间及探测距离

火焰探测器的响应时间测试采用电子快门测试台系统,火源为标准火,符合GJB1734A规范,火源与探测器之间有电子快门系统。计时起点与快门开启时刻同步,计时终点为探测器信号端输出报警信号,最终两个信号的时间差自动读取。试验结果如表1所示,火焰探测器具有较高精度,对0.4 m的标准火可以实现2 ms之内的响应,达到领先水平。

表1 平均响应时间测试结果

3.3 防误报性能及其他性能

火焰探测器置于暗室环境中,依次使用表2中干扰项进行测试,观察是否输出报警信号。测试结果表明,火焰探测器具备很好的防误报性能,能够排除日光、人工光源、环境、热辐射、电磁辐射等非火焰辐射的干扰。

表2 防误报测试结果

随机选取探测器,分别放置在-43，55 ℃环境中保温2 h,再进行响应时间测试,方法与常温相同。经过测试,平均时间分别为1.071 4,1.053 4 ms。将探测器安放在测试台架上,点燃标准火,调整探测器视角,记录信号输出情况,测量得到探测器最大探测视角为±55°。经过振动、冲击试验,火焰探测器符合GJB150.18A—2009和GJB150.16—1986规范。

4 结 论

采用基于单紫外、双红外的三探头设计的火焰探测器,可实现高精度的火焰探测,同时具备高可靠性,能够防范误报警,无漏报警,解决了多种行业和场所对于灭火抑爆的需求。发展了火警控制软件的报警输出逻辑,采取强紫外报警,紫外红外报警的核心逻辑,并根据误报信号特征,实施了产生预报警然后进行排除的处理流程。