|
－２７０－中國科技信息２００８年第１期 ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｊａｎ．２００８
基礎及前沿研究防火工作對工業生產及民用安全的意義十分重大，失火時能及時探測到火情，報警及采取相應措施，就要求有快速的火情探測手段，火焰探測器應運而生。在工業生產中， 特別是易燃易爆場合，火焰探測器由于反應迅速，報警及時，越來越得到廣泛的應用。本文介紹了基于熱釋電效應的傳感器，并結合火焰的特征，提出了用雙通道參比的檢測辦法，采用一個通道采集背景信號，另一個通道對火焰敏感，通過后續放大濾波電路，這些信號被單片機采集以后，進行參比對照判斷，就能對火焰是否產生做出準確判斷。１ 紅外輻射、熱釋電效應與熱釋電效應傳感器紅外輻射：紅外輻射的物理本質是熱輻射，它是由于物體內部分子的轉動及振動而產生。這類振動是由物體受熱引起的，在一般常溫下，所有物體都是紅外輻射的發射源，但發射的紅外波長不同，實踐證明，溫度愈低的物體輻射的紅外線波長愈長，４００～７００度的物體其發射的紅外線波長為３～３ｕＭ。紅外線和所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉和吸收等性質，但它的特點是熱效應最大。火焰的紅外輻射波長主要能量集中在３． ５～５μｍ波段內。熱釋電效應：是物理現象中熱電效應的一種，當某些電介質材料的表面接受了紅外熱釋電效應在火焰探測中的應用郭建斌 益陽電子工業學校 ４１３０５４Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｏｆ ＦｌａｍｅＧｕｏ ＪｉａｎｂｉｎＹｉｙａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｓｃｈｏｏｌ， Ｙｉｙａｎｇ． Ｈｕｎａｎ ４１３０５４， Ｃｈｉｎａ紅外線的輻射能量時，其表面上就會產生電荷的變化，這種現象稱為熱釋電效應。當有火焰或者高溫物體釋放的波動的紅外線照射到熱釋電敏感晶體上時，熱釋電效應極為明顯，因此可以結合后續的放大處理電路，以及判斷處理軟件，可以很可靠地檢測到是否有火焰產生。熱釋電效應傳感器［１－５］熱釋電紅外傳感器結構如圖１所示，熱釋電紅外傳感器主要由外殼、濾光片、熱釋電元件、結型場效應管、電阻等組成，其中場效應管起到阻抗變換的作用，而窗口處的濾光片是為濾去無用的紅外線，讓有用的紅外線進入窗口。在火焰探測系統中，火焰探測傳感器大多選用４． １～４． ７μｍ的濾光片，選用此濾光片是由于火焰的紅外輻射波長集中在這個波段內，并且該波段內沒有日光輻射的干擾、紅外輻射波長能穿透能力強。此外，為了獲得較強的有效輸出，該傳感器內部將兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起，利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號在內部相互抵消的原理來使傳感器得到補償，可以有效地防止因太陽光等紅外線及環境溫度變化而引起的誤差。此外，在紅外熱釋電傳感器內部，
熱釋圖４ 雙波段紅外熱釋電火焰探測器放大濾波電路圖３ 雙波段紅外熱釋電火焰探測報警器系統框圖圖２ 紅外熱釋電傳感器外形圖圖
１ 紅外熱釋電傳感器結構摘 要紅外熱釋電效應在火焰探測中的應用郭建斌 益陽電子工業學校 ４１３０５４Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｏｆ ＦｌａｍｅＧｕｏ ＪｉａｎｂｉｎＹｉｙａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｓｃｈｏｏｌ， Ｙｉｙａｎｇ． Ｈｕｎａｎ ４１３０５４， Ｃｈｉｎａ紅外線的輻射能量時，其表面上就會產生電荷的變化，這種現象稱為熱釋電效應。當有火焰或者高溫物體釋放的波動的紅外線照射到熱釋電敏感晶體上時，熱釋電效應極為明顯，因此可以結合后續的放大處理電路，以及判斷處理軟件，可以很可靠地檢測到是否有火焰產生。熱釋電效應傳感器［１－５］熱釋電紅外傳感器結構如圖１所示，熱釋電紅外傳感器主要由外殼、濾光片、熱釋電元件、結型場效應管、電阻等組成，其中場效應管起到阻抗變換的作用，而窗口處的濾光片是為濾去無用的紅外線，讓有用的紅外線進入窗口。在火焰探測系統中，火焰探測傳感器大多選用４． １～４． ７μｍ的濾光片，選用此濾光片是由于火焰的紅外輻射波長集中在這個波段內，并且該波段內沒有日光輻射的干擾、紅外輻射波長能穿透能力強。此外，為了獲得較強的有效輸出，該傳感器內部將兩個極性相反、特性一致的探測元串接在一起，利用兩個極性相反、大小相等的干擾信號在內部相互抵消的原理來使傳感器得到補償，可以有效地防止因太陽光等紅外線及環境溫度變化而引起的誤差。此外，在紅外熱釋電傳感器內部，
熱釋圖４ 雙波段紅外熱釋電火焰探測器放大濾波電路圖３ 雙波段紅外熱釋電火焰探測報警器系統框圖圖２ 紅外熱釋電傳感器外形圖圖
１ 紅外熱釋電傳感器結構摘 要基于紅外熱釋電效應原理，結合火焰的特征，提出了用雙通道參比來判定火情的方法。采用一個通道的傳感器敏感火焰的紅外輻射，另一個通道獲取背景輻射的方案，通過后續的放大濾波電路，對雙路信號進行放大、帶通濾波，通過帶有Ａ／Ｄ的單片機對雙路信號進行采集后，再對兩路信號的變化值進行對比判定。相比于背景通道，如果火焰通道的增量超過一定的閥值，并且維持若干時間段，就可判定火情發生。實踐中發現，該方法反應迅速，判斷準確，誤判率低，能及時準確地判定是否有火情產生。關鍵詞紅外熱釋電傳感器；火焰探測；帶通濾波；放大中圖分類號：ＴＰ７３ＡｂｓｔｒａｃｔＢａｓｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆｔｈｅ ｆｌａｍｅ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｕｓｅ ｔｈｅｄｏｕｂｌｅ－Ｗａｖｅ－Ｂａｎｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｂｌａｚｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅｆｌａｍｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ． Ｏｎｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｒｅａｃｔ ａｔ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄｏｆ ｆｌａｍｅ， ａｎｄ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｉｓ ｒｅａｃｔ ａｔ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｏｆｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ． Ｔｈｏｓｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ｓａｍｐｌｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅＭＣＵ ｗｉｔｈ Ａ／Ｄ ａｆｔｅｒ ｈａｖｉｎｇ ｂｅｅｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ａｎｄｆｉｌｔｅｒｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ａｎ ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｉｖｅ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ． Ｉｆ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｆｌａｍｅ’ｓ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｉｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｇａｔｅ ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅｄ ｖａｌｕｅａｎｄ ｍａｉｎｔａｉｎ ｓｅｖｅｒａｌ ｔｉｍｅ， ｔｈｅ ＭＣＵ ｃａｎ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｉｓ ｉｓ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｒｅ． Ｔｈｉｓ ｍｏｕｔｈｅｄ ｉｓ ｃｏｎｆｉｒｍｅｄｉｎ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ， ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｎｔ ｔｈｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｅｏｆ ｔｈｅ ｆｉｒｅ ｖｅｒｙ ｑｕｉｃｋｌｙ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｖｅｒａｃｉｔｙ ｉｓ ｈｉｇｈ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓＰｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｅｎｓｏｒｓ； Ｆｌａｍｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ； Ｂａｎｄｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｉｎｇ； Ａｍｐｌｉｆｉｅ
ｒ
百度文字識別OCR-多種場景下文字檢測與識別服務
廣告 注冊即可領取產品免費體驗套餐， 查看詳情 >
－２７１－電元件和場效應管裝在一起，通過場效應管，將電荷的變化轉換成與紅外輻射強度成正比例的電壓的變化。使用時Ｄ端接電源正極，Ｇ（Ｅ）端接電源負極，Ｓ端為信號輸出。圖２為紅外熱釋電傳感器的實際外形圖。２ 雙波段紅外熱釋電火焰探測器原理及后續處理電路雙波段紅外熱釋電火焰探測器采用火焰與背景輻射參比，兩個紅外傳感元件在兩個不同特征波段上對火焰信號和背景光信號的輻射變化做出響應， 再由單片機實時采集這兩路信號，通過兩路信號的對比，可以抑制背景干擾而得到真實的火焰輻射信號，有效地提高對火焰探測的可靠性。圖３為雙波段紅外熱釋電火焰探測報警器系統框圖。考慮到火焰輻射強度的最大值位于４．１μｍ～４．７μｍμｍ 的波長范圍內，因此，我們選擇的紅外火焰探測器的濾光片為４．４μｍ，背景探測通道的濾光片為３．８μｍ。圖４為雙波段紅外熱釋電火焰探測器其中一路的放大濾波電路，該電路用三個運放組成高、低通放大器。將傳感器輸入的微弱信號進行有源濾波放大。按圖４ 所示參數計算得到，第一級放大
器增益，
第二級增益
，第三級增益可調，，大約為１０左右，總放大增益為： Ａ ＝ ５０ ×５０×２３～１０１ ＝５４５００～２５２５００ ＝ ９５～１０８ ｄＢ。此外，由于物體在燃燒時因供氧狀況的變動和正在被燃燒材料的密度變化，會造成火焰的波動，這種波動的頻率一般在０．２Ｈｚ 到１００Ｈｚ 之間，所以電路設定的通帶頻率也需對應于這種波動的頻率具有選擇性，我們選擇一個通道，計算其通帶頻率如下：其中前兩級為帶通濾波器，現以第二
級為例子給予說明電路的第三級為低通濾波器，其上限
截至頻率為所以本電路的通帶頻率為８～２８（Ｈｚ）３ 火警判定算法探測器用單片機采集雙通道的信號后，再通過相應的軟件算法判斷是否有火情的產生，圖５為探測器的火警判定流程圖。其中，△火焰探測通道值：為火焰探測通道的電平變化值； △參比通道值：為背景探測通道的電平變化值。閥值、設定值１、設定值２均由試驗確定。只有滿足這三個條件時才產生報警狀態， 否則為正常監視狀態。４ 結論雙波段紅外熱釋電火焰探測器將火焰與背景輻射雙信息傳感技術、電子學技術和微處理器軟件算法有機結合，提高了探測器的靈敏度， 極大地降低了誤判的可能性。實踐中驗證，該探測器能對１０米外的面積為１平方米的火焰做出正確判斷，如果加裝鏡頭及其他輔助設施，就能對更遠更小面積的火情做出判斷。該紅外熱釋電火焰探測器的優點是響應速度快，適合于易突然起
火且無煙霧的場所。圖５ 火警判定流程圖超導熱管中進行實驗測定和理論分析，結果表明：納米顆�？梢悦黠@地增大流體的導熱性能。一般來講不同金屬粒子其導熱系數的增量不同；溫度不同其導熱系數的增量也不同；介質的熱傳導系數一般隨粒子顆粒的減小而增大；隨固體納米粒子百分比的增大而增大。同時熱傳導系數還隨溫度的升高而增大。這表明，顆粒的布朗運動，顆粒與基液間的吸附層、顆粒內部熱傳遞的尺度效應，顆粒團聚均可影響固－液流體介質的導熱機制。顆粒的團聚使得顆粒間夾雜液膜，這相當于增大了懸浮液中顆粒的含量，從而強化了懸浮液的導熱性能，顯然固－液超導介質作為一種新型介質為熱能的傳輸提供了一種更為有效的手段，這一新材料的研究是目前國際上研究和開發的熱點之一。這一研究成果的利用必將為我國太陽熱能量的應用做出應有的貢獻 |
