李 強(qiáng), 張立軍, 王冠鷹, 宋文剛, 吳秀龍, 黎 軒

(1.中國(guó)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(cè)器是火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警和滅火抑爆系統(tǒng)中最基本和最重要的器件?，F(xiàn)有的火災(zāi)探測(cè)器主要有感煙火災(zāi)探測(cè)器[1～3]、感溫火災(zāi)探測(cè)器[4]以及火焰圖像探測(cè)器。以上這些火災(zāi)探測(cè)器都無(wú)法滿足抑爆系統(tǒng)對(duì)火災(zāi)高精度探測(cè)的需求,不能在爆炸誘導(dǎo)期內(nèi)對(duì)火焰進(jìn)行快速有效的抑制。無(wú)法解決礦井、油田、石化企業(yè)以及易燃易爆儲(chǔ)存場(chǎng)所面臨的火災(zāi)防范及快速抑爆問(wèn)題[5]。感光型火災(zāi)探測(cè)器是利用火焰的光特性,通常響應(yīng)時(shí)間十分迅速,可以快速感知外界光的變化,實(shí)現(xiàn)滅火抑爆的需求[6]。但是由于太陽(yáng)光、雷電、電磁脈沖等條件干擾,現(xiàn)有的感光型火災(zāi)探測(cè)器經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)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(jì)。經(jīng)過(guò)實(shí)際的性能測(cè)試,探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間、防誤報(bào)、探測(cè)視角等主要性能都達(dá)到領(lǐng)先水平。

1 火焰探測(cè)原理

物質(zhì)在燃燒時(shí),在產(chǎn)生煙霧和放出熱量的同時(shí),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(zhǎng)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(duì)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(gè)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(gè)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(duì)酒精、正庚烷、汽油3種材料的火焰光譜分布曲線進(jìn)行對(duì)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(zhǎng)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(yáng)光發(fā)出的紫外光波長(zhǎng)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(zhǎng)也大于 290 nm,故對(duì)物質(zhì)燃燒輻射出的 290 nm 以下的紫外波段探測(cè)能消除太陽(yáng)光、日光燈、高溫物體等強(qiáng)烈干擾源的影響[7]。

系統(tǒng)采用寬光譜三波段火焰探測(cè),包括兩個(gè)紅外波段(2.7,4.35 μm)和一個(gè)紫外波段(185～260 nm),探測(cè)靈敏度高,響應(yīng)時(shí)間快,防誤報(bào)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(diǎn)單元(floating-point unit,FPU)和數(shù)字信號(hào)處理(digital signal processing,DSP),其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理和運(yùn)算能力,能夠快速處理采集到的火焰信息,容易實(shí)現(xiàn)高性能的火焰識(shí)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(cè)器硬件與軟件設(shè)計(jì)

2.1 紫外檢測(cè)模塊電路設(shè)計(jì)

紫外光敏管是一個(gè)封閉且能透過(guò)紫外線的玻璃管,管內(nèi)充滿氣體。玻璃管內(nèi)部有一對(duì)由金屬引線引出的電極—陽(yáng)極和光電陰極,其中光電陰極由只對(duì)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(gè)脈沖寬度調(diào)制(pulse width modulation,PWM)信號(hào),用來(lái)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(hào)。當(dāng)紫外光照射到紫外光敏管陰極時(shí),C1在電路中會(huì)重復(fù)進(jìn)行充放電過(guò)程,從而產(chǎn)生尖峰脈沖。紫外線越強(qiáng),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(guò)脈沖整形電路將紫外光敏管產(chǎn)生的指數(shù)脈沖信號(hào)整形為方波信號(hào),然后通過(guò)引腳Y_OUT接入單片機(jī)。單片機(jī)通過(guò)計(jì)數(shù)一定時(shí)間內(nèi)方波個(gè)數(shù),來(lái)判斷有無(wú)紫外線及紫外線強(qiáng)度。

圖2 紫外采集模塊及輸出脈沖示意

紫外線傳感器只對(duì)185～260 nm狹窄范圍內(nèi)的光線敏感,而對(duì)其他范圍的光線不敏感,可以對(duì)火焰中的紫外線進(jìn)行檢測(cè)。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(zhǎng)均大于300 nm,火焰探測(cè)波段屬于太陽(yáng)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(cè)模塊電路設(shè)計(jì)

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(gè)不同的譜段,兩個(gè)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(gè)管子原理相同,其中一個(gè)譜段原理圖如圖3所示。

圖3 紅外采集模塊示意

紅外檢測(cè)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(shí)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(dòng),內(nèi)阻也發(fā)生波動(dòng)。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(hào)源取得的電流小而且驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),因此，用于此濾波放大電路的輸入級(jí)和輸出級(jí),減少電路間直接相連所帶來(lái)的影響,起到了緩沖作用。有源低通濾波器由集成運(yùn)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(yùn)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(hào)最后通過(guò)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(hào)ADC1的電平進(jìn)行微調(diào)。

2.3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

首先判斷紫外信號(hào)強(qiáng)度,如果此時(shí)紫外脈沖強(qiáng)度非常強(qiáng)并且符合一定時(shí)域特征,則判定為預(yù)火警信號(hào),如果未達(dá)到設(shè)定閾值但紫外信號(hào)有波動(dòng),則進(jìn)行下一步判定,如果此時(shí)紅外信號(hào)也已檢測(cè)到變化,同樣輸出預(yù)火警信號(hào)。然后進(jìn)行預(yù)火警信號(hào)的甄選排除,對(duì)非火焰信號(hào)引起的誤報(bào)警實(shí)施排它處理。最后,經(jīng)過(guò)處理的報(bào)警信號(hào)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(hào)和2.7 μm的紅外光敏管信號(hào),紅外判斷為電壓信號(hào)。紫外信號(hào)代表紫外光敏管信號(hào),為脈沖計(jì)數(shù)。正常情況下,紅外為一個(gè)較高值,紫外不應(yīng)有信號(hào)輸出。當(dāng)火焰發(fā)生,兩個(gè)波段紅外出現(xiàn)不同程度的下降,紫外出現(xiàn)計(jì)數(shù)。其中a,b,c,A均為設(shè)定值,分別代表了紫外信號(hào)下限,紅外信號(hào)變化下限,信號(hào)持續(xù)時(shí)間下限和強(qiáng)紫外信號(hào)閾值。對(duì)于單紫外觸發(fā)報(bào)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(gè),10 %,3 ms,20個(gè)。

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

3 火焰探測(cè)器性能測(cè)試與結(jié)果分析

3.1 探測(cè)器實(shí)物圖及現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試環(huán)境

高精度高可靠的火焰探測(cè)器實(shí)物圖,以及現(xiàn)場(chǎng)性能測(cè)試圖,如圖5所示。采用標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試環(huán)境,對(duì)火焰探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間、防誤報(bào)性能、防漏報(bào)性能、探測(cè)視角范圍、溫度適應(yīng)性、振動(dòng)沖擊適應(yīng)等多項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行了全面的測(cè)試。其中響應(yīng)時(shí)間和防誤報(bào)測(cè)試是表征火焰探測(cè)器的最核心的特征指標(biāo)。

圖5 火焰探測(cè)器實(shí)物、誤報(bào)項(xiàng)及響應(yīng)時(shí)間測(cè)試

3.2 響應(yīng)時(shí)間及探測(cè)距離

火焰探測(cè)器的響應(yīng)時(shí)間測(cè)試采用電子快門測(cè)試臺(tái)系統(tǒng),火源為標(biāo)準(zhǔn)火,符合GJB1734A規(guī)范,火源與探測(cè)器之間有電子快門系統(tǒng)。計(jì)時(shí)起點(diǎn)與快門開啟時(shí)刻同步,計(jì)時(shí)終點(diǎn)為探測(cè)器信號(hào)端輸出報(bào)警信號(hào),最終兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間差自動(dòng)讀取。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示,火焰探測(cè)器具有較高精度,對(duì)0.4 m的標(biāo)準(zhǔn)火可以實(shí)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(shí)間測(cè)試結(jié)果

3.3 防誤報(bào)性能及其他性能

火焰探測(cè)器置于暗室環(huán)境中,依次使用表2中干擾項(xiàng)進(jìn)行測(cè)試,觀察是否輸出報(bào)警信號(hào)。測(cè)試結(jié)果表明,火焰探測(cè)器具備很好的防誤報(bào)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(bào)測(cè)試結(jié)果

隨機(jī)選取探測(cè)器,分別放置在-43，55 ℃環(huán)境中保溫2 h,再進(jìn)行響應(yīng)時(shí)間測(cè)試,方法與常溫相同。經(jīng)過(guò)測(cè)試,平均時(shí)間分別為1.071 4,1.053 4 ms。將探測(cè)器安放在測(cè)試臺(tái)架上,點(diǎn)燃標(biāo)準(zhǔn)火,調(diào)整探測(cè)器視角,記錄信號(hào)輸出情況,測(cè)量得到探測(cè)器最大探測(cè)視角為±55°。經(jīng)過(guò)振動(dòng)、沖擊試驗(yàn),火焰探測(cè)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(jì)的火焰探測(cè)器,可實(shí)現(xiàn)高精度的火焰探測(cè),同時(shí)具備高可靠性,能夠防范誤報(bào)警,無(wú)漏報(bào)警,解決了多種行業(yè)和場(chǎng)所對(duì)于滅火抑爆的需求。發(fā)展了火警控制軟件的報(bào)警輸出邏輯,采取強(qiáng)紫外報(bào)警,紫外紅外報(bào)警的核心邏輯,并根據(jù)誤報(bào)信號(hào)特征,實(shí)施了產(chǎn)生預(yù)報(bào)警然后進(jìn)行排除的處理流程。