高安然，吳珂妮，胡立志，張夢(mèng)圓，王飛飛

（1.華東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院 極化材料與器件教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200241；2.上海師范大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，上海 200233）

0 引 言

火災(zāi)是一種極為頻繁發(fā)生、易造成慘重人員傷亡和巨額經(jīng)濟(jì)損失的災(zāi)害，因此對(duì)火災(zāi)的早期預(yù)警和明火火源的探測(cè)定位就變得尤為重要。當(dāng)前市面上的火災(zāi)探測(cè)器分為感煙、感溫、感光等類型，而國內(nèi)大規(guī)模普及的感煙探測(cè)器無法檢測(cè)出無煙明火（如酒精等醇類起火等），這一缺陷帶來了一定的安全隱患。目前市場上能夠探測(cè)無煙明火的感光型點(diǎn)式紅外火焰報(bào)警器價(jià)格非常昂貴，高達(dá)千元，很難民用普及，因此亟需開發(fā)一種低成本、高靈敏度、能夠快速檢測(cè)無煙明火的便攜式紅外火焰報(bào)警器，進(jìn)而與感煙型火災(zāi)報(bào)警器配合使用推廣。

鉭酸鋰（LiTaO）是目前較為廣泛應(yīng)用的熱釋電材料，具有較高的熱釋電系數(shù)、較小的介電常數(shù)和介電損耗，可使器件獲得較高的探測(cè)率，其居里溫度高達(dá)620 ℃，化學(xué)性能穩(wěn)定，可在較高溫度下工作。鉭酸鋰是制造低成本熱釋電紅外探測(cè)器的優(yōu)選材料。通過將鉭酸鋰塊體精密減薄成30 μm 左右的晶片并濺射上紅外吸收層來作為紅外靈敏元，并配置低噪聲的前置電壓放大器以及4.3 μm～600 nm 的紅外窄帶濾光片，有望實(shí)現(xiàn)一種可大規(guī)模生產(chǎn)的低成本、高性能的熱釋電明火火焰探測(cè)器。

通過為熱釋電明火火焰探測(cè)器開發(fā)配套信號(hào)處理電路與信號(hào)采集分析嵌入式軟硬件，以及機(jī)械外殼，可形成一種智能無線明火報(bào)警終端。本文介紹了從大視場角鉭酸鋰熱釋電探測(cè)器到智能無線明火報(bào)警終端等的核心元器件與整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)，針對(duì)明火信號(hào)特征，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)高效探測(cè)火焰信號(hào)與精準(zhǔn)判斷火情；利用無線通信模塊連接手機(jī)APP，實(shí)現(xiàn)了智能控制和實(shí)時(shí)報(bào)警。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

智能無線明火報(bào)警終端系統(tǒng)的總體設(shè)計(jì)如圖1 所示，物體燃燒過程中輻射的紅外光通過光學(xué)前窗匯聚到熱釋電探測(cè)器敏感元，熱釋電探測(cè)器產(chǎn)生電壓變化并輸出微弱交變電壓到信號(hào)處理電路；信號(hào)經(jīng)過濾波、放大、整形后輸出高信噪比的脈沖或交變信號(hào)；MCU 對(duì)A/D 信號(hào)分析決策，進(jìn)而控制聲光報(bào)警，并由藍(lán)牙連接后上傳手機(jī)終端。此外，為了提高該火焰探測(cè)器的環(huán)境適應(yīng)性，可以通過調(diào)節(jié)信號(hào)處理電路設(shè)定不同的閾值，以探測(cè)不同強(qiáng)度和環(huán)境下的火焰。

圖1 智能無線明火報(bào)警終端原理框圖

2 熱釋電火焰探測(cè)器

2.1 探測(cè)器原理

熱釋電火焰探測(cè)器是一種基于熱釋電效應(yīng)工作的紅外輻射傳感元件。熱釋電敏感元對(duì)明火釋放的紅外輻射波動(dòng)極為靈敏，會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的電信號(hào)響應(yīng)。

本文設(shè)計(jì)的熱釋電火焰探測(cè)器采用單元型結(jié)構(gòu)，內(nèi)置一個(gè)靈敏元晶片，靈敏元材料為居里溫度，遠(yuǎn)高于工作環(huán)境溫度的鉭酸鋰（LiTaO）單晶?；贚iTaO單晶的熱釋電探測(cè)器具有靈敏度高、噪聲低、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。靈敏元輸出端通過前置電路完成高阻抗向低阻抗的變換。

2.2 探測(cè)器模型

圖2 為熱釋電探測(cè)器熱學(xué)模型及等效電路圖。經(jīng)正弦調(diào)制的紅外輻射(()=e)入射到熱釋電敏感元（面積為，厚度為）表面，靈敏元對(duì)紅外輻射產(chǎn)生吸收，引起其溫升Δ，同時(shí)靈敏元還會(huì)向外環(huán)境傳導(dǎo)熱量，使溫度產(chǎn)生變化，熱導(dǎo)用表示。

圖2 熱釋電火焰探測(cè)器的熱學(xué)模型及等效電路

該過程可以用熱平衡方程表示：

式中：為靈敏元熱容；為靈敏元紅外輻射吸收率。通過上式可以得到靈敏元的溫度變化為：

探測(cè)器根據(jù)放大電路工作類型，可以分為電流模式和電壓模式。電流模式輸出信號(hào)高且可調(diào)，通常不用二次放大。電壓模式功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、成本低?？紤]到智能無線明火報(bào)警終端的低成本要求，本文探測(cè)器采用電壓放大模式，如圖3 所示。

電壓模式放大電路由場效應(yīng)管（JEFT）和電阻組成，其工作原理為熱釋電電流在電阻上形成壓降，上的電壓被場效應(yīng)晶體管形成的源極跟隨電路轉(zhuǎn)換成低阻抗信號(hào)，即探測(cè)器的輸出信號(hào)。圖3c）為LiTaO熱釋電紅外探測(cè)器實(shí)物圖，其基本零部件包括了靈敏元晶片、電路板、封裝管殼底座和管帽、濾光片、大電阻、JFET 等。整個(gè)元件結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、穩(wěn)定性好、使用方便。

圖3 熱釋電火焰探測(cè)器電壓模式放大電路圖

2.3 探測(cè)器性能參數(shù)

熱釋電火焰探測(cè)器是整個(gè)智能終端系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，其性能的優(yōu)劣對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)的性能具有決定性作用，因此優(yōu)化和表征探測(cè)器的綜合性能是系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要環(huán)節(jié)。探測(cè)器主要性能包括響應(yīng)率、噪聲和比探測(cè)率。探測(cè)器響應(yīng)率反映了探測(cè)器在單位輻射功率下響應(yīng)電壓的大小，用表示。由熱釋電電流式（4）和電壓放大模式電路跟隨器特性，可以得到：

式中=為電時(shí)間常數(shù)，為靈敏元電容。

噪聲的大小決定了探測(cè)器的探測(cè)極限，當(dāng)噪聲大于信號(hào)時(shí)，信號(hào)就會(huì)被噪聲淹沒，因此分析探測(cè)器的噪聲具有重要意義。熱釋電紅外探測(cè)器噪聲主要包括：溫度噪聲、靈敏元介電損耗噪聲、電阻約翰遜噪聲N、JFET 電流噪聲和電壓噪聲，各個(gè)噪聲公式見表1。

表1 電壓模式熱釋電紅外探測(cè)器中的噪聲來源

由于各個(gè)噪聲是獨(dú)立的，則總噪聲可以表示為：

由于靈敏元面積的差異，探測(cè)器的噪聲和響應(yīng)率也會(huì)不同，一般用比探測(cè)率來反映探測(cè)器的綜合性能：

2.4 探測(cè)器性能測(cè)試

圖4 為熱釋電紅外探測(cè)器響應(yīng)和噪聲的測(cè)試系統(tǒng)。基本原理為黑體輻射經(jīng)斬波器調(diào)制后入射到探測(cè)器上，由溫度控制器監(jiān)控黑體溫度，馬達(dá)控制調(diào)制頻率。探測(cè)器輸出的信號(hào)和噪聲由動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀測(cè)量得到響應(yīng)電壓信號(hào)和噪聲電壓，計(jì)算可得響應(yīng)率和比探測(cè)率。

圖4 響應(yīng)和噪聲測(cè)試系統(tǒng)

黑體光闌口徑為Φ10 mm，探測(cè)器到光闌的距離61 mm，靈敏元面積為1.4 mm×1.4 mm，匹配電阻為10 GΩ，并配備Φ6.3 mm 的大窗口藍(lán)寶石濾光片，通過測(cè)試得到了探測(cè)器的響應(yīng)率、噪聲以及比探測(cè)率，如圖5 所示。圖5a）給出了該熱釋電探測(cè)器在有和無濾光片情況下電壓響應(yīng)率隨頻率變化的關(guān)系，圖5b）為探測(cè)器噪聲，無濾光片情況下比探測(cè)率隨頻率的變化關(guān)系如圖5c）所示。同時(shí)測(cè)量了有、無濾光片的不同黑體溫度的響應(yīng)數(shù)據(jù)，設(shè)定調(diào)制頻率為10 Hz，固定出光口徑，改變黑體溫度，范圍300～530 K，通過動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀讀取10 Hz 處的輸出電壓，如圖6 所示。

圖5 LiTaO3熱釋電紅外探測(cè)器響應(yīng)和噪聲特性

圖6 LiTaO3熱釋電紅外探測(cè)器溫度響應(yīng)曲線

3 報(bào)警終端硬件設(shè)計(jì)

3.1 信號(hào)處理電路設(shè)計(jì)

鉭酸鋰單晶熱釋電探測(cè)器的藍(lán)寶石濾光片透過光譜中心波長為4.3 μm，帶寬為600 nm，該波段覆蓋了典型碳?xì)浠衔锶紵妮椛渲髂芰?。?bào)警終端可在火焰燃燒發(fā)生瞬間輸出高信噪比的脈沖或交變信號(hào)，報(bào)警終端信號(hào)處理電路如圖7 所示。紅外輻射輸入后，當(dāng)信號(hào)達(dá)到閾值時(shí)，探測(cè)器信號(hào)經(jīng)過三級(jí)電路輸出高電平觸發(fā)MCU，MCU 再實(shí)時(shí)采集輸出信號(hào)并通過相應(yīng)處理算法進(jìn)行火焰判別。

圖7 熱釋電火焰探測(cè)系統(tǒng)信號(hào)處理電路原理圖

3.2 MCU 控制

系統(tǒng)數(shù)字電路部分由單片機(jī)、聲光報(bào)警模塊、藍(lán)牙模塊和電源模塊組成。火焰信號(hào)SIG 傳輸給單片機(jī)定時(shí)器捕獲通道，信號(hào)劇烈變化時(shí)，MCU 判斷產(chǎn)生跳動(dòng)的火苗并產(chǎn)生火警信號(hào)，即刻觸發(fā)聲光報(bào)警模塊，警示燈高亮，揚(yáng)聲器鳴叫，同時(shí)將火警信息通過藍(lán)牙模塊上傳手機(jī)APP 顯示。程序設(shè)計(jì)以Keil5 為開發(fā)環(huán)境，采用識(shí)別算法測(cè)量脈沖信號(hào)頻率與幅度，通過明火劇烈跳動(dòng)的特性排除安全火源和雷電、電弧焊等外界輻射的干擾，實(shí)現(xiàn)火焰的精準(zhǔn)判別。同時(shí)，系統(tǒng)軟件設(shè)置不同探測(cè)靈敏度下的閾值，可以人工調(diào)節(jié)以確保智能報(bào)警終端滿足不同場合下的工作需求。

3.3 外觀設(shè)計(jì)

針對(duì)報(bào)警終端的特有安裝環(huán)境，設(shè)計(jì)了獨(dú)有的外觀，結(jié)構(gòu)圖如圖8 所示。報(bào)警終端的安裝環(huán)境通常為墻面，本報(bào)警終端采用方形切面設(shè)計(jì)，適用于各類墻面墻角。開關(guān)位于頂部，探測(cè)視窗置于45°斜切面處，配合圓形視窗和報(bào)警指示燈。側(cè)面為卡扣式安裝，方便快捷，易于調(diào)試、更換電池等。電池采用輕量級(jí)的可充電鋰電池，具有良好的續(xù)航能力，面對(duì)可能需要的戶外安裝環(huán)境時(shí)，可加裝太陽能電池。

圖8 報(bào)警終端外觀結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)測(cè)試與分析

在常溫25 ℃、濕度60%、氣壓100 kPa 的條件下對(duì)該火焰報(bào)警終端進(jìn)行點(diǎn)火測(cè)試。采用普通打火機(jī)作為火源，火焰高度為2 cm；計(jì)時(shí)開始后點(diǎn)火，熄滅；分別測(cè)試燃燒火焰中心距探測(cè)器10 cm，25 cm，50 cm 和100 cm處探測(cè)器的時(shí)域輸出信號(hào)。由圖9 信號(hào)特征可知：探測(cè)距離越遠(yuǎn)，信號(hào)脈沖寬度越窄；信號(hào)強(qiáng)度隨探測(cè)距離的減小而增強(qiáng)。進(jìn)一步測(cè)試發(fā)現(xiàn)，此智能報(bào)警裝置對(duì)太陽光、人體、手電筒光照等具有很強(qiáng)的抗干擾能力，探測(cè)器的視場角可達(dá)120°。

圖9 無線明火報(bào)警智能系統(tǒng)對(duì)真實(shí)火焰的測(cè)試圖

如圖9 所示，將報(bào)警終端安裝在室內(nèi)墻面上，報(bào)警終端距目標(biāo)火源6 m。采用工業(yè)乙醇作為燃燒物，將其傾倒在直徑13 cm 圓盤容器內(nèi)作為火源。打開探測(cè)器開關(guān)，待自動(dòng)調(diào)試完成后進(jìn)行點(diǎn)火，可以觀察到報(bào)警器產(chǎn)生聲光報(bào)警，手機(jī)實(shí)時(shí)接收到報(bào)警信息。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)的基于熱釋電探測(cè)器的無線明火報(bào)警智能終端，采用自主設(shè)計(jì)的大視場、高靈敏的熱釋電紅外探測(cè)器，針對(duì)火焰4.3 μm 中心波段特征輻射進(jìn)行高效檢測(cè)；通過智能算法可識(shí)別火焰特征，消除漏報(bào)、誤報(bào)。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該智能終端具有120°探測(cè)視場，對(duì)直徑為13 cm 的火焰探測(cè)距離達(dá)到6 m。整個(gè)終端成本低廉，適用于辦公樓、商場、住宅、餐飲、賓館等民用建筑，其在部分工業(yè)領(lǐng)域以及森林防火等戶外領(lǐng)域，展現(xiàn)出較高的應(yīng)用價(jià)值。