基于紫红外传感器的火焰探测系统设计与实现

李文斌，张 卓，范赐恩，陈 迎，吴敏渊

(1.武汉大学电子信息学院，湖北武汉 430070；2.上海航天电子通讯设备研究所，上海 201100)



基于紫红外传感器的火焰探测系统设计与实现

李文斌1，张 卓2，范赐恩1，陈 迎1，吴敏渊1

(1.武汉大学电子信息学院，湖北武汉 430070；2.上海航天电子通讯设备研究所，上海 201100)

针对传统的感烟、感温、感光型火焰探测器的误报率高，响应时间长的特点，研制了一种联合使用紫外和红外传感器的火焰探测系统。该系统利用紫外传感器探测火焰辐射出的处在日盲区波段的紫外光谱，同时使用红外传感器探测火焰辐射出的4.4 μm波段的红外光谱，并结合快速傅里叶变换(FFT)提取火焰闪烁频率的方法来识别火焰。实验表明，该方法有效地降低系统误报率和漏报率，响应时间小于1 s，探测距离达到5 m，对于粮仓、易燃物品存放地的消防应用有着重要的意义。

紫外传感器；红外传感器；火焰探测；快速傅里叶变换；闪烁频率；消防应用

0 引言

粮仓、易燃物品存放地等场所往往易于发生火灾，严重危害人们的生命和财产安全，所以对该类场所的安防工作极其重要。传统火灾探测器主要是感烟、感温、感光型探测器[1-2]。感烟、感温型探测器虽然漏报率很低，但是易受环境湿气、温度等因素的影响。感光型主要有两种：紫外探测器和红外探测器。传统的感光性火焰探测器有单紫外，单红外，双红外和三红外探测器。紫外探测器响应快速，对人和高温物体不敏感，但有本底噪声存在，且易受雷电、电弧等影响，红外探测器易受高温物体、人、日光等影响[3]，所以单紫外，单红外探测易发生误报现象。双波段红外和三波段红外探测器响应时间长，背景复杂情况下难以区分火焰和背景，误报率较高。紫红外探测器结合了紫外传感器和红外传感器优势，互补不足，可以快速识别火焰，并且准确率高。

目前已存在的紫红外火焰探测器，其主要应用在石油，煤矿等防爆场所，这类型的产品对响应速度要求极高[4]，处在恶劣的环境下使得误报现象严重，而且对其外围包装有很高的防爆要求，成本高，不适用于民用场所。仓库环境相对较好，响应时间要求较低，对探测器的外围包装无较高的防爆要求。鉴于此设计的紫红外火焰探测器可快速探测到火焰信息，并有一定时间对其信号做算法处理，在快速响应的同时提高了准确率，适合于物质仓库的防火应用。

1 系统原理

通常，物质燃烧会辐射紫外光、可见光、红外光等光谱[5]。火焰光谱辐射图如图1所示，在火焰所发出的红外光谱内,4.4 μm波段处辐射强度最大[6]，而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]。此外，火焰的闪烁频率通常在5～25 Hz内，主要集中在7～12 Hz，并且闪烁频率不随火焰与传感器的距离改变[8]。

图1 火焰辐射光谱图

系统选用了探测4.4 μm红外波段的碳酸锂红外传感器和探测160～260 nm紫外波段的紫外光电管，为了增加探测距离，系统在红外传感器上增加了菲涅尔透镜[9]。系统微处理器选择STM32F103VET6，这款ARM芯片相对DSP来说成本较低，主频可达到72 MHz，内部有512 kB Flash,和64 kB SRAM，内含21通道的12位AD转换器，其强大的数据处理能力，能快速处理火灾信息，容易实现FFT等高性能识别算法[10]。系统电路如图2所示，主要由紫外光探测电路、红外光探测电路、红外放大电路、STM32微处理器的信号处理电路以及报警电路组成。

图2 系统设计框图

2 硬件电路设计

2.1 紫外传感与信号处理

紫外光电管是利用物质在光的照射下发射电子的所谓外光电效应而制成的光电器件。阴极涂有光电发射材料，当特定波段内的紫外光照射到阴极上时就会有电子逸出，阳极可收集逸出的电子，在外电场的作用下形成电流[11]。其应用电路图如图3所示，当紫外光存在时，C1在电路中会重复进行充放电过程，从而产生尖峰脉冲。为了便于检测，系统对尖峰脉冲通过比较电路对其整形，然后送入处理器中，其中R3=R4，设定比较电压为1.65 V，电路将脉冲信号送入处理器中进行计数。

图4中显示了输出脉冲个数与紫外线强弱的关系，当紫外光饱和时脉冲数目很多且密，当紫外光变弱时，脉冲数减少且变稀，而当无紫外光时，紫外光电管也会存在一定的本底噪声，但脉冲数相当稀少，而且脉冲间间隔时间相对很长[12]。系统选用的GD-2J型紫外光电管典型灵敏度在1 000～2 000 cps，反应时间<50 ms。

图3 紫外光电管应用电路图

图4 紫外光强弱与输出脉冲的关系

2.2 红外放大电路设计

在红外光谱探测中，碳酸锂红外传感器的输出信号为模拟量，且较为微弱[13]，需要设计适宜的前置放大电路。系统放大电路如图5所示。该放大电路是用两级放大，放大时加入2.5 V直流偏置，为了使直流信号不被放大，使用C1，C2，C4，C5进行隔直，放大倍数都各为51倍，总放大增益为68 dB。由于处理器是3.3 V供电，所以放大后的信号经过R8，R9分压后送入处理器。

图5 红外探测前置放大电路

2.3 报警电路设计

报警电路由指示灯和扬声器组成，当判别到有火焰时，指示灯闪烁，且扬声器发出报警信号，电路如图6所示。

图6 报警电路

3 系统软件设计

3.1 系统算法依据

紫外光电管灵敏度很高，响应快速，探测160～260 nm波段的紫外光可消除太阳光，高温物体，人，日光灯等影响。然而紫外光电管的灵敏度越高，噪声也将越高，从图4可以看出无紫外光时它也存在着脉冲输出，即本底噪声，为了消除紫外光电管的本底噪声干扰，系统加入了对火焰红外光谱的探测。利用紫外光电管可消除红外探测中许多干扰，红外光谱的探测则可消除紫外光电管的本地噪声的影响。

图7显示了打火机的火焰、电烙铁晃动和日光灯的FFT变换频谱图，从图中可以看出火焰的闪烁频率满足在5～25 Hz内。日光灯的频率则比较单一，通常是 50 Hz或100 Hz.高温物体大部分保持恒温，或变化的频率很低，如电烙铁则需人为晃动，其频率由晃动频率决定，可能造成红外的误判，由于紫外对其不敏感，实际效果中，高温物体并不会引起误报。因而保留火焰的闪烁频率信号，可防止紫外噪声存在的同时也有红外干扰源存在的这种情况发生，降低了误报率。

(a)打火机FFT频谱

(b)电烙铁FFT频谱

(c)日光灯FFT频谱图7 典型火焰频谱与干扰源频谱对照

3.2 系统软件实现

系统软件流程图如图8所示，系统首先判断是否有紫外光存在，然后再对红外信号进行处理，提取频率信号，若有紫外和红外存在，且提取的频率信息满足要求，则可认为火焰存在，发出报警信号。

为防止火焰的突变造成红外信号频率的误判，等到紫外脉冲后需延时5 ms。A/D采样频率设为1 250 Hz。数字滤波器为基于布莱克曼窗的高阶FIR低通滤波，截止频率45 Hz。为提取火焰的闪烁频率，信号经过FFT变换处理，FFT频率分辨率为2.44 Hz，从FFT结果中筛选出幅度最高的点对应的频率是否满足在5～25 Hz内作为判别依据。由于火焰闪烁频率较低，电路干扰、滤波器的不理想可能使得噪声频率混入其中，给频率的判断带来影响，所以在FFT之前设定了电压阈值50 mV。最终火焰判别依据如下：出现了2个或以上紫外脉冲且A/D结果中有电压值超过0.5 V；在520 ms内有紫外脉冲，滤波后的红外信号电压值有超过50 mV，且红外信号频率在5～25 Hz内。这两者的前提是紫外脉冲和红外信号出现的间隔时间不超过总采样所用的时间，即520 ms左右，有上述两种情况之一，则认为有火焰。

图8 软件流程图

4 实验内容与结果分析

测试紫红外火焰探测系统的抗误报性能，实验利用白炽灯、手电筒、手机闪光照相、阳光直射和反射、日光灯、电烙铁、人为走动等干扰源对系统测试，都无报警。表1显示了紫红外探测系统和单紫外、单红外探测系统的对比实验数据。实验结果表明系统抗误报能力强。为测试系统的抗漏报性能，实验使用打火机在0.5 m、2 m、5 m处分别对系统点火100次。实验数据如表2所示，紫红外火焰探测系统漏报率最大不超过2%。同时利用高速相机对系统响应时间测量，系统最快响应时间<550 ms，最长响应时间<1 s。

表1 系统误报实验比较

注：总次数10次

表2 火焰距离对漏报率的影响

5 结论

紫红外火焰探测系统通过探测火焰所发出的特定波段的紫外和红外光谱信息，并且提取火焰闪烁频率的方法，克服了传统型火焰探测器误报率高的特点，缩短了系统响应时间，同时保证了火焰识别的准确率。系统成本适中，安装时尽量避免阳光直射，适用于粮仓，易燃物品存放地等需要检测火焰的场所，对消防安全有着积极的意义。

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Design and Implementation of Flame Detection SystemBased on Ultraviolet Sensor and Infrared Sensor

LI Wen-bin1，ZHANG Zhuo2，FAN Ci-en1，CHEN Ying1，WU Min-yuan1

( 1.School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430070,China;2.Shanghai Institute of Aerospace Electronic Communications Equipment,Shanghai 201100,China)

Aiming at the defects that the traditional smoke sensor,heat sensor and photosensitive sensor are both of high false alarm rates and with long response time,this paper designed a flame detection system combined with ultraviolet and infrared sensors.The system used ultraviolet sensor to detect band-blind ultraviolet spectrum,and it utilized infrared sensor to detect infrared spectrum of 4.4 μm wavelength radiated from the flame and extracted the flame flicker frequency with Fast Fourier transform (FFT) to identify the flame.Experiments show that this method can effectively reduce the false alarm rate and non-response rate of the system.Response time of the system is less than one second,and its detection range can be up to 5 meters.Therefore,this system is of great important for the fire protection application such as granary and flammable storage places.

ultraviolet sensor;infrared sensor;flame detection;fast Fourier transform;flicker frequency;fire protection application

2014-03-17 收修改稿日期：2014-10-11

TP277

A

1002-1841(2015)03-0056-04

李文斌(1990—)，硕士，主要研究方向为电路与系统。 E-mail:2012202120093@whu.edu.cn 张卓(1980—)，工程师，主要从事测试与控制方向的研究。 E-mail:mark_zhangzhuo@163.com