打火机火苗检测与其装置优化设计

2018-08-07中科院广州电子技术有限公司覃念芳

电子世界 2018年14期

中科院广州电子技术有限公司管专覃念芳

欧盟对打火机产品生产的标准是根据火焰的高度合格参数为主，目前，使用的检测方法实际检测效果不是很好，检测精度较低、检测速度比较慢。随着单片机和传感器技术的应用，火焰的检测技术有了很大的完善，它是利用热传感器针对某个方向分布的温度进行测试，其中使用的CCD传感器是负责图像采集的方法，还有燃烧成分气体探测方法1[1-2]。这些检测方法在工业火灾现场火焰检测比较多，热传感器就是根据检测的或延长分布温度曲线，构建数学模型，这样分析难度比较大，而且需要处理大量的数据2[3-4]。使用传感器CCD传感器进行火焰检测，图像算法分析比较复杂，成本较高。

在检测打火机火焰高度时没有较高的精度要求，但是能够实现在线检测的目的。本文分析的三极管原理，根据光电转换进行火焰高度检测，这种方法处理数据方便、使用原理简单、成本低、速度测量快，比较适合在线检测，很好的满足了检测打火机火焰高度是否合格的要求。

1 设计分析

1.1 检测和调整打火机火苗

调整和检测内容包括：（1）火苗检测判断装置的高度；（2）自动控制检测装置；（3）打火机检测夹具；（4）拉起气嘴检测机构；（5）火苗高度调整机构。

1.2 调整和检测打火机火苗工艺

在组装打火机半成品时，需要先进行打火机充气，之后检测和调整打火机火苗高度。相关的工艺步骤包括：拉起气嘴→引火→火苗检测高度→火苗高度判断→外齿轮转动，从而完成火苗高度调整。

2 方案设计

检测打火机火苗高度功能设计包括：（1）火苗高度调整选择电动机步进驱动齿轮机构；（2）选择PLC控制器和单片机构建自动控制装置；（3）使用气动气缸建立气嘴拉起结构；（4）使用V形气动快构成打火机夹具；（5）选择火电检测装置来判断火苗的高度。关于检测打火机高度检测逻辑见图1。

图1 打火机火苗高度检测逻辑

3 检测装置作用和动作

首先，点火装置。打火机使用的资源是送料机构提供，夹具负责夹紧；气缸中的气缸杆做向下运动，从而驱动连杆运动，触动大齿轮做向下运动，继而推动气阀和气嘴的运动，将气嘴打开，之后将引火装置点着。其次，火苗高度调整和检测。在黑室有火苗光线进入后，使用光电管导寻找火苗位置。在黑室中有3组平行排列，中间火苗和一组标准高度是一样的。在光导管3组都是导通的时候，火苗高度如果过高，电动机步进会驱动齿轮，从而牵动气阀进行旋转调整，减少气量，截止上面1组光电管。如果三组光电管都是截止，说明火苗的高度比较低，电动机步进是反向转动齿轮，促使气阀进行调节旋转，气量调整较大，从而促使光电管下边2组导通，造成光电管上边截止。

4 打火机火苗测量分析

4.1 测量原理

打火机内部使用的燃烧液体包括：丁烷、丙烷混合物，使用光谱进行燃烧火焰分析，光谱基本在900nm范围内集中，选择这部分光谱光电接收管进行分析。根据相关规律在火焰源适应范围中选择多个光敏管进行排列，通过判断光敏管是否感光信号明确该位置有无火焰，从而得到火焰测量高度值。光敏管物理相邻距离会影响火焰高度检测最小分辨率。通过电路高频数据采集光敏管输出信号，在传递给微处理器，之后将处理后的数据显示出来。见图2.

图2 测量原理图

4.2 仪器结构组成

检测仪打火机火焰高度检测结构见图3.它是由可调高度机构、底座、电路板支架、检测火焰罩、旋钮、检测火焰电路板、控制箱、液晶屏等构成。在底座垂直位置是安装的高度可调机构，利用螺钉、电路板支架将火焰检测电路板安装在可调高度机构上，三极管16个光敏等间距直线在检测火焰电路板上排列，其中两个三级管光敏相邻的光轴中心相距d是4.5mm，输出的火焰检测电路板信号利用线缆传递给控制箱。

图3 打火机火焰高度检测仪的结构

将旋钮转动这样可以实现电路板火焰检测随着高度变化移动机构，直到电路板火焰检测在地段三极管光敏光轴和风罩打火机对齐，点燃打火机按压开关按钮，这时利用三级光敏管进行打火机火焰辐射光波探测，这时电平输出会出现跳变情况。三级光敏管可以将输出电平信号与微处理器多个口线I/0进行连接，而微处理器会开启I/0扫描功能，从而得到跳变电平的I/0口N个数，得到打火机火焰高度h：

公式中，d是三级光敏管光轴的中心距，通过微处理器，结果可以显示在液晶屏中。

4.3 仪器精度完善

根据光敏管和火焰光源两者的特性和相对位置，受到外界环境干扰比较大，为了提高实验设计装置检测火焰高度的精度。本次测量方法会因为光面管物理尺寸而影响分辨力，会造成较大的实验误差，精度测量不够理想，所以，需要进行仪器的完善。

自然光影给火焰光谱的影响。因为自然光和打火机光谱比较相似，而且光电接收光谱带宽是固定的，很容易因为强烈的自然光给正常的光敏管检测造成影响3[5-6]。所以，这里可以采取将检测装置进行隔光处理，实验装置可以在暗室放置效果比较好。使用检测火焰电路添加一个有16个直径为1.5mm小孔的检测火焰罩，每个孔的中心先和三极光敏管光轴是重合的，这样可以将自然光影响消除。

气流给火焰稳定的影响。在实验测量中会因为环境气流的影响，而扰动打火机火焰的稳定情况，造成三级光敏瞬间监测无法达到火焰辐射探测广播，从而影响实验监测的火焰高度真实性，所以为了减少气流扰动造成的数据误差。

这里需要对环境气流扰动进行改善，但是这种改善会相应增加测量成本。比较经济性的解决对策就是使用相关仪器制造一个比较封闭的空间，并考虑到自然光隔离问题，可以将仪器放在一个较为封闭不透光的罩内。

打火机火焰源的不稳定。打火机属于低成本的产品，它是通过碰撞的压电陶瓷引起电荷点火产生火焰，点火装置比较简单。关于检测点着10s中的打火机火焰高度检测，在点着打火机火焰高度的瞬间是比正常要高，而且也会出现闪烁情况。对于不稳定的火焰源来说，一般选择20K样本频率数据系统采集光敏管信号，光敏管相应的时间存在不稳定性。后期需要将粗大误差通过相关软件进行排除，来减少闪烁现象造成的误差，从而保证检测火焰的高度数据准确性。

4.4 检测零位和打火机出口误差

机械装置零位和打火机出火口瞄准是以相同水平安装为标准，进行目测结果判断，这样会存在一定的误差，但是因为检测的打火机火焰高度误差不是很大可以忽略不计。

4.5 光敏管接收光强度的影响因素

在使用光敏管时，不仅会受到接收光谱范围的影响，还会因为物理尺寸产生影响。就是光通量接收理论的大小。光通量接收影响因素包含：光源强度的分布，光敏管和光焰对应的为孩子，以及火焰罩直径开孔的大小。经过实验，发现在直径火焰罩开孔是1.5mm情况下，可以得到高于火焰正常10mm的结果。还有想要保证检测结果的有效性，需要设置光敏管距离是2～3cm，这个距离检测可以减少相邻光敏管信号接收的数据准确性。