一种双波段红外火焰探测装置的研制

程 蔚，郑洪庆

（闽南理工学院，工业自动化控制技术与信息处理福建省高校重点实验室，福建 石狮362700）

随着我国经济建设的飞速发展，大空间场所不断增加，如动车站、高铁站、会展中心、大型购物商场等。这种大空间场所内部高度高、跨度大、人流量大，普通感烟、感温火灾探测器，难以满足这类建筑的报警要求[1]。

早期，采用紫外或单波段红外火灾探测器，保护大空间建筑。但在实际应用中抗干扰能力比较差，容易产生误报[2]。在环境的适应能力上，自然光、阳光、灯光、电焊等干扰源对传统红外火焰探测器会造成很大的影响，所以普通的红外火焰传感器不能很好地满足火灾报警要求[4]。

双波段红外火焰探测器是在火焰与现场背景光进行对比的条件下，通过算法处理实现火焰检测，减少人工照明灯光、阳光、热辐射等干扰的影响[5]。双波段红外火焰探测器适用于大空间场所。近几年来，日本、英国等国家已成功将双波段红外火焰探测器应用到地下及大空间建筑。

此外，有人利用摄像头采集火焰图像，通过机器视觉算法检测火焰。虽然提取的火焰图像的特征多，但开发技术难度大且开发周期长、造价高[6]。

综上，本文设计了一种双波段红外火焰探测装置。该装置提高抗干扰能力，探测广度大和探测距离远的特点，具有一定实用价值。

1 系统总体方案设计

以碳氢类化合物引起的火灾为主，其燃烧的辐射光谱图如图1所示。

图1 碳氢类化合物燃烧的辐射光谱示意图

其中区域III为到达地球表面的太阳辐射，区域II为红外辐射，区域I为可见光。在辐射光谱示意图中，可以清楚的观察到，在红外波长4.3 μm处附近，火焰辐射强度达到峰值；在峰值波段附近3.8 μm处辐射比较不明显。

本文主要采用火焰与背景双信息传感技术，设计一种能够准确进行火焰探测和精确报警、抗干扰能力强、探测视角大的双波段红外探测装置。双波段红外火焰探测装置方案，如图2所示。红外火焰传感器接收由滤光片滤过的特定红外光信号，通过选频放大，滤波处理后，输到信号处理电路进行运算、分析处理、判断，最后输出有无火焰信号。探测装置的输出设为继电器开关量输出，方便各种火灾报警系统使用。

图2 双波段红外火焰探测装置方案图

2 光学设计

探测装置滤光片主要是滤除其它无用波长的信号，让特定的4.3 μm和3.8 μm红外光信号进入探测器。因此，选择合适的探测装置滤光材料可以提高探测装置的抗干扰能力。

常用的红外晶体材料有硅（Si）、锗（Ge）、氟化钙（CaF2）等。被广泛地用于红外透镜、窗口、棱镜等。几种常用的红外晶体材料的主要参数如表1所示。

表1 常用的红外晶体材料的特性

氟化钙晶体的机械强度好，抗潮性好，且对红外波段有很高的透过率。氟化钙晶体红外透过率曲线如图3所示。透射波长处于0.13～9 μm，其中0.4～7 μm的波长透过率高达90%。

图3 氟化钙晶体红外透过率曲线

考虑探测装置的具体使用环境、材料的性价比、并且能达到产品的功能要求的情况下，本设计采用氟化钙材料作为双波段红外探测装置的滤光片。

3 硬件电路设计

由于红外火焰传感器接收到的火焰红外辐射信号，极易受到环境干扰。所以，信号处理电路设计需要重点解决两种不同波长传感器的静态工作点、阻抗匹配、信号选频放大、滤波等问题。本文对3.8 μm和4.3 μm红外火焰传感器的信号处理电路是一致的，以下只介绍4.3 μm传感器信号的信号匹配与转换电路、信号前置放大电路、选频放大电路和滤波电路。

3.1 电源电路

考虑到传感器产生的信号比较微弱，对电源要求高和整个线路板与探测装置外壳组装等。最后采用型号yaohua-KDY24D0303双隔离输出电源模块，该模块电源输出具有短路保护功能（自恢复），具有精度高、稳定性能好、体积小，适应小型电子产品的设计需求，特别适用于对电压稳定度要求较高和对噪声敏感的电路。yaohua-KDY24D0303电源模块的输出功率为1 W，输入电压24 VDC，输出电压3.3 VDC，引脚图如图4所示。

图4 yaohua-KDY系列电源模引脚图

3.2 传感器信号匹配与转换电路

信号匹配与转换电路如图5所示。Q1为场效应管，与热释电红外传感器S2构成自举电路，用于扩大信号输出电压的范围。电阻R81、R82为分压电阻，确定传感器S2的静态工作点。电容C82、C81用于滤波，降低电源干扰。为了提高输出信号的幅值，在信号输出引脚与地线之间接了47 kΩ电阻R83。

图5 信号匹配与转换电路

3.3 信号选频放大电路

火焰闪烁频率虽然会受风等周围环境影响，但闪烁频率基本在1～25 Hz范围内，且传感器产生信号较微弱，采用三级选频放大电路对信号进行处理。本文采用低功耗、CMOS四路运算放大、有1 MHz的扩展带宽的OPA4348芯片作为运算放大器。传感器信号选频放大电路如图6所示。

图6 信号选频放大电路

OPA4348芯片的第一通道用做电压跟随器，另外三个通道对信号放大，共分为三级：分别为第一级Rb2、Cb2、Rb3、Cb3；第二级 Rb4、Cb4、Rb5、Cb5；第三级 Rb7、Cb7、Rb8、Cb8。另外这三级也构成带通滤波器，滤掉无用的信号，使火焰信号尽可能无衰减地通过。OPA4348运算放大器第一通道电压跟随器的输出信号直接接到第一级选频放大，第二、三级采用电容耦合，电容如图中的Cb1和Cb6，可以去除直流成分。设计中，通过在运放同相输入端加入直流偏置电压，解决单电源运放产生的交流信号失真问题。

3.4 其它辅助电路

（1）报警信号输出电路：探测装置输出信号为了方便与消防总控室连接，输出信号采用无源继电器开关量。信号输出电路如图7所示。

图7 报警信号输出电路

（2）灵敏度与通讯ID设置电路：通过该电路实现探测装置灵敏度的设置和通讯ID的设置，来满足不同场所的探测需要。探测装置的探测灵敏度可现场灵活设定。此外，在大空间场所内，为了能够方便得知火灾发生在具体哪个区域内，设计了通讯ID设置电路，为双波段红外火焰探测器提供编号。

灵敏度与通讯ID设置是通过单片机读取拨码开关各个引脚的电平实现的，其中前两位用于灵敏度的设定，后四位用于通讯ID的设定。电路图如图8所示。

图8 灵敏度与通讯ID设置电路

4 软件设计

双波段红外火焰探测装置，主要是对火焰信号进行采样，并进行数据处理，最后判断是否有火灾信号。其技术指标是探测器系统的快速性、准确性、抗干扰性等。

在火焰信号和其它红外辐射信号下，测得两种传感器的响应信号，实验波形如图9所示。通道1为波长4.3 μm传感器产生的信号；通道2为波长3.8 μm传感器产生的信号。图9（a）为两种不同波长的传感器检测火焰信号时的波形图，图9（b）为两种不同波长的传感器检测其它红外辐射时的波形图。

图9 热释电红外传感器产生信号

如现有判断火焰信号的算法有以下三种：

（1）焰特征频率算法

采样红外传感器的响应信号，并进行分析和计算响应信号的频率。因为火焰的频率范围在1～25 Hz的范围内跳动，所以该算法只要分析1～25 Hz之间的传感器响应信号即可。

（2）两路传感器信号对比关系算法

因为3.8 μm的传感器不对火焰信号反应，4.3 μm的传感器对火焰信号有反应，而这两种传感器均对热辐射，日光灯，电弧焊火花等干扰源信号反应，所以通过这两种传感器的相对信号的比较，可以正确检测出火焰信号。

经过对比，本文选用两路传感器信号对比关系算法来处理。算法程序的流程框图如图10所示。

图10 双波段红外火焰探测装置程序流程图

双波段红外探测装置的探测原理主要是对3.8 μm传感器和4.3 μm传感器两路模拟信号进行A/D采样，接着对两路信号进行比较，最后输出有无火焰报警信号。灵敏度ID与采样阈值之间的关系如表2所示。

表2 灵敏度ID与采样阈值关系

5 外壳设计

双波段红外火焰探测装置的外观如图11所示。

图11 双波段红外探测装置外观图

通过对通光孔进行倒角，使更多的红外辐射进入传感器窗口，尽量减少传感器视角的损失，如图12所示。

图12 扩大视角示意图

6 实验调试与结果分析

双波段红外火焰探测装置实物如图13所示。

图13 双波段红外火焰探测器实物

当外界没有火焰时，双波段火灾报警器现象如图14所示，报警器没有变化，两路信号也没有明显变化。

图14 无火焰时的现象

当外界有火焰时，报警器的现象如图15所示，报警器红灯亮起，蜂鸣器发出警告声，且4.3通道的信号有明显变化。

图15 有火焰时的现象

红外传感器的监视范围是抛物线锥体而不是等圆锥体，探测装置的探测距离随探测角度的变化而变化，如图16所示。

图16 传感器监视范围示意图

经实地试验测得，本设计的双波段红外探测装置探测视角为90°，轴线探测最长距离40 m。

7 结束语

双波段红外火焰探测装置是基于PIC18F2620单片机为核心构建信号处理平台，两路传感器信号通过预处理电路隔直，滤波，选频放大处理之后，输到单片机采样。最后，单片机根据两路传感器信号对比关系算法判断有无火灾存在，若有则发出火灾报警。目前该双波段红外火焰探测装置正投入使用。