无线热释电明火报警终端研究

高安然，吴珂妮，胡立志，张梦圆，王飞飞

（1.华东师范大学 物理与电子科学学院 极化材料与器件教育部重点实验室，上海 200241；2.上海师范大学 数理学院，上海 200233）

0 引 言

火灾是一种极为频繁发生、易造成惨重人员伤亡和巨额经济损失的灾害，因此对火灾的早期预警和明火火源的探测定位就变得尤为重要。当前市面上的火灾探测器分为感烟、感温、感光等类型，而国内大规模普及的感烟探测器无法检测出无烟明火（如酒精等醇类起火等），这一缺陷带来了一定的安全隐患。目前市场上能够探测无烟明火的感光型点式红外火焰报警器价格非常昂贵，高达千元，很难民用普及，因此亟需开发一种低成本、高灵敏度、能够快速检测无烟明火的便携式红外火焰报警器，进而与感烟型火灾报警器配合使用推广。

钽酸锂（LiTaO）是目前较为广泛应用的热释电材料，具有较高的热释电系数、较小的介电常数和介电损耗，可使器件获得较高的探测率，其居里温度高达620 ℃，化学性能稳定，可在较高温度下工作。钽酸锂是制造低成本热释电红外探测器的优选材料。通过将钽酸锂块体精密减薄成30 μm 左右的晶片并溅射上红外吸收层来作为红外灵敏元，并配置低噪声的前置电压放大器以及4.3 μm～600 nm 的红外窄带滤光片，有望实现一种可大规模生产的低成本、高性能的热释电明火火焰探测器。

通过为热释电明火火焰探测器开发配套信号处理电路与信号采集分析嵌入式软硬件，以及机械外壳，可形成一种智能无线明火报警终端。本文介绍了从大视场角钽酸锂热释电探测器到智能无线明火报警终端等的核心元器件与整体系统设计，针对明火信号特征，实现了系统高效探测火焰信号与精准判断火情；利用无线通信模块连接手机APP，实现了智能控制和实时报警。

1 系统设计

智能无线明火报警终端系统的总体设计如图1 所示，物体燃烧过程中辐射的红外光通过光学前窗汇聚到热释电探测器敏感元，热释电探测器产生电压变化并输出微弱交变电压到信号处理电路；信号经过滤波、放大、整形后输出高信噪比的脉冲或交变信号；MCU 对A/D 信号分析决策，进而控制声光报警，并由蓝牙连接后上传手机终端。此外，为了提高该火焰探测器的环境适应性，可以通过调节信号处理电路设定不同的阈值，以探测不同强度和环境下的火焰。

图1 智能无线明火报警终端原理框图

2 热释电火焰探测器

2.1 探测器原理

热释电火焰探测器是一种基于热释电效应工作的红外辐射传感元件。热释电敏感元对明火释放的红外辐射波动极为灵敏，会产生较强的电信号响应。

本文设计的热释电火焰探测器采用单元型结构，内置一个灵敏元晶片，灵敏元材料为居里温度，远高于工作环境温度的钽酸锂（LiTaO）单晶。基于LiTaO单晶的热释电探测器具有灵敏度高、噪声低、响应快等优点。灵敏元输出端通过前置电路完成高阻抗向低阻抗的变换。

2.2 探测器模型

图2 为热释电探测器热学模型及等效电路图。经正弦调制的红外辐射(()=e)入射到热释电敏感元（面积为，厚度为）表面，灵敏元对红外辐射产生吸收，引起其温升Δ，同时灵敏元还会向外环境传导热量，使温度产生变化，热导用表示。

图2 热释电火焰探测器的热学模型及等效电路

该过程可以用热平衡方程表示：

式中：为灵敏元热容；为灵敏元红外辐射吸收率。通过上式可以得到灵敏元的温度变化为：

探测器根据放大电路工作类型，可以分为电流模式和电压模式。电流模式输出信号高且可调，通常不用二次放大。电压模式功耗低、结构简单、成本低。考虑到智能无线明火报警终端的低成本要求，本文探测器采用电压放大模式，如图3 所示。

电压模式放大电路由场效应管（JEFT）和电阻组成，其工作原理为热释电电流在电阻上形成压降，上的电压被场效应晶体管形成的源极跟随电路转换成低阻抗信号，即探测器的输出信号。图3c）为LiTaO热释电红外探测器实物图，其基本零部件包括了灵敏元晶片、电路板、封装管壳底座和管帽、滤光片、大电阻、JFET 等。整个元件结构简单、功耗低、稳定性好、使用方便。

图3 热释电火焰探测器电压模式放大电路图

2.3 探测器性能参数

热释电火焰探测器是整个智能终端系统的关键元件，其性能的优劣对于整个系统的性能具有决定性作用，因此优化和表征探测器的综合性能是系统设计的重要环节。探测器主要性能包括响应率、噪声和比探测率。探测器响应率反映了探测器在单位辐射功率下响应电压的大小，用表示。由热释电电流式（4）和电压放大模式电路跟随器特性，可以得到：

式中=为电时间常数，为灵敏元电容。

噪声的大小决定了探测器的探测极限，当噪声大于信号时，信号就会被噪声淹没，因此分析探测器的噪声具有重要意义。热释电红外探测器噪声主要包括：温度噪声、灵敏元介电损耗噪声、电阻约翰逊噪声N、JFET 电流噪声和电压噪声，各个噪声公式见表1。

表1 电压模式热释电红外探测器中的噪声来源

由于各个噪声是独立的，则总噪声可以表示为：

由于灵敏元面积的差异，探测器的噪声和响应率也会不同，一般用比探测率来反映探测器的综合性能：

2.4 探测器性能测试

图4 为热释电红外探测器响应和噪声的测试系统。基本原理为黑体辐射经斩波器调制后入射到探测器上，由温度控制器监控黑体温度，马达控制调制频率。探测器输出的信号和噪声由动态信号分析仪测量得到响应电压信号和噪声电压，计算可得响应率和比探测率。

图4 响应和噪声测试系统

黑体光阑口径为Φ10 mm，探测器到光阑的距离61 mm，灵敏元面积为1.4 mm×1.4 mm，匹配电阻为10 GΩ，并配备Φ6.3 mm 的大窗口蓝宝石滤光片，通过测试得到了探测器的响应率、噪声以及比探测率，如图5 所示。图5a）给出了该热释电探测器在有和无滤光片情况下电压响应率随频率变化的关系，图5b）为探测器噪声，无滤光片情况下比探测率随频率的变化关系如图5c）所示。同时测量了有、无滤光片的不同黑体温度的响应数据，设定调制频率为10 Hz，固定出光口径，改变黑体温度，范围300～530 K，通过动态信号分析仪读取10 Hz 处的输出电压，如图6 所示。

图5 LiTaO3热释电红外探测器响应和噪声特性

图6 LiTaO3热释电红外探测器温度响应曲线

3 报警终端硬件设计

3.1 信号处理电路设计

钽酸锂单晶热释电探测器的蓝宝石滤光片透过光谱中心波长为4.3 μm，带宽为600 nm，该波段覆盖了典型碳氢化合物燃烧的辐射主能量。报警终端可在火焰燃烧发生瞬间输出高信噪比的脉冲或交变信号，报警终端信号处理电路如图7 所示。红外辐射输入后，当信号达到阈值时，探测器信号经过三级电路输出高电平触发MCU，MCU 再实时采集输出信号并通过相应处理算法进行火焰判别。

图7 热释电火焰探测系统信号处理电路原理图

3.2 MCU 控制

系统数字电路部分由单片机、声光报警模块、蓝牙模块和电源模块组成。火焰信号SIG 传输给单片机定时器捕获通道，信号剧烈变化时，MCU 判断产生跳动的火苗并产生火警信号，即刻触发声光报警模块，警示灯高亮，扬声器鸣叫，同时将火警信息通过蓝牙模块上传手机APP 显示。程序设计以Keil5 为开发环境，采用识别算法测量脉冲信号频率与幅度，通过明火剧烈跳动的特性排除安全火源和雷电、电弧焊等外界辐射的干扰，实现火焰的精准判别。同时，系统软件设置不同探测灵敏度下的阈值，可以人工调节以确保智能报警终端满足不同场合下的工作需求。

3.3 外观设计

针对报警终端的特有安装环境，设计了独有的外观，结构图如图8 所示。报警终端的安装环境通常为墙面，本报警终端采用方形切面设计，适用于各类墙面墙角。开关位于顶部，探测视窗置于45°斜切面处，配合圆形视窗和报警指示灯。侧面为卡扣式安装，方便快捷，易于调试、更换电池等。电池采用轻量级的可充电锂电池，具有良好的续航能力，面对可能需要的户外安装环境时，可加装太阳能电池。

图8 报警终端外观结构图

4 系统测试与分析

在常温25 ℃、湿度60%、气压100 kPa 的条件下对该火焰报警终端进行点火测试。采用普通打火机作为火源，火焰高度为2 cm；计时开始后点火，熄灭；分别测试燃烧火焰中心距探测器10 cm，25 cm，50 cm 和100 cm处探测器的时域输出信号。由图9 信号特征可知：探测距离越远，信号脉冲宽度越窄；信号强度随探测距离的减小而增强。进一步测试发现，此智能报警装置对太阳光、人体、手电筒光照等具有很强的抗干扰能力，探测器的视场角可达120°。

图9 无线明火报警智能系统对真实火焰的测试图

如图9 所示，将报警终端安装在室内墙面上，报警终端距目标火源6 m。采用工业乙醇作为燃烧物，将其倾倒在直径13 cm 圆盘容器内作为火源。打开探测器开关，待自动调试完成后进行点火，可以观察到报警器产生声光报警，手机实时接收到报警信息。

5 结 论

本文设计的基于热释电探测器的无线明火报警智能终端，采用自主设计的大视场、高灵敏的热释电红外探测器，针对火焰4.3 μm 中心波段特征辐射进行高效检测；通过智能算法可识别火焰特征，消除漏报、误报。经实验验证，该智能终端具有120°探测视场，对直径为13 cm 的火焰探测距离达到6 m。整个终端成本低廉，适用于办公楼、商场、住宅、餐饮、宾馆等民用建筑，其在部分工业领域以及森林防火等户外领域，展现出较高的应用价值。