【摘 要】本文介紹了一種新型紅外傳感器Lie302的性能特點，并對其工作原理進行了分析，對該傳感器的工作電路以及在大空間消防領(lǐng)域的具體應(yīng)用作了闡述。

【關(guān)鍵詞】紅外熱釋電傳感器 特征光譜 探測靈敏度

一、引言

紅外探測技術(shù)在當今世界有著非常廣泛的應(yīng)用，如軍事上的導(dǎo)彈制導(dǎo)、人造衛(wèi)星的遙感遙測、溫度探測、安防消防等等。紅外探測的理論基礎(chǔ)就是利用物體由于自身的溫度所產(chǎn)生的紅外輻射，研究不同波長紅外線的性質(zhì)。同時紅外線又具有光的散射、折射等特性，再根據(jù)不同物質(zhì)對紅外光的透過率、吸收率的不同。研制出各種紅外探測器，如用于氣體分析的紅外氣體分析儀、用于探測人體紅外的防盜探測器、熱成像儀、測溫儀、搜索跟蹤系統(tǒng)等。

本文介紹的就是一種專門探測火焰的熱釋電紅外傳感器Lie302，它是德國InfraTec公司開發(fā)的產(chǎn)品，由于此類傳感器有很多應(yīng)用于軍事方面，所以多為歐美國家研制，國內(nèi)很少。當我們應(yīng)用于火災(zāi)探測時，首先要對火焰的光譜進行分析，同時還要排除可能影響探測的因素，這樣才能準確探測火災(zāi)?；鹧姘l(fā)出的光從紫外到中紅外都有，其波長因溫度的差異而不同，溫度受制于燃燒物質(zhì)的種類和可用氧氣量。特定波長與溫度中的輻射能量，依據(jù)史提芬-波茲曼定律（Stefan-Boltzmann Law）出現(xiàn)感應(yīng)的理想時機，是在輻射能量達最高峰時，亦即出現(xiàn)峰值（peak）的波長。該波長為4.4μm，同時由于太陽光無法釋放4.4μm的紅外線領(lǐng)域波長，排除了最大的干擾光源，我們把該波長稱之為火焰特征光譜。熱釋電晶體的電流具有與晶體材料的溫度變化率有關(guān)的特性，這也就決定了熱釋電傳感器對運動物體或溫度變化的物體反應(yīng)，而火焰就具有抖動特性，它也成為火焰探測的關(guān)鍵之一。

我們在大空間消防領(lǐng)域中，利用Lie302傳感器研制成功一種能夠自動定位噴水滅火的高空水炮。它通過兩級紅外探測火焰，能夠準確確定火點位置，然后自動噴水滅火。這種傳感器能夠有效濾除其它波長的光，只透過火焰特征光譜，保證探測火焰的準確性。InfraTec公司有很多種型號傳感器具有探測火焰的特性，我們綜合考慮性價比，感覺Lie302除在性能可滿足探測需要之外，價格也較其它型號便宜，因此下面我們將詳細介紹該傳感器的性能特點。

二、Lie302傳感器結(jié)構(gòu)性能及特點

（一）原理概述：

該傳感器的光敏層是由鋰鉭酸鹽單一晶體化合物組成，是一種熱電晶體。紅

外光通過傳感器的窗口（由特殊材料制成的紅外光過濾器）后，在晶體上產(chǎn)生一個變化的溫度Δt，從而產(chǎn)生電信號。這種極微弱的電流經(jīng)傳感器內(nèi)部場效應(yīng)管的阻抗變換后輸出，獲得一個較高的電壓變化信號。

（二）性能特點：

探測靈敏度D*值和噪聲密度是決定探測距離的重要指標，安防上常用的人體紅外探測，其距離常在10多米，而探測火焰?zhèn)鞲衅魍缶嚯x最小超過20米，遠的達到百米，一般要求D*值至少要大于108，才能滿足要求。該傳感器在靈敏度和噪聲密度方面指標都很好。

窗口濾波器的透光指標是一個重要指標是，這也是區(qū)分不同類型熱釋電紅外傳感器的核心，該傳感器采用的是窄帶濾鏡，只透過4.06～4.4μm的光，其它波長的光都被濾除掉，保證探測火焰的準確性。

測量技術(shù)最?？紤]的干擾因素就是溫度，對于熱釋電傳感器更為突出；很小的溫度變化就會在傳感器內(nèi)產(chǎn)生一個明顯的低頻信號，所以我們在設(shè)計時可以根據(jù)需要選用帶溫度補償?shù)膫鞲衅?，可以保證探測穩(wěn)定。

三、Lie302紅外傳感器在火災(zāi)探測上的應(yīng)用

（一）電路設(shè)計：

我們設(shè)計的自動定位高空水炮是一種機電一體智能水炮，它內(nèi)部具有多只紅

外傳感器用于火災(zāi)的探測及定位。由于設(shè)備安裝高度可達25米，探測半徑達到30米，所以紅外探測有效距離達到40米。由于探測的信號非常微弱，要求對紅外信號進行放大，放大倍數(shù)在數(shù)千倍到上萬倍左右?；鹧嫒紵龝r會產(chǎn)生抖動現(xiàn)象，一般頻率在4～20Hz，所以設(shè)計放大電路時要選用帶通濾波放大電路，直流及較高頻率信號得到有效抑制。本電路采用+5V供電，放大器要選用低噪聲運放，經(jīng)三級放大得到一個變化幅度較大的信號，再經(jīng)比較器整形為脈沖信號。下圖是經(jīng)過試驗后的電路。

（二）信號探測處理

采用增加2V的偏置電壓同時對比較器分別設(shè)置2.4V和1.6V的上下閾值電壓，得到的脈沖信號可以將傳感器的正負電壓變化都有效反應(yīng)出來，同時消除放大器偏移電壓和電流對變化信號的影響，在單片機的I/O口對脈沖計數(shù)時，也可以提高計數(shù)率。

（三）火災(zāi)探測方面的應(yīng)用

我們將兩只Lie302傳感器應(yīng)用在自動定位高空水炮上，分別用于水平、垂直兩級火焰探測定位上，由設(shè)備內(nèi)部的單片機對傳感器的信號作判斷處理。高空水炮是一種要求可靠性非常高的滅火設(shè)備，任何誤報和漏報都將產(chǎn)生嚴重的后果。所以我們研究了各種火焰燃燒時傳感器響應(yīng)的波形，以及影響因素（如電磁波干擾、變化的可產(chǎn)生高溫的燈光等），增加金屬屏蔽措施，在設(shè)計軟件上，采用連續(xù)判斷5～10秒計數(shù)率的方式，根據(jù)火焰抖動的頻率，設(shè)定適當?shù)拈撝?；目前按此設(shè)計研制的產(chǎn)品已經(jīng)在市場上得到了廣泛的應(yīng)用。

參考文獻：

[1]Infra Tec 技術(shù)文檔

作者簡介：

馮文庭，工程師

冀 輝，工程師