周 磊 ，趙黎華 ，李 翔 ，楊 華

（1.天津出入境檢驗檢疫局，天津 300457；2.天津市檢驗檢疫科學技術研究院，天津 300457；3.天津科技大學 材料科學與化學工程學院，天津 300457）

當前，輕工和紡織制品這些與人類日常生活密切接觸的消費品，它的阻燃安全性已引起國內(nèi)外廣大民眾的高度關注，各國政府也先后提出多項阻燃性能的法規(guī)標準。但因其所涉及的項目眾多，而且阻燃檢測的標準需模擬燃燒來驗證，故在計算中就引入了人工意識的影響因素，加之多種檢測模擬條件的差異性和待測樣品數(shù)量的“爆炸式”增長，都對阻燃檢測的智能化、快速化提出了前所未有的要求。為達到自動檢測纖維、織物、塑料消費品等阻燃性能的目的，開發(fā)了一套燃燒性能自動檢測系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的垂直燃燒儀進行智能化改造，增加傳感器和終點判定的信號探頭，最終實現(xiàn)了對燃燒時間、燃燒距離、燃燒種類等智能化、自動化檢測，在代替人工操作的同時，提高了效率也消除了人工誤差。

1 系統(tǒng)的構成及功能

系統(tǒng)由燃燒儀、前端傳感器、下位機、工業(yè)級相機、上位機5部分組成。其中，燃燒儀符合阻燃性能的測定[2]，續(xù)燃陰燃的時間可以任意設定，在上位機發(fā)送開始燃燒信號的同時按下自動點火按鈕實現(xiàn)對被測材料的燃燒。前端傳感器包括紅外溫度傳感器，CO、Cl2氣體電化學傳感器。下位機處理系統(tǒng)包括STM8S系列單片機以及外圍信號處理電路。工業(yè)相機采用高速CCD數(shù)字相機。上位機操作系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺為VC++6.0。

本檢測系統(tǒng)采用上下位機配合并對目標燃燒物進行測定。下位機通過氣體傳感器對燃燒中產(chǎn)生的CO和Cl2的濃度進行采集以及通過紅外溫度傳感器對目標溫度進行采集，通過RS232信息傳輸系統(tǒng)，將氣體濃度、燃燒性質(zhì)、燃燒時間在上位機上實現(xiàn)實時化、圖形化、自動化的呈現(xiàn)。同時系統(tǒng)還具有“溫度學習能力”，即對于同一種類的待測物體，可以只進行一次燃燒，上位機軟件就可以實時記錄此次的溫度范圍。用戶可以據(jù)此溫度設置測試物的溫度，以判斷燃燒的性質(zhì)。上位機軟件中有實時視頻，可以看到物質(zhì)的燃燒狀態(tài)。它還會對工業(yè)相機采集到的燃燒圖像進行圖像處理，從而達到對燃燒距離的判定。檢測系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 垂直燃燒自動檢測系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of vertical combustion automatic detection system

2 檢測系統(tǒng)的實現(xiàn)

檢測系統(tǒng)主要由傳感器和相機，下位機控制系統(tǒng)，上位機控制系統(tǒng)等部分組成，圖2中傳感器模塊與下位機開發(fā)板的接插件直接連接MCU的ADC模塊，經(jīng)過MCU采集與處理后，通過下位機開發(fā)板上的RS232接口與上位機連接并進行通信。工業(yè)相機與上位機通過USB線相連接，可以將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C軟件進行圖像處理。

圖2 模塊連接示意圖Fig.2 Module connection diagram

2.1 傳感器和相機

2.1.1 工業(yè)相機與鏡頭

采用的是工業(yè)級相機，分辨率為2048×1536，成像效果比CMOS更加逼真和細膩。鏡頭采用變焦工業(yè)鏡頭，可手動調(diào)節(jié)光圈和焦距，鏡頭成像效果好，圖像清晰，滿足系統(tǒng)的研究。相機的觀測距離和焦距滿足的公式是1 mm=7像素尺寸，所以測量精度3.45μm/像素×7像素=24.15μm完全滿足測量精度1mm的要求。相機采用USB2.0接口，傳輸速度達到480 Mb/s。

2.1.2 傳感器

（1）TN901 紅外測溫模塊

紅外測溫模塊[1]解決了傳統(tǒng)測溫中需要接觸的弊端。該模塊回應速度快，測量精度高，測量范圍廣并且可以同時測量環(huán)境溫度和目標溫度。配合凌陽的SPCE061A模塊即可成為一個測量距離達30 m的非接觸式溫度測量計。模塊具備SPI接口，方便與MCU連接。其工作電壓3 V～5 V，反應時間是1 s。測量范圍是（-33～220）℃，滿足對燃燒物品陰燃和續(xù)燃時溫度的判斷。因為紅外溫度傳感器通過紅外線感知物體溫度，所以傳感器的擺放、角度和距離等因素都會對它的測量有影響。

（2）CO 和 CL2電化學傳感器

系統(tǒng)采用CO和Cl2電化學傳感器[5]，它的每一個電極都有特殊的用途。對于三電極傳感器，其電勢是感應電極、參考電極和對電極電勢之和。電化學傳感器在推薦的工作氣體濃度范圍內(nèi)輸出信號與氣體濃度成線性關系，可以用公式：輸出信號（μA）=靈敏度 μA/（mg·L-1）×氣體濃度（mg·L-1）。 系統(tǒng)采用的是無偏壓電化學傳感器。根據(jù)分辨率的不同其中CO傳感器能分辨出最少1（mg·L-1）的CO氣體，Cl2傳感器能分辨出最少 0.1（mg·L-1）的 Cl2氣體，優(yōu)于系統(tǒng)要求的靈敏度 10（mg·L-1）。

2.2 下位機系統(tǒng)

下位機采用ST公司推出的高性能8位MCU即STM8S系列單片機，通過信號調(diào)理后將模擬電信號進行A/D轉(zhuǎn)換實現(xiàn)對CO和Cl2濃度的采集[6]。處理速度高達 16 MHz，氣體采集的精度可達 10（mg·L-1）。采用紅外溫度傳感器對目標溫度進行采集，并通過目標溫度來對燃燒性質(zhì)進行判斷，解決材料燃燒時間和損毀距離的自動化檢測。通過RS232串口將氣體濃度和燃燒的性質(zhì)以及燃燒的時間發(fā)送到上位機。上位機接收到下位機上傳的數(shù)據(jù)并進行判斷和實時顯示。

2.2.1 下位機軟件及流程

下位機采用的軟件平臺為Keil uVision4，最新集成開發(fā)環(huán)境RealView MDK，其編譯器、調(diào)試工具實現(xiàn)了與ARM器件的最完美匹配，采用C語言對系統(tǒng)進行開發(fā)。

圖3為軟件流程，下位機上電進入“等待”，等上位機通過發(fā)送“開始”命令。開始之后，下位機通過傳感器獲取實時溫度和待測氣體的濃度，防止氣體的濃度突變，取4次平均值，并保存了氣體濃度的最大值。依據(jù)實時溫度的變化率來判斷燃燒的性質(zhì)。出現(xiàn)“熄滅”、“陰燃”或“續(xù)燃”后將結果通過RS232發(fā)送到上位機。上位機收到結果后，計算燃燒時間和燃燒距離。

2.2.2 功能實現(xiàn)

下位機可以精確地反映燃燒物質(zhì)在燃燒過程中產(chǎn)生的有害氣體濃度的變化過程。MCU將采集的數(shù)據(jù)通道RS232串口傳輸給上位機軟件，并通過溫度傳感器使用GPIO模擬SPI從模式讀取溫度值，實時采集燃燒目標的溫度，并通過一定的算法處理判斷燃燒的結果。具體判斷方法為：（1）續(xù)燃：測量溫度大于62℃或者溫度快速升高的次數(shù)多于2次（大于3℃定義為快速升高）即溫度快速升高了6℃，即判斷為續(xù)燃。（2）陰燃：測量溫度在32℃～62℃之間并且溫度緩慢上升的次數(shù)多于5次（0℃～2℃定義為緩慢升高），即判斷為陰燃。（3）熄滅：溫度低于32℃即為熄滅，溫度比設定的熄滅溫度低則判定為熄滅。最終將燃燒結果傳到上位機顯示。

圖3 下位機軟件流程Fig.3 Flow chart of lower computer

2.3 上位機系統(tǒng)

上位機的主要功能是通過串口通訊對接收到的下位機處理過的氣體濃度、燃燒類別等數(shù)據(jù)在上位機對應界面進行實時的顯示。對相機觸發(fā)后采集的燃燒圖像進行圖像處理，能夠自動和手動測量燃燒的距離。

2.3.1 上位機系統(tǒng)軟件及流程

上位機系統(tǒng)采用的軟件平臺為VC++6.0，開發(fā)語言為C++，流程圖如圖4所示，開始命令發(fā)出后，程序向串口發(fā)出開始燃燒信號。當燃燒結束時有效數(shù)據(jù)將會被寫入到文檔。之后圖像將會被存儲和顯示。存儲圖像之后顯示測量距離的最終結果。

對照保存的圖像進行手動測量需要打開手動測量距離的程序，選中要測量的距離，進行顯示結果和結果寫入文檔。

2.3.2 功能實現(xiàn)

上位機實時顯示界面如圖5所示，點擊圖中菜單欄的“PLAY”可觀測到物體燃燒的整個過程。

主界面的右側可觀察到數(shù)據(jù)顯示與更新。點擊“開始燃燒”按鈕，同時按下燃燒儀的點火按鈕進行點火。上位機通過USART通知采集系統(tǒng)開始采集，此時操作界面能夠?qū)崟r顯示CO和Cl2的實時濃度，精度達到了0.1（mg·L-1）。同時，采集系統(tǒng)通過紅外溫度傳感器采集目標物體的實時溫度，通過經(jīng)驗值和一定的算法，來判斷物體燃燒性質(zhì)，并能夠在“燃燒類別”中實時更新[1]。等待紅外溫度傳感器判斷燃燒結束后，最終的燃燒類別都是熄滅，此時一次測量結束。系統(tǒng)將自動計算燃燒總時長、CO和Cl2的最大濃度值，以及自動測量燃燒的距離值。所謂自動測量燃燒的距離就是將工業(yè)相機攝取的模擬圖像信號進行采樣并存儲在寄存器中，計算機會通過像素分布和亮度、顏色等信息將模擬信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號，圖像系統(tǒng)會對這些信號進行二值化處理和輪廓跟蹤處理。通過將待測物燃燒之前和燃燒之后的圖像輪廓及像素進行對比，從而確定燃燒的距離值[4]。而手動測量燃燒的距離則是當燃燒結束后根據(jù)保存的符合測量要求的圖像，手動選取測量的區(qū)域[3]。

圖4 上位機軟件流程Fig.4 Flow chart of PC software

圖5 實時顯示界面Fig.5 Interface of real-time display

3 實驗結果

實驗通過對海綿燃燒的檢測達到對燃燒性能自動檢測系統(tǒng)的驗證測試，燃燒試驗開始后，系統(tǒng)自動記錄燃燒時間以及在燃燒時產(chǎn)生CO和Cl2的濃度，在海綿燃燒終止時，對燃燒的性能進行判定。圖6為某次燃燒效果的展示，并對燃燒的距離進行手動測量。圓圈內(nèi)的區(qū)域即為手動測量的范圍，通過像素的對比轉(zhuǎn)換得到燃燒距離。

圖6 手動測量距離Fig.6 Manual measuring distance

表1為選取的4組海綿燃燒之后界面數(shù)據(jù)的記錄對比。圖7為燃燒目標溫度和溫度變化率。

表1 海綿燃燒實驗結果對比表Tab.1 Experimental results comparison table of sponge combustion

圖7 實驗結果Fig.7 Experimental result

通過海綿的燃燒試驗，得到海綿燃燒中Cl2的濃度幾乎為0，CO的含量較多，采集的氣體靈敏度能夠達到10（mg·L-1），通過燃燒的目標溫度值的范圍和目標溫度值的變化率可以判斷出海綿燃燒性質(zhì)為續(xù)燃，每次實驗的燃燒距離在60 mm左右，每次燃燒的響應時間在 0.1 s，燃燒時間在（0.3～0.4）s之間。

4 結語

本檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)對受測材料燃燒終點的判定，能夠識別出有火苗和無火苗的燃燒；利用圖像采集過程中的自帶標尺測量，實現(xiàn)對被測材料起始至燃燒終點距離的自動化測量。集成傳感器，實現(xiàn)對燃燒試驗箱內(nèi)煙霧中CO和Cl2含量的測定。本文在模擬燃燒過程中，對化學分解衍生物能夠做出準確的初篩，為產(chǎn)品的風險評估做出科學判定，能夠科學、有效地對下一步阻燃性能檢測指標的選取提供技術依據(jù)。

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