(中國計量學院計量測試工程學院，浙江 杭州 310018)

0 引言

推進劑作為化學品罐裝加壓物質(zhì)廣泛應(yīng)用于日常產(chǎn)品中，燃燒和爆炸是其物理危害最為突出的表現(xiàn)形式。在聯(lián)合國TDG、GHS及歐盟REACH等?；贩ㄒ?guī)[1-2]中，火焰高度是評定化學品火焰特定、確定的燃燒狀態(tài)的重要參數(shù)[3]?？扇嘉镔|(zhì)存在的狀態(tài)不同，燃燒形式多種多樣，燃燒的強度、火焰的形態(tài)及波長都不盡相同?，F(xiàn)有常用的檢測方法為人工目測法和基于機器視覺的圖像檢測法。目測法因火焰跳動和對無色火焰的不敏感性，難以準確捕捉火焰高度，特別是化學品檢測過程存在較大危險。基于機器視覺的圖像檢測法是火焰高度檢測的常用方法，因系統(tǒng)復(fù)雜、圖像處理算法繁瑣等難以適應(yīng)各種強度和波長的火焰而存在一定局限[4-6]。

本文基于化學品分類鑒定過程中多形態(tài)、寬光譜的火焰高度檢測需求，給出了一種廣譜火焰高度檢測方法。其特點是以光熱傳感陣列為核心的梳狀火焰檢測部件，雙火焰檢測部件錯位鏡像布局可擴展信息參數(shù)，運用小區(qū)間光強分布計算火焰高度。標準光源高度試驗和多類型化學品火焰高度檢測結(jié)果表明，本文提出的廣譜火焰高度檢測方法能夠有效檢測火焰高度。

1 火焰檢測機構(gòu)

目前，被認定為危險化學品的物質(zhì)有3萬多種，它們的燃燒形式多樣，燃燒過程存在火焰脈動和肉眼不易覺察的淡藍色火焰[7]。為明確化學品燃燒火焰情況，對泡沫氣霧劑、定型摩絲、丙烷及酒精等典型易燃化學品的燃燒火焰進行光譜檢測，結(jié)果如圖1所示。

圖1 典型易燃化學品燃燒光譜

由圖1可以看出，不同類型物質(zhì)光譜的波長分布范圍相差較大且強度各異，使用單一傳感器難以覆蓋較大的廣譜范圍。物質(zhì)燃燒的化學反應(yīng)過程將釋放光、熱和聲輻射等大量能量。為此，采用光譜感應(yīng)范圍為0.4～0.8 μm的光敏傳感器陣列檢測可見光，采用光譜感應(yīng)范圍為5.5～15 μm的紅外熱釋電傳感器陣列檢測紅外光，輸出信號強度與光強呈線性關(guān)系。兩組傳感器陣列高250 mm，相距10 mm，滿足化學品火焰寬譜檢測需求，其結(jié)構(gòu)分布如圖2所示。

圖2 傳感器分布示意圖

傳感器陣列在傳感器檢測角度范圍和光線入射角度的綜合影響下，火焰尖端光線易斜向上入射至高于火焰實際位置的傳感器而引起高度誤判。為減弱和消除非水平方向的雜散光并精確捕捉火焰尖端高度，根據(jù)傳感器陣列形狀設(shè)計的梳狀遮光裝置如圖3所示。

圖3 梳狀遮光裝置

圖3中：L=45 mm為單個遮光板長，相鄰遮光齒的間距為10 mm,D為透光孔高度，θ為遮光板斜面角度。透光孔中心線與傳感器光軸重合，單元遮光板安裝于傳感器之間，以分割火焰高度并消除水平方向外的其他光線干擾。在空間分布上，為提高檢測分辨力，在檢測區(qū)域另一側(cè)安裝呈錯位鏡像布局的檢測板，即一側(cè)檢測模塊的遮光板與另一側(cè)檢測模塊的透光孔水平相對，右側(cè)檢測模塊比左側(cè)檢測模塊高5 mm。

雙火焰檢測模塊的錯位鏡像分布可提高檢測精度，但易使傳感器檢測時受到對面遮光板端面的光線干擾。因此,將遮光板設(shè)計為斜面，使火焰光線反射后偏離檢測區(qū)域，消除干擾。根據(jù)極限條件，即定點定量物質(zhì)燃燒時火焰最下端的光線入射到最上端的遮光板斜面反射后剛好偏離檢測區(qū)，求得遮光板斜面角度θ=17.3°。為便于加工，實際斜面傾角為20°。

由于遮光裝置表面經(jīng)噴砂和發(fā)黑處理，非直接入射透光孔的光線強度經(jīng)過多次漫反射和吸收后非常弱，只有直接入射到透光孔的光線是影響檢測的重要因素。因此,透光孔理論上越小越好。配合傳感器尺寸要求，透光孔高度D為3 mm。在化學品燃燒定點定量測試情況下，為使陣列中相鄰傳感器檢測區(qū)域不重疊，計算調(diào)整遮光板到火焰的水平距離為105 mm。

2 火焰小區(qū)間光強分布算法

梳狀火焰高度檢測模塊分割火焰高度，在每個高度上得到光熱兩個傳感器信號，光敏傳感器為主要檢測傳感器，紅外熱釋電傳感器補充目標信息。在暗室檢測環(huán)境下，火焰的有無在信號幅值及其梯度輸出上有較大差異性。硬件初始濾波后，傳感器信號未檢測到火焰時輸出為零。

根據(jù)兩類傳感器對各種物質(zhì)光譜的感應(yīng)程度，對其加權(quán)求和，得到信號輸出為：

(1)

式中：a1、a2為左側(cè)火焰檢測裝置的光敏傳感器和紅外熱釋電傳感器陣列檢測到的信號；b1、b2為右側(cè)火焰檢測裝置的光敏傳感器和紅外熱釋電傳感器陣列檢測到的信號；k1、k2為加權(quán)系數(shù)；i=[1,2,…，26]為基于火焰基端的陣列傳感器編號。

錯位鏡像分布的火焰檢測裝置如圖4所示。

圖4 火焰高度檢測示意圖

在分割火焰高度時，梳狀火焰高度檢測模塊的鏡像錯位安裝進一步細分了火焰高度檢測區(qū)域。相鄰傳感器檢測區(qū)域之間存在1 mm左右的不重疊檢測區(qū)s3，有效避免了在相對傳感器檢測臨界點無法區(qū)分火焰高度位置。傳感器檢測區(qū)域存在3個對稱的遮光板檢測范圍，其將中心軸上的高度分成s1、s2兩部分，且s1=s2+s3。

根據(jù)傳感器是否有信號輸出，某時刻火焰左側(cè)傳感器陣列檢測到最高火焰位置的傳感器編號為i，右側(cè)傳感器陣列能檢測到最高火焰位置的傳感器編號為j。由于左側(cè)傳感器陣列比右側(cè)高5 mm，對同一火焰高度有傳感器編號i≥j，則火焰高度近似表示為：

(2)

初步估計火焰高度，火焰高度范圍為[10i,10i+s1](i=j)或[10i-s2,10i](i>j)，在此區(qū)域內(nèi)，光強近似均勻分布。

由于火焰的脈動性，在實際檢測過程中，火焰尖端抖動對高度檢測存在較大的干擾，易造成高度的誤判。在初始火焰高度計算的基礎(chǔ)上，在火焰尖端所在區(qū)間，通過光強分布進一步逼近真實高度。

假設(shè)火焰尖端區(qū)間內(nèi)的火焰高度為x，當i=j時，可得：

(3)

從而求得：

(4)

則修正后的火焰高度為：

(5)

同理，當i>j時，火焰高度為：

(6)

對火焰高度進行分割，并根據(jù)小區(qū)間光強分布分析模擬真實火焰分布，以消除火焰尖端抖動干擾。同時，通過軟件記錄傳感器感應(yīng)火焰的時間計算火焰持續(xù)時間，實現(xiàn)多波長、多形態(tài)火焰高度的定量、非接觸、低成本檢測。

3 實測結(jié)果及分析

LED是一種固態(tài)半導(dǎo)體發(fā)光器件，可近似為朗伯光源[8-9]。將LED以5mm等間距直線排列構(gòu)成線光源，通過軟件設(shè)置LED亮滅模擬不同火焰高度。采用本文火焰高度檢測方法得到的檢測數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 標準光源模擬檢測數(shù)據(jù)

由表1可以看出，線陣光源模擬的火焰高度檢測誤差≤2 mm。為進一步驗證火焰高度檢測技術(shù)對化學品定量燃燒火焰高度的檢測效果，在標準試驗情況下，對泡沫摩絲、酒精、清潔劑和上光蠟4種典型易燃化學品進行定點定量燃燒試驗。檢測時在與火焰高度同高區(qū)域加裝標尺，并用高速攝像機記錄化學品燃燒過程；計算標尺中火焰的高度值并與本文方法的檢測數(shù)據(jù)作比較，結(jié)果如表2所示。

由表2可知,采用本文檢測方法得到的火焰高度能較好地接近火焰的真實高度，檢測精度高。

表2 化學品火焰高度檢測數(shù)據(jù)

4 結(jié)束語

本文針對易燃化學品火焰高度檢測中存在的火焰多形態(tài)、寬光譜問題，提出了一種快速、低成本的廣譜火焰高度檢測方法。具體設(shè)計了針對火焰高度的檢測機構(gòu)，以分割并檢測火焰高度；采用光、熱雙傳感器的傳感器陣列，擴大了火焰光譜檢測范圍；采用梳狀遮光罩，消除了非水平方向的雜散光影響。在此基礎(chǔ)上針對火焰的尖端擾動，根據(jù)小區(qū)間光強分布計算，進一步提高了檢測分辨率。經(jīng)試驗結(jié)果認定，相對于傳統(tǒng)圖像檢測方法，該檢測方法成本低，在易于工程化實現(xiàn)的條件下檢測精度高。

[1] United Nations.Recommendations on the transport of dangerous goods manual of tests and criteria fourth revised edition.ST/SG/AC.10/11/Rev.4.

[2] 郭永華,張偉,王琛.氣霧劑易燃性檢測和分類[J].檢驗檢疫學刊,2011,21(1):55-58.

[3] 邱文靜,侯德鑫,陳善偉.基于燃燒模型的微弱火焰高度檢測[J].傳感器與微系統(tǒng),2011,30(10):141-143.

[4] 矯德強,江虹,騰玉娟,等.基于圖像處理的啤酒灌裝高度檢測方法研究[J].氣象水文海洋儀器，2005(2):22-26.

[5] 陳志斌,胡隆華.基于圖像亮度統(tǒng)計分析火焰高度特征[J].燃燒科學與技術(shù),2008,14(6):557-561.

[6] 仇高賀.打火機火焰高度自動測量研究[J].儀器儀表與分析監(jiān)測,2009(4):9-11.

[7] Palacios A,Muoz M,Casal J.An experimental study of the main geometrical features of the flame in subsonic and sonic regimes[J].Environmental and Energy Engineering,2008,55(1):256-263.

[8] 王學仁.基于LED的CCD校準用光源的設(shè)計[D].西安:西安工業(yè)大學,2011.

[9] 全先榮.點陣式輻射定標光源的研究[D].長春:中國科學院研究生院長春光學精密機械與物理研究所,2011.