李文斌，張 卓，范賜恩，陳 迎，吳敏淵

(1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢 430070；2.上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201100)

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基于紫紅外傳感器的火焰探測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

李文斌1，張 卓2，范賜恩1，陳 迎1，吳敏淵1

(1.武漢大學(xué)電子信息學(xué)院，湖北武漢 430070；2.上海航天電子通訊設(shè)備研究所，上海 201100)

針對(duì)傳統(tǒng)的感煙、感溫、感光型火焰探測(cè)器的誤報(bào)率高，響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)的特點(diǎn)，研制了一種聯(lián)合使用紫外和紅外傳感器的火焰探測(cè)系統(tǒng)。該系統(tǒng)利用紫外傳感器探測(cè)火焰輻射出的處在日盲區(qū)波段的紫外光譜，同時(shí)使用紅外傳感器探測(cè)火焰輻射出的4.4 μm波段的紅外光譜，并結(jié)合快速傅里葉變換(FFT)提取火焰閃爍頻率的方法來(lái)識(shí)別火焰。實(shí)驗(yàn)表明，該方法有效地降低系統(tǒng)誤報(bào)率和漏報(bào)率，響應(yīng)時(shí)間小于1 s，探測(cè)距離達(dá)到5 m，對(duì)于糧倉(cāng)、易燃物品存放地的消防應(yīng)用有著重要的意義。

紫外傳感器；紅外傳感器；火焰探測(cè)；快速傅里葉變換；閃爍頻率；消防應(yīng)用

0 引言

糧倉(cāng)、易燃物品存放地等場(chǎng)所往往易于發(fā)生火災(zāi)，嚴(yán)重危害人們的生命和財(cái)產(chǎn)安全，所以對(duì)該類(lèi)場(chǎng)所的安防工作極其重要。傳統(tǒng)火災(zāi)探測(cè)器主要是感煙、感溫、感光型探測(cè)器[1-2]。感煙、感溫型探測(cè)器雖然漏報(bào)率很低，但是易受環(huán)境濕氣、溫度等因素的影響。感光型主要有兩種：紫外探測(cè)器和紅外探測(cè)器。傳統(tǒng)的感光性火焰探測(cè)器有單紫外，單紅外，雙紅外和三紅外探測(cè)器。紫外探測(cè)器響應(yīng)快速，對(duì)人和高溫物體不敏感，但有本底噪聲存在，且易受雷電、電弧等影響，紅外探測(cè)器易受高溫物體、人、日光等影響[3]，所以單紫外，單紅外探測(cè)易發(fā)生誤報(bào)現(xiàn)象。雙波段紅外和三波段紅外探測(cè)器響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，背景復(fù)雜情況下難以區(qū)分火焰和背景，誤報(bào)率較高。紫紅外探測(cè)器結(jié)合了紫外傳感器和紅外傳感器優(yōu)勢(shì)，互補(bǔ)不足，可以快速識(shí)別火焰，并且準(zhǔn)確率高。

目前已存在的紫紅外火焰探測(cè)器，其主要應(yīng)用在石油，煤礦等防爆場(chǎng)所，這類(lèi)型的產(chǎn)品對(duì)響應(yīng)速度要求極高[4]，處在惡劣的環(huán)境下使得誤報(bào)現(xiàn)象嚴(yán)重，而且對(duì)其外圍包裝有很高的防爆要求，成本高，不適用于民用場(chǎng)所。倉(cāng)庫(kù)環(huán)境相對(duì)較好，響應(yīng)時(shí)間要求較低，對(duì)探測(cè)器的外圍包裝無(wú)較高的防爆要求。鑒于此設(shè)計(jì)的紫紅外火焰探測(cè)器可快速探測(cè)到火焰信息，并有一定時(shí)間對(duì)其信號(hào)做算法處理，在快速響應(yīng)的同時(shí)提高了準(zhǔn)確率，適合于物質(zhì)倉(cāng)庫(kù)的防火應(yīng)用。

1 系統(tǒng)原理

通常，物質(zhì)燃燒會(huì)輻射紫外光、可見(jiàn)光、紅外光等光譜[5]?；鹧婀庾V輻射圖如圖1所示，在火焰所發(fā)出的紅外光譜內(nèi),4.4 μm波段處輻射強(qiáng)度最大[6]，而到達(dá)地面的太陽(yáng)光發(fā)出的紫外光波長(zhǎng)大于290 nm，且非透紫材料作為玻殼的電光源發(fā)出的紫外波長(zhǎng)也大于290 nm，故對(duì)物質(zhì)燃燒輻射出的290 nm以下的紫外波段探測(cè)能消除太陽(yáng)光、日光燈、高溫物體等強(qiáng)烈干擾源的影響[7]。此外，火焰的閃爍頻率通常在5～25 Hz內(nèi)，主要集中在7～12 Hz，并且閃爍頻率不隨火焰與傳感器的距離改變[8]。

圖1 火焰輻射光譜圖

系統(tǒng)選用了探測(cè)4.4 μm紅外波段的碳酸鋰紅外傳感器和探測(cè)160～260 nm紫外波段的紫外光電管，為了增加探測(cè)距離，系統(tǒng)在紅外傳感器上增加了菲涅爾透鏡[9]。系統(tǒng)微處理器選擇STM32F103VET6，這款A(yù)RM芯片相對(duì)DSP來(lái)說(shuō)成本較低，主頻可達(dá)到72 MHz，內(nèi)部有512 kB Flash,和64 kB SRAM，內(nèi)含21通道的12位AD轉(zhuǎn)換器，其強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理能力，能快速處理火災(zāi)信息，容易實(shí)現(xiàn)FFT等高性能識(shí)別算法[10]。系統(tǒng)電路如圖2所示，主要由紫外光探測(cè)電路、紅外光探測(cè)電路、紅外放大電路、STM32微處理器的信號(hào)處理電路以及報(bào)警電路組成。

圖2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖

2 硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 紫外傳感與信號(hào)處理

紫外光電管是利用物質(zhì)在光的照射下發(fā)射電子的所謂外光電效應(yīng)而制成的光電器件。陰極涂有光電發(fā)射材料，當(dāng)特定波段內(nèi)的紫外光照射到陰極上時(shí)就會(huì)有電子逸出，陽(yáng)極可收集逸出的電子，在外電場(chǎng)的作用下形成電流[11]。其應(yīng)用電路圖如圖3所示，當(dāng)紫外光存在時(shí)，C1在電路中會(huì)重復(fù)進(jìn)行充放電過(guò)程，從而產(chǎn)生尖峰脈沖。為了便于檢測(cè)，系統(tǒng)對(duì)尖峰脈沖通過(guò)比較電路對(duì)其整形，然后送入處理器中，其中R3=R4，設(shè)定比較電壓為1.65 V，電路將脈沖信號(hào)送入處理器中進(jìn)行計(jì)數(shù)。

圖4中顯示了輸出脈沖個(gè)數(shù)與紫外線(xiàn)強(qiáng)弱的關(guān)系，當(dāng)紫外光飽和時(shí)脈沖數(shù)目很多且密，當(dāng)紫外光變?nèi)鯐r(shí)，脈沖數(shù)減少且變稀，而當(dāng)無(wú)紫外光時(shí)，紫外光電管也會(huì)存在一定的本底噪聲，但脈沖數(shù)相當(dāng)稀少，而且脈沖間間隔時(shí)間相對(duì)很長(zhǎng)[12]。系統(tǒng)選用的GD-2J型紫外光電管典型靈敏度在1 000～2 000 cps，反應(yīng)時(shí)間<50 ms。

圖3 紫外光電管應(yīng)用電路圖

圖4 紫外光強(qiáng)弱與輸出脈沖的關(guān)系

2.2 紅外放大電路設(shè)計(jì)

在紅外光譜探測(cè)中，碳酸鋰紅外傳感器的輸出信號(hào)為模擬量，且較為微弱[13]，需要設(shè)計(jì)適宜的前置放大電路。系統(tǒng)放大電路如圖5所示。該放大電路是用兩級(jí)放大，放大時(shí)加入2.5 V直流偏置，為了使直流信號(hào)不被放大，使用C1，C2，C4，C5進(jìn)行隔直，放大倍數(shù)都各為51倍，總放大增益為68 dB。由于處理器是3.3 V供電，所以放大后的信號(hào)經(jīng)過(guò)R8，R9分壓后送入處理器。

圖5 紅外探測(cè)前置放大電路

2.3 報(bào)警電路設(shè)計(jì)

報(bào)警電路由指示燈和揚(yáng)聲器組成，當(dāng)判別到有火焰時(shí)，指示燈閃爍，且揚(yáng)聲器發(fā)出報(bào)警信號(hào)，電路如圖6所示。

圖6 報(bào)警電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

3.1 系統(tǒng)算法依據(jù)

紫外光電管靈敏度很高，響應(yīng)快速，探測(cè)160～260 nm波段的紫外光可消除太陽(yáng)光，高溫物體，人，日光燈等影響。然而紫外光電管的靈敏度越高，噪聲也將越高，從圖4可以看出無(wú)紫外光時(shí)它也存在著脈沖輸出，即本底噪聲，為了消除紫外光電管的本底噪聲干擾，系統(tǒng)加入了對(duì)火焰紅外光譜的探測(cè)。利用紫外光電管可消除紅外探測(cè)中許多干擾，紅外光譜的探測(cè)則可消除紫外光電管的本地噪聲的影響。

圖7顯示了打火機(jī)的火焰、電烙鐵晃動(dòng)和日光燈的FFT變換頻譜圖，從圖中可以看出火焰的閃爍頻率滿(mǎn)足在5～25 Hz內(nèi)。日光燈的頻率則比較單一，通常是 50 Hz或100 Hz.高溫物體大部分保持恒溫，或變化的頻率很低，如電烙鐵則需人為晃動(dòng)，其頻率由晃動(dòng)頻率決定，可能造成紅外的誤判，由于紫外對(duì)其不敏感，實(shí)際效果中，高溫物體并不會(huì)引起誤報(bào)。因而保留火焰的閃爍頻率信號(hào)，可防止紫外噪聲存在的同時(shí)也有紅外干擾源存在的這種情況發(fā)生，降低了誤報(bào)率。

(a)打火機(jī)FFT頻譜

(b)電烙鐵FFT頻譜

(c)日光燈FFT頻譜圖7 典型火焰頻譜與干擾源頻譜對(duì)照

3.2 系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

系統(tǒng)軟件流程圖如圖8所示，系統(tǒng)首先判斷是否有紫外光存在，然后再對(duì)紅外信號(hào)進(jìn)行處理，提取頻率信號(hào)，若有紫外和紅外存在，且提取的頻率信息滿(mǎn)足要求，則可認(rèn)為火焰存在，發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

為防止火焰的突變?cè)斐杉t外信號(hào)頻率的誤判，等到紫外脈沖后需延時(shí)5 ms。A/D采樣頻率設(shè)為1 250 Hz。數(shù)字濾波器為基于布萊克曼窗的高階FIR低通濾波，截止頻率45 Hz。為提取火焰的閃爍頻率，信號(hào)經(jīng)過(guò)FFT變換處理，F(xiàn)FT頻率分辨率為2.44 Hz，從FFT結(jié)果中篩選出幅度最高的點(diǎn)對(duì)應(yīng)的頻率是否滿(mǎn)足在5～25 Hz內(nèi)作為判別依據(jù)。由于火焰閃爍頻率較低，電路干擾、濾波器的不理想可能使得噪聲頻率混入其中，給頻率的判斷帶來(lái)影響，所以在FFT之前設(shè)定了電壓閾值50 mV。最終火焰判別依據(jù)如下：出現(xiàn)了2個(gè)或以上紫外脈沖且A/D結(jié)果中有電壓值超過(guò)0.5 V；在520 ms內(nèi)有紫外脈沖，濾波后的紅外信號(hào)電壓值有超過(guò)50 mV，且紅外信號(hào)頻率在5～25 Hz內(nèi)。這兩者的前提是紫外脈沖和紅外信號(hào)出現(xiàn)的間隔時(shí)間不超過(guò)總采樣所用的時(shí)間，即520 ms左右，有上述兩種情況之一，則認(rèn)為有火焰。

圖8 軟件流程圖

4 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與結(jié)果分析

測(cè)試紫紅外火焰探測(cè)系統(tǒng)的抗誤報(bào)性能，實(shí)驗(yàn)利用白熾燈、手電筒、手機(jī)閃光照相、陽(yáng)光直射和反射、日光燈、電烙鐵、人為走動(dòng)等干擾源對(duì)系統(tǒng)測(cè)試，都無(wú)報(bào)警。表1顯示了紫紅外探測(cè)系統(tǒng)和單紫外、單紅外探測(cè)系統(tǒng)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明系統(tǒng)抗誤報(bào)能力強(qiáng)。為測(cè)試系統(tǒng)的抗漏報(bào)性能，實(shí)驗(yàn)使用打火機(jī)在0.5 m、2 m、5 m處分別對(duì)系統(tǒng)點(diǎn)火100次。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表2所示，紫紅外火焰探測(cè)系統(tǒng)漏報(bào)率最大不超過(guò)2%。同時(shí)利用高速相機(jī)對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間測(cè)量，系統(tǒng)最快響應(yīng)時(shí)間<550 ms，最長(zhǎng)響應(yīng)時(shí)間<1 s。

表1 系統(tǒng)誤報(bào)實(shí)驗(yàn)比較

注：總次數(shù)10次

表2 火焰距離對(duì)漏報(bào)率的影響

5 結(jié)論

紫紅外火焰探測(cè)系統(tǒng)通過(guò)探測(cè)火焰所發(fā)出的特定波段的紫外和紅外光譜信息，并且提取火焰閃爍頻率的方法，克服了傳統(tǒng)型火焰探測(cè)器誤報(bào)率高的特點(diǎn)，縮短了系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間，同時(shí)保證了火焰識(shí)別的準(zhǔn)確率。系統(tǒng)成本適中，安裝時(shí)盡量避免陽(yáng)光直射，適用于糧倉(cāng)，易燃物品存放地等需要檢測(cè)火焰的場(chǎng)所，對(duì)消防安全有著積極的意義。

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Design and Implementation of Flame Detection SystemBased on Ultraviolet Sensor and Infrared Sensor

LI Wen-bin1，ZHANG Zhuo2，F(xiàn)AN Ci-en1，CHEN Ying1，WU Min-yuan1

( 1.School of Electronic Information,Wuhan University,Wuhan 430070,China;2.Shanghai Institute of Aerospace Electronic Communications Equipment,Shanghai 201100,China)

Aiming at the defects that the traditional smoke sensor,heat sensor and photosensitive sensor are both of high false alarm rates and with long response time,this paper designed a flame detection system combined with ultraviolet and infrared sensors.The system used ultraviolet sensor to detect band-blind ultraviolet spectrum,and it utilized infrared sensor to detect infrared spectrum of 4.4 μm wavelength radiated from the flame and extracted the flame flicker frequency with Fast Fourier transform (FFT) to identify the flame.Experiments show that this method can effectively reduce the false alarm rate and non-response rate of the system.Response time of the system is less than one second,and its detection range can be up to 5 meters.Therefore,this system is of great important for the fire protection application such as granary and flammable storage places.

ultraviolet sensor;infrared sensor;flame detection;fast Fourier transform;flicker frequency;fire protection application

2014-03-17 收修改稿日期：2014-10-11

TP277

A

1002-1841(2015)03-0056-04

李文斌(1990—)，碩士，主要研究方向?yàn)殡娐放c系統(tǒng)。 E-mail:2012202120093@whu.edu.cn 張卓(1980—)，工程師，主要從事測(cè)試與控制方向的研究。 E-mail:mark_zhangzhuo@163.com