侯 霄

身份證號(hào)：210302198208292132

基于紫外線檢測(cè)技術(shù)的火焰強(qiáng)度測(cè)量系統(tǒng)研究與設(shè)計(jì)

侯 霄

身份證號(hào)：210302198208292132

火焰強(qiáng)度的定量檢測(cè)技術(shù)在火災(zāi)的防治，鍋爐系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室等領(lǐng)域有著重要的應(yīng)用。本文介紹了一種通過火焰燃燒光譜中的紫外線檢測(cè)技術(shù)來定量分析火焰強(qiáng)度方法。論述了一個(gè)基于紫外光敏傳感器的驅(qū)動(dòng)及采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，分析了低功耗高壓發(fā)生電路，背景噪聲過濾技術(shù)及定量采集系統(tǒng)的原理。該設(shè)計(jì)具有廣泛的應(yīng)用前景。

火焰探測(cè)；紫外線檢測(cè)；強(qiáng)度測(cè)量；定量分析

1 引言

火災(zāi)是威脅人們生命安全和社會(huì)發(fā)展的重大危害之一，火焰探測(cè)是火災(zāi)預(yù)防上的關(guān)鍵技術(shù)，其大多采用光譜檢測(cè)原理，通過對(duì)燃燒光譜的定性分析，達(dá)到對(duì)火焰的判定。隨著社會(huì)發(fā)展，僅對(duì)火焰的定性探測(cè)已無法滿足在火災(zāi)防治技術(shù)上的發(fā)展，而通過火焰定量檢測(cè)推動(dòng)了對(duì)不同火災(zāi)的等級(jí)的處理技術(shù)及產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)。此外在鍋爐系統(tǒng)或發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室檢測(cè)也有著廣泛的應(yīng)用空間。

2 火焰光譜檢測(cè)技術(shù)

物資燃燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生大量能量，以電磁波的形式向周圍輻射，形成火焰輻射光譜，其跨越紫外線、可見光、紅外線三個(gè)頻帶。對(duì)應(yīng)的檢測(cè)火焰可用紅外、紫外和可見光檢測(cè)技術(shù)，由于可見光檢測(cè)受環(huán)境干擾很大，一般都采用紅外檢測(cè)和紫外檢測(cè)技術(shù)。常利用波長(zhǎng)小于300nm的紫外線，或者火焰特有的CO2共鳴的CO2原子團(tuán)的發(fā)光光譜，故波長(zhǎng)4.35μm附近是用于紅外火焰探測(cè)的重要波段。為應(yīng)對(duì)不同的燃燒物質(zhì)及使用環(huán)境，目前普遍使用的火焰探測(cè)器有單紅外型、雙紅外型、三紅外型、紫外型及紅外加紫外復(fù)合傳感器，目的是通過對(duì)火焰光譜不同波段的復(fù)合判定提高火焰判定的準(zhǔn)確性。

3 紫外線檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)勢(shì)

火焰的紫外線檢測(cè)僅對(duì)185-260nm波長(zhǎng)狹窄范圍內(nèi)的中紫外波段響應(yīng)，而對(duì)其他范圍光譜不敏感。通過大氣層到達(dá)地面的太陽光和絕大部分電光源發(fā)出的輻射光譜均大于300nm的波段，這使得紫外檢測(cè)方式有效避開了其他光源在火焰光譜探測(cè)上造成的復(fù)雜背景。

紫外線檢測(cè)原理是基于外光電效應(yīng)，當(dāng)金屬及半導(dǎo)體材料受到光線照射時(shí)，如果入射的光子能量足夠大，它和物質(zhì)中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出的現(xiàn)象，稱為光電發(fā)射效應(yīng)，基于這種效應(yīng)的光電器件稱為紫外光敏管，主要有真空光電管、光電倍增管等。由于紫外線檢測(cè)采用光子檢測(cè)手段，因而具有較高的信噪比，具備微小信號(hào)檢測(cè)能力，并且具有響應(yīng)時(shí)間極快的特點(diǎn)。

相比紅外檢測(cè)技術(shù)，紫外檢測(cè)技術(shù)更加可靠，具備高靈敏度、高輸出、高響應(yīng)速度和應(yīng)用電路簡(jiǎn)單等特點(diǎn)

4 系統(tǒng)組成

系統(tǒng)組成框圖

4.1 紫外光敏管

當(dāng)從火焰來的輻射到達(dá)光電管的陰極板時(shí)，陰極的電子就開始流動(dòng)。當(dāng)流動(dòng)的電子靠近陽極時(shí)就開始加速，它們與光電管中充滿著的可離子化的氣體分子相碰撞。這種碰撞就會(huì)產(chǎn)生更多的電子，從而產(chǎn)生被稱為蓋革--米勒管的雪崩放電現(xiàn)象。這樣大量的電子釋放會(huì)從陰極到陽極產(chǎn)生瞬時(shí)電流。而這種瞬時(shí)電流的大小與UV輻射的強(qiáng)度成正比。

4.2 高壓驅(qū)動(dòng)及滅弧電路

紫外線光敏管常需要在陽極UV-A外加350V左右的高電壓進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，但僅需nA級(jí)的微小驅(qū)動(dòng)電流，另外檢測(cè)儀表的外供電源一般采用直流低壓電源或干電池，這樣就需要設(shè)計(jì)一套高效率升壓驅(qū)動(dòng)電路。另外光敏管一旦開始放電，就會(huì)處于一種自保持放電方式，即使紫外線消失，仍有放電電流存在，這樣就不能持續(xù)有效的檢測(cè)紫外線。光敏管不具備抑制火花的功能，必須從外部加入滅弧電路?？刹捎弥芷谛缘販p小UV-A電壓，使其低于驅(qū)動(dòng)電壓門限的方法防止放電電流的自保持。

該系統(tǒng)首先采用施密特觸發(fā)器搭建多諧振蕩器電路，通過充放電阻容元件調(diào)整振蕩頻率，再通過另一施密特觸發(fā)器做波形整形，得到一個(gè)固定頻率的脈沖信號(hào)。這個(gè)信號(hào)控制一個(gè)低壓場(chǎng)效應(yīng)管，用來驅(qū)動(dòng)升壓變壓器的初級(jí)線圈，變壓器匝數(shù)比1：70，在次級(jí)線圈可得到一個(gè)峰值350V左右的正弦波。然后在輸出端通過二極管及電容搭建峰值保持電路，電容需選用小容量高壓瓷片電容，推薦0.047uF容量耐壓1KV以上。最后連接到光敏管的陽極上，用以驅(qū)動(dòng)光敏管正常工作。

4.3 噪聲過濾方法

光敏管的響應(yīng)信號(hào)雖然是電流信號(hào)，但需要通過合適的采樣電阻轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)，這樣電路上的一些噪聲干擾會(huì)在光敏管輸出端UV-K端耦合一些脈沖信號(hào)，與光敏管的正常響應(yīng)信號(hào)相比，其特點(diǎn)是峰值較小或脈寬較窄，用來過濾這部分的干擾比較理想。該系統(tǒng)采用濾波電容和電壓比較器的方式對(duì)這部分噪聲進(jìn)行過濾及響應(yīng)信號(hào)的整形，根據(jù)噪聲的范圍調(diào)整濾波電容參數(shù)和比較電壓。

測(cè)試環(huán)境的干擾也會(huì)使光敏管發(fā)生響應(yīng)信號(hào)，由于屬于正常響應(yīng)，無法通過上述方式進(jìn)行過濾，因此需要二次的干擾過濾。根據(jù)環(huán)境干擾源的響應(yīng)普遍特點(diǎn)是不穩(wěn)定性，與火焰閃爍光譜的區(qū)分較為明顯，火焰燃燒閃爍的一個(gè)峰值時(shí)段會(huì)在光敏管輸出端產(chǎn)生一定數(shù)量的脈沖，而干擾源的脈沖量很少且不穩(wěn)定。該系統(tǒng)采用計(jì)數(shù)器電路對(duì)單位時(shí)間內(nèi)脈沖數(shù)累加輸出，計(jì)數(shù)值通過撥碼開關(guān)調(diào)整，也就是火焰判定的閥值。

4.4 定量分析原理

光敏管產(chǎn)生蓋革--米勒放電后，光電管的內(nèi)阻變小，使電子開關(guān)導(dǎo)通。電容器上的電壓通過光敏管、限流電阻和電子開關(guān)迅速放電。當(dāng)電容器上電壓下降到光敏管著火電壓以下時(shí)，光敏管截止，電子開關(guān)斷開，電源又對(duì)電容器充電。當(dāng)電容器上電壓達(dá)到著火電壓后，光照陰極逸出的電子在外電場(chǎng)作用又形成電流，使光電管內(nèi)阻變小，電子開關(guān)導(dǎo)通，重復(fù)上述過程。每重復(fù)一次，電子開關(guān)產(chǎn)生一個(gè)脈沖，這樣電子開關(guān)就輸出一串脈沖。脈沖的頻率決定紫外光照的強(qiáng)度大小。光照越強(qiáng)，頻率越高。通過測(cè)量脈沖頻率就可以測(cè)得紫外光照的強(qiáng)度。

該系統(tǒng)采用MCU對(duì)測(cè)量脈沖頻率進(jìn)行采集，結(jié)合燃燒物質(zhì)、測(cè)量距離、濾鏡等輔助參量進(jìn)行綜合分析，最后通過人機(jī)交互平臺(tái)反饋火焰強(qiáng)度值。

[1] 吳龍標(biāo)， 袁宏永.火災(zāi)探測(cè)與控制工程[M].合肥：中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社.

[2] 潘復(fù)興. 應(yīng)用于特殊行業(yè)的光電火焰探測(cè)技術(shù)[J].消防技術(shù)與產(chǎn)品信息， 2007(5)： 63～67.