程 蔚，鄭洪慶

（閩南理工學(xué)院，工業(yè)自動化控制技術(shù)與信息處理福建省高校重點實驗室，福建 石獅362700）

隨著我國經(jīng)濟建設(shè)的飛速發(fā)展，大空間場所不斷增加，如動車站、高鐵站、會展中心、大型購物商場等。這種大空間場所內(nèi)部高度高、跨度大、人流量大，普通感煙、感溫火災(zāi)探測器，難以滿足這類建筑的報警要求[1]。

早期，采用紫外或單波段紅外火災(zāi)探測器，保護(hù)大空間建筑。但在實際應(yīng)用中抗干擾能力比較差，容易產(chǎn)生誤報[2]。在環(huán)境的適應(yīng)能力上，自然光、陽光、燈光、電焊等干擾源對傳統(tǒng)紅外火焰探測器會造成很大的影響，所以普通的紅外火焰?zhèn)鞲衅鞑荒芎芎玫貪M足火災(zāi)報警要求[4]。

雙波段紅外火焰探測器是在火焰與現(xiàn)場背景光進(jìn)行對比的條件下，通過算法處理實現(xiàn)火焰檢測，減少人工照明燈光、陽光、熱輻射等干擾的影響[5]。雙波段紅外火焰探測器適用于大空間場所。近幾年來，日本、英國等國家已成功將雙波段紅外火焰探測器應(yīng)用到地下及大空間建筑。

此外，有人利用攝像頭采集火焰圖像，通過機器視覺算法檢測火焰。雖然提取的火焰圖像的特征多，但開發(fā)技術(shù)難度大且開發(fā)周期長、造價高[6]。

綜上，本文設(shè)計了一種雙波段紅外火焰探測裝置。該裝置提高抗干擾能力，探測廣度大和探測距離遠(yuǎn)的特點，具有一定實用價值。

1 系統(tǒng)總體方案設(shè)計

以碳?xì)漕惢衔镆鸬幕馂?zāi)為主，其燃燒的輻射光譜圖如圖1所示。

圖1 碳?xì)漕惢衔锶紵妮椛涔庾V示意圖

其中區(qū)域III為到達(dá)地球表面的太陽輻射，區(qū)域II為紅外輻射，區(qū)域I為可見光。在輻射光譜示意圖中，可以清楚的觀察到，在紅外波長4.3 μm處附近，火焰輻射強度達(dá)到峰值；在峰值波段附近3.8 μm處輻射比較不明顯。

本文主要采用火焰與背景雙信息傳感技術(shù)，設(shè)計一種能夠準(zhǔn)確進(jìn)行火焰探測和精確報警、抗干擾能力強、探測視角大的雙波段紅外探測裝置。雙波段紅外火焰探測裝置方案，如圖2所示。紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘邮沼蔀V光片濾過的特定紅外光信號，通過選頻放大，濾波處理后，輸?shù)叫盘柼幚黼娐愤M(jìn)行運算、分析處理、判斷，最后輸出有無火焰信號。探測裝置的輸出設(shè)為繼電器開關(guān)量輸出，方便各種火災(zāi)報警系統(tǒng)使用。

圖2 雙波段紅外火焰探測裝置方案圖

2 光學(xué)設(shè)計

探測裝置濾光片主要是濾除其它無用波長的信號，讓特定的4.3 μm和3.8 μm紅外光信號進(jìn)入探測器。因此，選擇合適的探測裝置濾光材料可以提高探測裝置的抗干擾能力。

常用的紅外晶體材料有硅（Si）、鍺（Ge）、氟化鈣（CaF2）等。被廣泛地用于紅外透鏡、窗口、棱鏡等。幾種常用的紅外晶體材料的主要參數(shù)如表1所示。

表1 常用的紅外晶體材料的特性

氟化鈣晶體的機械強度好，抗潮性好，且對紅外波段有很高的透過率。氟化鈣晶體紅外透過率曲線如圖3所示。透射波長處于0.13～9 μm，其中0.4～7 μm的波長透過率高達(dá)90%。

圖3 氟化鈣晶體紅外透過率曲線

考慮探測裝置的具體使用環(huán)境、材料的性價比、并且能達(dá)到產(chǎn)品的功能要求的情況下，本設(shè)計采用氟化鈣材料作為雙波段紅外探測裝置的濾光片。

3 硬件電路設(shè)計

由于紅外火焰?zhèn)鞲衅鹘邮盏降幕鹧婕t外輻射信號，極易受到環(huán)境干擾。所以，信號處理電路設(shè)計需要重點解決兩種不同波長傳感器的靜態(tài)工作點、阻抗匹配、信號選頻放大、濾波等問題。本文對3.8 μm和4.3 μm紅外火焰?zhèn)鞲衅鞯男盘柼幚黼娐肥且恢碌?，以下只介紹4.3 μm傳感器信號的信號匹配與轉(zhuǎn)換電路、信號前置放大電路、選頻放大電路和濾波電路。

3.1 電源電路

考慮到傳感器產(chǎn)生的信號比較微弱，對電源要求高和整個線路板與探測裝置外殼組裝等。最后采用型號yaohua-KDY24D0303雙隔離輸出電源模塊，該模塊電源輸出具有短路保護(hù)功能（自恢復(fù)），具有精度高、穩(wěn)定性能好、體積小，適應(yīng)小型電子產(chǎn)品的設(shè)計需求，特別適用于對電壓穩(wěn)定度要求較高和對噪聲敏感的電路。yaohua-KDY24D0303電源模塊的輸出功率為1 W，輸入電壓24 VDC，輸出電壓3.3 VDC，引腳圖如圖4所示。

圖4 yaohua-KDY系列電源模引腳圖

3.2 傳感器信號匹配與轉(zhuǎn)換電路

信號匹配與轉(zhuǎn)換電路如圖5所示。Q1為場效應(yīng)管，與熱釋電紅外傳感器S2構(gòu)成自舉電路，用于擴大信號輸出電壓的范圍。電阻R81、R82為分壓電阻，確定傳感器S2的靜態(tài)工作點。電容C82、C81用于濾波，降低電源干擾。為了提高輸出信號的幅值，在信號輸出引腳與地線之間接了47 kΩ電阻R83。

圖5 信號匹配與轉(zhuǎn)換電路

3.3 信號選頻放大電路

火焰閃爍頻率雖然會受風(fēng)等周圍環(huán)境影響，但閃爍頻率基本在1～25 Hz范圍內(nèi)，且傳感器產(chǎn)生信號較微弱，采用三級選頻放大電路對信號進(jìn)行處理。本文采用低功耗、CMOS四路運算放大、有1 MHz的擴展帶寬的OPA4348芯片作為運算放大器。傳感器信號選頻放大電路如圖6所示。

圖6 信號選頻放大電路

OPA4348芯片的第一通道用做電壓跟隨器，另外三個通道對信號放大，共分為三級：分別為第一級Rb2、Cb2、Rb3、Cb3；第二級 Rb4、Cb4、Rb5、Cb5；第三級 Rb7、Cb7、Rb8、Cb8。另外這三級也構(gòu)成帶通濾波器，濾掉無用的信號，使火焰信號盡可能無衰減地通過。OPA4348運算放大器第一通道電壓跟隨器的輸出信號直接接到第一級選頻放大，第二、三級采用電容耦合，電容如圖中的Cb1和Cb6，可以去除直流成分。設(shè)計中，通過在運放同相輸入端加入直流偏置電壓，解決單電源運放產(chǎn)生的交流信號失真問題。

3.4 其它輔助電路

（1）報警信號輸出電路：探測裝置輸出信號為了方便與消防總控室連接，輸出信號采用無源繼電器開關(guān)量。信號輸出電路如圖7所示。

圖7 報警信號輸出電路

（2）靈敏度與通訊ID設(shè)置電路：通過該電路實現(xiàn)探測裝置靈敏度的設(shè)置和通訊ID的設(shè)置，來滿足不同場所的探測需要。探測裝置的探測靈敏度可現(xiàn)場靈活設(shè)定。此外，在大空間場所內(nèi)，為了能夠方便得知火災(zāi)發(fā)生在具體哪個區(qū)域內(nèi)，設(shè)計了通訊ID設(shè)置電路，為雙波段紅外火焰探測器提供編號。

靈敏度與通訊ID設(shè)置是通過單片機讀取撥碼開關(guān)各個引腳的電平實現(xiàn)的，其中前兩位用于靈敏度的設(shè)定，后四位用于通訊ID的設(shè)定。電路圖如圖8所示。

圖8 靈敏度與通訊ID設(shè)置電路

4 軟件設(shè)計

雙波段紅外火焰探測裝置，主要是對火焰信號進(jìn)行采樣，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后判斷是否有火災(zāi)信號。其技術(shù)指標(biāo)是探測器系統(tǒng)的快速性、準(zhǔn)確性、抗干擾性等。

在火焰信號和其它紅外輻射信號下，測得兩種傳感器的響應(yīng)信號，實驗波形如圖9所示。通道1為波長4.3 μm傳感器產(chǎn)生的信號；通道2為波長3.8 μm傳感器產(chǎn)生的信號。圖9（a）為兩種不同波長的傳感器檢測火焰信號時的波形圖，圖9（b）為兩種不同波長的傳感器檢測其它紅外輻射時的波形圖。

圖9 熱釋電紅外傳感器產(chǎn)生信號

如現(xiàn)有判斷火焰信號的算法有以下三種：

（1）焰特征頻率算法

采樣紅外傳感器的響應(yīng)信號，并進(jìn)行分析和計算響應(yīng)信號的頻率。因為火焰的頻率范圍在1～25 Hz的范圍內(nèi)跳動，所以該算法只要分析1～25 Hz之間的傳感器響應(yīng)信號即可。

（2）兩路傳感器信號對比關(guān)系算法

因為3.8 μm的傳感器不對火焰信號反應(yīng)，4.3 μm的傳感器對火焰信號有反應(yīng)，而這兩種傳感器均對熱輻射，日光燈，電弧焊火花等干擾源信號反應(yīng)，所以通過這兩種傳感器的相對信號的比較，可以正確檢測出火焰信號。

經(jīng)過對比，本文選用兩路傳感器信號對比關(guān)系算法來處理。算法程序的流程框圖如圖10所示。

圖10 雙波段紅外火焰探測裝置程序流程圖

雙波段紅外探測裝置的探測原理主要是對3.8 μm傳感器和4.3 μm傳感器兩路模擬信號進(jìn)行A/D采樣，接著對兩路信號進(jìn)行比較，最后輸出有無火焰報警信號。靈敏度ID與采樣閾值之間的關(guān)系如表2所示。

表2 靈敏度ID與采樣閾值關(guān)系

5 外殼設(shè)計

雙波段紅外火焰探測裝置的外觀如圖11所示。

圖11 雙波段紅外探測裝置外觀圖

通過對通光孔進(jìn)行倒角，使更多的紅外輻射進(jìn)入傳感器窗口，盡量減少傳感器視角的損失，如圖12所示。

圖12 擴大視角示意圖

6 實驗調(diào)試與結(jié)果分析

雙波段紅外火焰探測裝置實物如圖13所示。

圖13 雙波段紅外火焰探測器實物

當(dāng)外界沒有火焰時，雙波段火災(zāi)報警器現(xiàn)象如圖14所示，報警器沒有變化，兩路信號也沒有明顯變化。

圖14 無火焰時的現(xiàn)象

當(dāng)外界有火焰時，報警器的現(xiàn)象如圖15所示，報警器紅燈亮起，蜂鳴器發(fā)出警告聲，且4.3通道的信號有明顯變化。

圖15 有火焰時的現(xiàn)象

紅外傳感器的監(jiān)視范圍是拋物線錐體而不是等圓錐體，探測裝置的探測距離隨探測角度的變化而變化，如圖16所示。

圖16 傳感器監(jiān)視范圍示意圖

經(jīng)實地試驗測得，本設(shè)計的雙波段紅外探測裝置探測視角為90°，軸線探測最長距離40 m。

7 結(jié)束語

雙波段紅外火焰探測裝置是基于PIC18F2620單片機為核心構(gòu)建信號處理平臺，兩路傳感器信號通過預(yù)處理電路隔直，濾波，選頻放大處理之后，輸?shù)絾纹瑱C采樣。最后，單片機根據(jù)兩路傳感器信號對比關(guān)系算法判斷有無火災(zāi)存在，若有則發(fā)出火災(zāi)報警。目前該雙波段紅外火焰探測裝置正投入使用。