高安然，吳珂妮，胡立志，張夢圓，王飛飛

（1.華東師范大學(xué) 物理與電子科學(xué)學(xué)院 極化材料與器件教育部重點實驗室，上海 200241；2.上海師范大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，上海 200233）

0 引 言

火災(zāi)是一種極為頻繁發(fā)生、易造成慘重人員傷亡和巨額經(jīng)濟損失的災(zāi)害，因此對火災(zāi)的早期預(yù)警和明火火源的探測定位就變得尤為重要。當前市面上的火災(zāi)探測器分為感煙、感溫、感光等類型，而國內(nèi)大規(guī)模普及的感煙探測器無法檢測出無煙明火（如酒精等醇類起火等），這一缺陷帶來了一定的安全隱患。目前市場上能夠探測無煙明火的感光型點式紅外火焰報警器價格非常昂貴，高達千元，很難民用普及，因此亟需開發(fā)一種低成本、高靈敏度、能夠快速檢測無煙明火的便攜式紅外火焰報警器，進而與感煙型火災(zāi)報警器配合使用推廣。

鉭酸鋰（LiTaO）是目前較為廣泛應(yīng)用的熱釋電材料，具有較高的熱釋電系數(shù)、較小的介電常數(shù)和介電損耗，可使器件獲得較高的探測率，其居里溫度高達620 ℃，化學(xué)性能穩(wěn)定，可在較高溫度下工作。鉭酸鋰是制造低成本熱釋電紅外探測器的優(yōu)選材料。通過將鉭酸鋰塊體精密減薄成30 μm 左右的晶片并濺射上紅外吸收層來作為紅外靈敏元，并配置低噪聲的前置電壓放大器以及4.3 μm～600 nm 的紅外窄帶濾光片，有望實現(xiàn)一種可大規(guī)模生產(chǎn)的低成本、高性能的熱釋電明火火焰探測器。

通過為熱釋電明火火焰探測器開發(fā)配套信號處理電路與信號采集分析嵌入式軟硬件，以及機械外殼，可形成一種智能無線明火報警終端。本文介紹了從大視場角鉭酸鋰熱釋電探測器到智能無線明火報警終端等的核心元器件與整體系統(tǒng)設(shè)計，針對明火信號特征，實現(xiàn)了系統(tǒng)高效探測火焰信號與精準判斷火情；利用無線通信模塊連接手機APP，實現(xiàn)了智能控制和實時報警。

1 系統(tǒng)設(shè)計

智能無線明火報警終端系統(tǒng)的總體設(shè)計如圖1 所示，物體燃燒過程中輻射的紅外光通過光學(xué)前窗匯聚到熱釋電探測器敏感元，熱釋電探測器產(chǎn)生電壓變化并輸出微弱交變電壓到信號處理電路；信號經(jīng)過濾波、放大、整形后輸出高信噪比的脈沖或交變信號；MCU 對A/D 信號分析決策，進而控制聲光報警，并由藍牙連接后上傳手機終端。此外，為了提高該火焰探測器的環(huán)境適應(yīng)性，可以通過調(diào)節(jié)信號處理電路設(shè)定不同的閾值，以探測不同強度和環(huán)境下的火焰。

圖1 智能無線明火報警終端原理框圖

2 熱釋電火焰探測器

2.1 探測器原理

熱釋電火焰探測器是一種基于熱釋電效應(yīng)工作的紅外輻射傳感元件。熱釋電敏感元對明火釋放的紅外輻射波動極為靈敏，會產(chǎn)生較強的電信號響應(yīng)。

本文設(shè)計的熱釋電火焰探測器采用單元型結(jié)構(gòu)，內(nèi)置一個靈敏元晶片，靈敏元材料為居里溫度，遠高于工作環(huán)境溫度的鉭酸鋰（LiTaO）單晶?；贚iTaO單晶的熱釋電探測器具有靈敏度高、噪聲低、響應(yīng)快等優(yōu)點。靈敏元輸出端通過前置電路完成高阻抗向低阻抗的變換。

2.2 探測器模型

圖2 為熱釋電探測器熱學(xué)模型及等效電路圖。經(jīng)正弦調(diào)制的紅外輻射(()=e)入射到熱釋電敏感元（面積為，厚度為）表面，靈敏元對紅外輻射產(chǎn)生吸收，引起其溫升Δ，同時靈敏元還會向外環(huán)境傳導(dǎo)熱量，使溫度產(chǎn)生變化，熱導(dǎo)用表示。

圖2 熱釋電火焰探測器的熱學(xué)模型及等效電路

該過程可以用熱平衡方程表示：

式中：為靈敏元熱容；為靈敏元紅外輻射吸收率。通過上式可以得到靈敏元的溫度變化為：

探測器根據(jù)放大電路工作類型，可以分為電流模式和電壓模式。電流模式輸出信號高且可調(diào)，通常不用二次放大。電壓模式功耗低、結(jié)構(gòu)簡單、成本低?？紤]到智能無線明火報警終端的低成本要求，本文探測器采用電壓放大模式，如圖3 所示。

電壓模式放大電路由場效應(yīng)管（JEFT）和電阻組成，其工作原理為熱釋電電流在電阻上形成壓降，上的電壓被場效應(yīng)晶體管形成的源極跟隨電路轉(zhuǎn)換成低阻抗信號，即探測器的輸出信號。圖3c）為LiTaO熱釋電紅外探測器實物圖，其基本零部件包括了靈敏元晶片、電路板、封裝管殼底座和管帽、濾光片、大電阻、JFET 等。整個元件結(jié)構(gòu)簡單、功耗低、穩(wěn)定性好、使用方便。

圖3 熱釋電火焰探測器電壓模式放大電路圖

2.3 探測器性能參數(shù)

熱釋電火焰探測器是整個智能終端系統(tǒng)的關(guān)鍵元件，其性能的優(yōu)劣對于整個系統(tǒng)的性能具有決定性作用，因此優(yōu)化和表征探測器的綜合性能是系統(tǒng)設(shè)計的重要環(huán)節(jié)。探測器主要性能包括響應(yīng)率、噪聲和比探測率。探測器響應(yīng)率反映了探測器在單位輻射功率下響應(yīng)電壓的大小，用表示。由熱釋電電流式（4）和電壓放大模式電路跟隨器特性，可以得到：

式中=為電時間常數(shù)，為靈敏元電容。

噪聲的大小決定了探測器的探測極限，當噪聲大于信號時，信號就會被噪聲淹沒，因此分析探測器的噪聲具有重要意義。熱釋電紅外探測器噪聲主要包括：溫度噪聲、靈敏元介電損耗噪聲、電阻約翰遜噪聲N、JFET 電流噪聲和電壓噪聲，各個噪聲公式見表1。

表1 電壓模式熱釋電紅外探測器中的噪聲來源

由于各個噪聲是獨立的，則總噪聲可以表示為：

由于靈敏元面積的差異，探測器的噪聲和響應(yīng)率也會不同，一般用比探測率來反映探測器的綜合性能：

2.4 探測器性能測試

圖4 為熱釋電紅外探測器響應(yīng)和噪聲的測試系統(tǒng)?；驹頌楹隗w輻射經(jīng)斬波器調(diào)制后入射到探測器上，由溫度控制器監(jiān)控黑體溫度，馬達控制調(diào)制頻率。探測器輸出的信號和噪聲由動態(tài)信號分析儀測量得到響應(yīng)電壓信號和噪聲電壓，計算可得響應(yīng)率和比探測率。

圖4 響應(yīng)和噪聲測試系統(tǒng)

黑體光闌口徑為Φ10 mm，探測器到光闌的距離61 mm，靈敏元面積為1.4 mm×1.4 mm，匹配電阻為10 GΩ，并配備Φ6.3 mm 的大窗口藍寶石濾光片，通過測試得到了探測器的響應(yīng)率、噪聲以及比探測率，如圖5 所示。圖5a）給出了該熱釋電探測器在有和無濾光片情況下電壓響應(yīng)率隨頻率變化的關(guān)系，圖5b）為探測器噪聲，無濾光片情況下比探測率隨頻率的變化關(guān)系如圖5c）所示。同時測量了有、無濾光片的不同黑體溫度的響應(yīng)數(shù)據(jù)，設(shè)定調(diào)制頻率為10 Hz，固定出光口徑，改變黑體溫度，范圍300～530 K，通過動態(tài)信號分析儀讀取10 Hz 處的輸出電壓，如圖6 所示。

圖5 LiTaO3熱釋電紅外探測器響應(yīng)和噪聲特性

圖6 LiTaO3熱釋電紅外探測器溫度響應(yīng)曲線

3 報警終端硬件設(shè)計

3.1 信號處理電路設(shè)計

鉭酸鋰單晶熱釋電探測器的藍寶石濾光片透過光譜中心波長為4.3 μm，帶寬為600 nm，該波段覆蓋了典型碳氫化合物燃燒的輻射主能量。報警終端可在火焰燃燒發(fā)生瞬間輸出高信噪比的脈沖或交變信號，報警終端信號處理電路如圖7 所示。紅外輻射輸入后，當信號達到閾值時，探測器信號經(jīng)過三級電路輸出高電平觸發(fā)MCU，MCU 再實時采集輸出信號并通過相應(yīng)處理算法進行火焰判別。

圖7 熱釋電火焰探測系統(tǒng)信號處理電路原理圖

3.2 MCU 控制

系統(tǒng)數(shù)字電路部分由單片機、聲光報警模塊、藍牙模塊和電源模塊組成?；鹧嫘盘朣IG 傳輸給單片機定時器捕獲通道，信號劇烈變化時，MCU 判斷產(chǎn)生跳動的火苗并產(chǎn)生火警信號，即刻觸發(fā)聲光報警模塊，警示燈高亮，揚聲器鳴叫，同時將火警信息通過藍牙模塊上傳手機APP 顯示。程序設(shè)計以Keil5 為開發(fā)環(huán)境，采用識別算法測量脈沖信號頻率與幅度，通過明火劇烈跳動的特性排除安全火源和雷電、電弧焊等外界輻射的干擾，實現(xiàn)火焰的精準判別。同時，系統(tǒng)軟件設(shè)置不同探測靈敏度下的閾值，可以人工調(diào)節(jié)以確保智能報警終端滿足不同場合下的工作需求。

3.3 外觀設(shè)計

針對報警終端的特有安裝環(huán)境，設(shè)計了獨有的外觀，結(jié)構(gòu)圖如圖8 所示。報警終端的安裝環(huán)境通常為墻面，本報警終端采用方形切面設(shè)計，適用于各類墻面墻角。開關(guān)位于頂部，探測視窗置于45°斜切面處，配合圓形視窗和報警指示燈。側(cè)面為卡扣式安裝，方便快捷，易于調(diào)試、更換電池等。電池采用輕量級的可充電鋰電池，具有良好的續(xù)航能力，面對可能需要的戶外安裝環(huán)境時，可加裝太陽能電池。

圖8 報警終端外觀結(jié)構(gòu)圖

4 系統(tǒng)測試與分析

在常溫25 ℃、濕度60%、氣壓100 kPa 的條件下對該火焰報警終端進行點火測試。采用普通打火機作為火源，火焰高度為2 cm；計時開始后點火，熄滅；分別測試燃燒火焰中心距探測器10 cm，25 cm，50 cm 和100 cm處探測器的時域輸出信號。由圖9 信號特征可知：探測距離越遠，信號脈沖寬度越窄；信號強度隨探測距離的減小而增強。進一步測試發(fā)現(xiàn)，此智能報警裝置對太陽光、人體、手電筒光照等具有很強的抗干擾能力，探測器的視場角可達120°。

圖9 無線明火報警智能系統(tǒng)對真實火焰的測試圖

如圖9 所示，將報警終端安裝在室內(nèi)墻面上，報警終端距目標火源6 m。采用工業(yè)乙醇作為燃燒物，將其傾倒在直徑13 cm 圓盤容器內(nèi)作為火源。打開探測器開關(guān)，待自動調(diào)試完成后進行點火，可以觀察到報警器產(chǎn)生聲光報警，手機實時接收到報警信息。

5 結(jié) 論

本文設(shè)計的基于熱釋電探測器的無線明火報警智能終端，采用自主設(shè)計的大視場、高靈敏的熱釋電紅外探測器，針對火焰4.3 μm 中心波段特征輻射進行高效檢測；通過智能算法可識別火焰特征，消除漏報、誤報。經(jīng)實驗驗證，該智能終端具有120°探測視場，對直徑為13 cm 的火焰探測距離達到6 m。整個終端成本低廉，適用于辦公樓、商場、住宅、餐飲、賓館等民用建筑，其在部分工業(yè)領(lǐng)域以及森林防火等戶外領(lǐng)域，展現(xiàn)出較高的應(yīng)用價值。