一種雙波段紅外火焰探測裝置的研制

程 蔚，鄭洪慶

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

隨著我國經濟建設的飛速發展，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。這種大空間場所內部高度高、跨度大、人流量大，普通感煙、感溫火災探測器，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探測器，保護大空間建筑。但在實際應用中抗干擾能力比較差，容易產生誤報[2]。在環境的適應能力上，自然光、陽光、燈光、電焊等干擾源對傳統紅外火焰探測器會造成很大的影響，所以普通的紅外火焰傳感器不能很好地滿足火災報警要求[4]。

雙波段紅外火焰探測器是在火焰與現場背景光進行對比的條件下，通過算法處理實現火焰檢測，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，但開發技術難度大且開發周期長、造價高[6]。

綜上，本文設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的特點，具有一定實用價值。

1 系統總體方案設計

以碳氫類化合物引起的火災為主，其燃燒的輻射光譜圖如圖1所示。

圖1 碳氫類化合物燃燒的輻射光譜示意圖

其中區域III為到達地球表面的太陽輻射，區域II為紅外輻射，區域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，設計一種能夠準確進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。紅外火焰傳感器接收由濾光片濾過的特定紅外光信號，通過選頻放大，濾波處理后，輸到信號處理電路進行運算、分析處理、判斷，最后輸出有無火焰信號。探測裝置的輸出設為繼電器開關量輸出，方便各種火災報警系統使用。

圖2 雙波段紅外火焰探測裝置方案圖

2 光學設計

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境、材料的性價比、并且能達到產品的功能要求的情況下，本設計采用氟化鈣材料作為雙波段紅外探測裝置的濾光片。

3 硬件電路設計

由于紅外火焰傳感器接收到的火焰紅外輻射信號，極易受到環境干擾。所以，信號處理電路設計需要重點解決兩種不同波長傳感器的靜態工作點、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紅外火焰傳感器的信號處理電路是一致的，以下只介紹4.3 μm傳感器信號的信號匹配與轉換電路、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功能（自恢復），具有精度高、穩定性能好、體積小，適應小型電子產品的設計需求，特別適用于對電壓穩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換電路

信號匹配與轉換電路如圖5所示。Q1為場效應管，與熱釋電紅外傳感器S2構成自舉電路，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 信號匹配與轉換電路

3.3 信號選頻放大電路

火焰閃爍頻率雖然會受風等周圍環境影響，但閃爍頻率基本在1～25 Hz范圍內，且傳感器產生信號較微弱，采用三級選頻放大電路對信號進行處理。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設置電路：通過該電路實現探測裝置靈敏度的設置和通訊ID的設置，來滿足不同場所的探測需要。探測裝置的探測靈敏度可現場靈活設定。此外，在大空間場所內，為了能夠方便得知火災發生在具體哪個區域內，設計了通訊ID設置電路，為雙波段紅外火焰探測器提供編號。

靈敏度與通訊ID設置是通過單片機讀取撥碼開關各個引腳的電平實現的，其中前兩位用于靈敏度的設定，后四位用于通訊ID的設定。電路圖如圖8所示。

圖8 靈敏度與通訊ID設置電路

4 軟件設計

雙波段紅外火焰探測裝置，主要是對火焰信號進行采樣，并進行數據處理，最后判斷是否有火災信號。其技術指標是探測器系統的快速性、準確性、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信號，實驗波形如圖9所示。通道1為波長4.3 μm傳感器產生的信號；通道2為波長3.8 μm傳感器產生的信號。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生信號

如現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信號，并進行分析和計算響應信號的頻率。因為火焰的頻率范圍在1～25 Hz的范圍內跳動，所以該算法只要分析1～25 Hz之間的傳感器響應信號即可。

（2）兩路傳感器信號對比關系算法

因為3.8 μm的傳感器不對火焰信號反應，4.3 μm的傳感器對火焰信號有反應，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，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。

經過對比，本文選用兩路傳感器信號對比關系算法來處理。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行A/D采樣，接著對兩路信號進行比較，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系如表2所示。

表2 靈敏度ID與采樣閾值關系

5 外殼設計

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

通過對通光孔進行倒角，使更多的紅外輻射進入傳感器窗口，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 實驗調試與結果分析

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

當外界沒有火焰時，雙波段火災報警器現象如圖14所示，報警器沒有變化，兩路信號也沒有明顯變化。

圖14 無火焰時的現象

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

圖15 有火焰時的現象

紅外傳感器的監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 傳感器監視范圍示意圖

經實地試驗測得，本設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 結束語

雙波段紅外火焰探測裝置是基于PIC18F2620單片機為核心構建信號處理平臺，兩路傳感器信號通過預處理電路隔直，濾波，選頻放大處理之后，輸到單片機采樣。最后，單片機根據兩路傳感器信號對比關系算法判斷有無火災存在，若有則發出火災報警。目前該雙波段紅外火焰探測裝置正投入使用。