－２７０－中国科技信息２００８年第１期    ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｊａｎ．２００８
基础及前沿研究防火工作对工业生产及民用安全的意义十分重大，失火时能及时探测到火情，报警及采取相应措施，就要求有快速的火情探测手段，火焰探测器应运而生。在工业生产中， 特别是易燃易爆场合，火焰探测器由于反应迅速，报警及时，越来越得到广泛的应用。本文介绍了基于热释电效应的传感器，并结合火焰的特征，提出了用双通道参比的检测办法，采用一个通道采集背景信号，另一个通道对火焰敏感，通过后续放大滤波电路，这些信号被单片机采集以后，进行参比对照判断，就能对火焰是否产生做出准确判断。１ 红外辐射、热释电效应与热释电效应传感器红外辐射：红外辐射的物理本质是热辐射，它是由于物体内部分子的转动及振动而产生。这类振动是由物体受热引起的，在一般常温下，所有物体都是红外辐射的发射源，但发射的红外波长不同，实践证明，温度愈低的物体辐射的红外线波长愈长，４００～７００度的物体其发射的红外线波长为３～３ｕＭ。红外线和所有电磁波一样，具有反射、折射、散射、干涉和吸收等性质，但它的特点是热效应最大。火焰的红外辐射波长主要能量集中在３． ５～５μｍ波段内。热释电效应：是物理现象中热电效应的一种，当某些电介质材料的表面接受了红外热释电效应在火焰探测中的应用郭建斌  益阳电子工业学校  ４１３０５４Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｏｆ ＦｌａｍｅＧｕｏ ＪｉａｎｂｉｎＹｉｙａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｓｃｈｏｏｌ， Ｙｉｙａｎｇ． Ｈｕｎａｎ ４１３０５４， Ｃｈｉｎａ红外线的辐射能量时，其表面上就会产生电荷的变化，这种现象称为热释电效应。当有火焰或者高温物体释放的波动的红外线照射到热释电敏感晶体上时，热释电效应极为明显，因此可以结合后续的放大处理电路，以及判断处理软件，可以很可靠地检测到是否有火焰产生。热释电效应传感器［１－５］热释电红外传感器结构如图１所示，热释电红外传感器主要由外壳、滤光片、热释电元件、结型场效应管、电阻等组成，其中场效应管起到阻抗变换的作用，而窗口处的滤光片是为滤去无用的红外线，让有用的红外线进入窗口。在火焰探测系统中，火焰探测传感器大多选用４． １～４． ７μｍ的滤光片，选用此滤光片是由于火焰的红外辐射波长集中在这个波段内，并且该波段内没有日光辐射的干扰、红外辐射波长能穿透能力强。此外，为了获得较强的有效输出，该传感器内部将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿，可以有效地防止因太阳光等红外线及环境温度变化而引起的误差。此外，在红外热释电传感器内部，
热释图４  双波段红外热释电火焰探测器放大滤波电路图３  双波段红外热释电火焰探测报警器系统框图图２  红外热释电传感器外形图图
１  红外热释电传感器结构摘  要红外热释电效应在火焰探测中的应用郭建斌  益阳电子工业学校  ４１３０５４Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｏｆ ＦｌａｍｅＧｕｏ ＪｉａｎｂｉｎＹｉｙａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｓｃｈｏｏｌ， Ｙｉｙａｎｇ． Ｈｕｎａｎ ４１３０５４， Ｃｈｉｎａ红外线的辐射能量时，其表面上就会产生电荷的变化，这种现象称为热释电效应。当有火焰或者高温物体释放的波动的红外线照射到热释电敏感晶体上时，热释电效应极为明显，因此可以结合后续的放大处理电路，以及判断处理软件，可以很可靠地检测到是否有火焰产生。热释电效应传感器［１－５］热释电红外传感器结构如图１所示，热释电红外传感器主要由外壳、滤光片、热释电元件、结型场效应管、电阻等组成，其中场效应管起到阻抗变换的作用，而窗口处的滤光片是为滤去无用的红外线，让有用的红外线进入窗口。在火焰探测系统中，火焰探测传感器大多选用４． １～４． ７μｍ的滤光片，选用此滤光片是由于火焰的红外辐射波长集中在这个波段内，并且该波段内没有日光辐射的干扰、红外辐射波长能穿透能力强。此外，为了获得较强的有效输出，该传感器内部将两个极性相反、特性一致的探测元串接在一起，利用两个极性相反、大小相等的干扰信号在内部相互抵消的原理来使传感器得到补偿，可以有效地防止因太阳光等红外线及环境温度变化而引起的误差。此外，在红外热释电传感器内部，
热释图４  双波段红外热释电火焰探测器放大滤波电路图３  双波段红外热释电火焰探测报警器系统框图图２  红外热释电传感器外形图图
１  红外热释电传感器结构摘  要基于红外热释电效应原理，结合火焰的特征，提出了用双通道参比来判定火情的方法。采用一个通道的传感器敏感火焰的红外辐射，另一个通道获取背景辐射的方案，通过后续的放大滤波电路，对双路信号进行放大、带通滤波，通过带有Ａ／Ｄ的单片机对双路信号进行采集后，再对两路信号的变化值进行对比判定。相比于背景通道，如果火焰通道的增量超过一定的阀值，并且维持若干时间段，就可判定火情发生。实践中发现，该方法反应迅速，判断准确，误判率低，能及时准确地判定是否有火情产生。关键词红外热释电传感器；火焰探测；带通滤波；放大中图分类号：ＴＰ７３ＡｂｓｔｒａｃｔＢａｓｅ ｏｎ ｔｈｅ ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｅｆｆｅｃｔ ａｎｄ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆｔｈｅ ｆｌａｍｅ， ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｓ ａ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｕｓｅ ｔｈｅｄｏｕｂｌｅ－Ｗａｖｅ－Ｂａｎｄ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｂｌａｚｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｉｎ ｔｈｅｆｌａｍｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ． Ｏｎｅ ｓｅｎｓｏｒ ｉｓ ｒｅａｃｔ ａｔ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄｏｆ ｆｌａｍｅ， ａｎｄ ｔｈｅ ｏｔｈｅｒ ｉｓ ｒｅａｃｔ ａｔ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｏｆｂａｃｋｇｒｏｕｎｄ． Ｔｈｏｓｅ ｓｉｇｎａｌｓ ｗｉｌｌ ｂｅ ｓａｍｐｌｅｄ ｉｎｔｏ ｔｈｅＭＣＵ ｗｉｔｈ Ａ／Ｄ ａｆｔｅｒ ｈａｖｉｎｇ ｂｅｅｎ ａｍｐｌｉｆｉｅｄ ａｎｄｆｉｌｔｅｒｅｄ， ａｎｄ ｔｈｅｎ ａｎ ｉｎｔｅｌｌｅｃｔｉｖｅ ａｒｉｔｈｍｅｔｉｃ ｉｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄｔｏ ｅｓｔｉｍａｔｅ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ． Ｉｆ ｔｈｅ ｖａｌｕｅ ｏｆ ｆｌａｍｅ’ｓ ｃｈａｎｎｅｌｓ ｉｓ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ｔｈｅ ｇａｔｅ ｉｎｉｔｉａｌｉｚｅｄ ｖａｌｕｅａｎｄ ｍａｉｎｔａｉｎ ｓｅｖｅｒａｌ ｔｉｍｅ， ｔｈｅ ＭＣＵ ｃａｎ ｄｅｔｅｒｍｉｎｅｔｈｉｓ ｉｓ ｔｈｅ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｉｒｅ． Ｔｈｉｓ ｍｏｕｔｈｅｄ ｉｓ ｃｏｎｆｉｒｍｅｄｉｎ ｔｈｅ ｐｒａｃｔｉｃｅ， ｉｔ ｃａｎ ｂｅ ｄｅｔｅｒｍｉｎａｎｔ ｔｈｅ ｅｍｅｒｇｅｎｃｅｏｆ ｔｈｅ ｆｉｒｅ ｖｅｒｙ ｑｕｉｃｋｌｙ ｗｈｉｌｅ ｔｈｅ ｖｅｒａｃｉｔｙ ｉｓ ｈｉｇｈ．Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓＰｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｅｎｓｏｒｓ； Ｆｌａｍｅ ｄｅｔｅｃｔｏｒ； Ｂａｎｄｐａｓｓｆｉｌｔｅｒｉｎｇ； Ａｍｐｌｉｆｉｅ
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－２７１－电元件和场效应管装在一起，通过场效应管，将电荷的变化转换成与红外辐射强度成正比例的电压的变化。使用时Ｄ端接电源正极，Ｇ（Ｅ）端接电源负极，Ｓ端为信号输出。图２为红外热释电传感器的实际外形图。２ 双波段红外热释电火焰探测器原理及后续处理电路双波段红外热释电火焰探测器采用火焰与背景辐射参比，两个红外传感元件在两个不同特征波段上对火焰信号和背景光信号的辐射变化做出响应， 再由单片机实时采集这两路信号，通过两路信号的对比，可以抑制背景干扰而得到真实的火焰辐射信号，有效地提高对火焰探测的可靠性。图３为双波段红外热释电火焰探测报警器系统框图。考虑到火焰辐射强度的最大值位于４．１μｍ～４．７μｍμｍ 的波长范围内，因此，我们选择的红外火焰探测器的滤光片为４．４μｍ，背景探测通道的滤光片为３．８μｍ。图４为双波段红外热释电火焰探测器其中一路的放大滤波电路，该电路用三个运放组成高、低通放大器。将传感器输入的微弱信号进行有源滤波放大。按图４ 所示参数计算得到，第一级放大
器增益，
第二级增益
，第三级增益可调，，大约为１０左右，总放大增益为： Ａ ＝ ５０ ×５０×２３～１０１ ＝５４５００～２５２５００ ＝ ９５～１０８ ｄＢ。此外，由于物体在燃烧时因供氧状况的变动和正在被燃烧材料的密度变化，会造成火焰的波动，这种波动的频率一般在０．２Ｈｚ 到１００Ｈｚ 之间，所以电路设定的通带频率也需对应于这种波动的频率具有选择性，我们选择一个通道，计算其通带频率如下：其中前两级为带通滤波器，现以第二
级为例子给予说明电路的第三级为低通滤波器，其上限
截至频率为所以本电路的通带频率为８～２８（Ｈｚ）３ 火警判定算法探测器用单片机采集双通道的信号后，再通过相应的软件算法判断是否有火情的产生，图５为探测器的火警判定流程图。其中，△火焰探测通道值：为火焰探测通道的电平变化值； △参比通道值：为背景探测通道的电平变化值。阀值、设定值１、设定值２均由试验确定。只有满足这三个条件时才产生报警状态， 否则为正常监视状态。４ 结论双波段红外热释电火焰探测器将火焰与背景辐射双信息传感技术、电子学技术和微处理器软件算法有机结合，提高了探测器的灵敏度， 极大地降低了误判的可能性。实践中验证，该探测器能对１０米外的面积为１平方米的火焰做出正确判断，如果加装镜头及其他辅助设施，就能对更远更小面积的火情做出判断。该红外热释电火焰探测器的优点是响应速度快，适合于易突然起
火且无烟雾的场所。图５  火警判定流程图超导热管中进行实验测定和理论分析，结果表明：纳米颗粒可以明显地增大流体的导热性能。一般来讲不同金属粒子其导热系数的增量不同；温度不同其导热系数的增量也不同；介质的热传导系数一般随粒子颗粒的减小而增大；随固体纳米粒子百分比的增大而增大。同时热传导系数还随温度的升高而增大。这表明，颗粒的布朗运动，颗粒与基液间的吸附层、颗粒内部热传递的尺度效应，颗粒团聚均可影响固－液流体介质的导热机制。颗粒的团聚使得颗粒间夹杂液膜，这相当于增大了悬浮液中颗粒的含量，从而强化了悬浮液的导热性能，显然固－液超导介质作为一种新型介质为热能的传输提供了一种更为有效的手段，这一新材料的研究是目前国际上研究和开发的热点之一。这一研究成果的利用必将为我国太阳热能量的应用做出应有的贡献