基于紫外線檢測技術的火焰強度測量系統研究與設計

侯 霄

身份證號：210302198208292132

基于紫外線檢測技術的火焰強度測量系統研究與設計

侯 霄

身份證號：210302198208292132

火焰強度的定量檢測技術在火災的防治，鍋爐系統、發動機燃燒室等領域有著重要的應用。本文介紹了一種通過火焰燃燒光譜中的紫外線檢測技術來定量分析火焰強度方法。論述了一個基于紫外光敏傳感器的驅動及采集系統的設計，分析了低功耗高壓發生電路，背景噪聲過濾技術及定量采集系統的原理。該設計具有廣泛的應用前景。

火焰探測；紫外線檢測；強度測量；定量分析

1 引言

火災是威脅人們生命安全和社會發展的重大危害之一，火焰探測是火災預防上的關鍵技術，其大多采用光譜檢測原理，通過對燃燒光譜的定性分析，達到對火焰的判定。隨著社會發展，僅對火焰的定性探測已無法滿足在火災防治技術上的發展，而通過火焰定量檢測推動了對不同火災的等級的處理技術及產品實現。此外在鍋爐系統或發動機的燃燒室檢測也有著廣泛的應用空間。

2 火焰光譜檢測技術

物資燃燒時會產生大量能量，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、紅外線三個頻帶。對應的檢測火焰可用紅外、紫外和可見光檢測技術，由于可見光檢測受環境干擾很大，一般都采用紅外檢測和紫外檢測技術。常利用波長小于300nm的紫外線，或者火焰特有的CO2共鳴的CO2原子團的發光光譜，故波長4.35μm附近是用于紅外火焰探測的重要波段。為應對不同的燃燒物質及使用環境，目前普遍使用的火焰探測器有單紅外型、雙紅外型、三紅外型、紫外型及紅外加紫外復合傳感器，目的是通過對火焰光譜不同波段的復合判定提高火焰判定的準確性。

3 紫外線檢測技術的優勢

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

紫外線檢測原理是基于外光電效應，當金屬及半導體材料受到光線照射時，如果入射的光子能量足夠大，它和物質中的電子相互作用，使電子從材料表面逸出的現象，稱為光電發射效應，基于這種效應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。由于紫外線檢測采用光子檢測手段，因而具有較高的信噪比，具備微小信號檢測能力，并且具有響應時間極快的特點。

相比紅外檢測技術，紫外檢測技術更加可靠，具備高靈敏度、高輸出、高響應速度和應用電路簡單等特點

4 系統組成

系統組成框圖

4.1 紫外光敏管

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

4.2 高壓驅動及滅弧電路

紫外線光敏管常需要在陽極UV-A外加350V左右的高電壓進行驅動，但僅需nA級的微小驅動電流，另外檢測儀表的外供電源一般采用直流低壓電源或干電池，這樣就需要設計一套高效率升壓驅動電路。另外光敏管一旦開始放電，就會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，這樣就不能持續有效的檢測紫外線。光敏管不具備抑制火花的功能，必須從外部加入滅弧電路。可采用周期性地減小UV-A電壓，使其低于驅動電壓門限的方法防止放電電流的自保持。

該系統首先采用施密特觸發器搭建多諧振蕩器電路，通過充放電阻容元件調整振蕩頻率，再通過另一施密特觸發器做波形整形，得到一個固定頻率的脈沖信號。這個信號控制一個低壓場效應管，用來驅動升壓變壓器的初級線圈，變壓器匝數比1：70，在次級線圈可得到一個峰值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，用以驅動光敏管正常工作。

4.3 噪聲過濾方法

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

測試環境的干擾也會使光敏管發生響應信號，由于屬于正常響應，無法通過上述方式進行過濾，因此需要二次的干擾過濾。根據環境干擾源的響應普遍特點是不穩定性，與火焰閃爍光譜的區分較為明顯，火焰燃燒閃爍的一個峰值時段會在光敏管輸出端產生一定數量的脈沖，而干擾源的脈沖量很少且不穩定。該系統采用計數器電路對單位時間內脈沖數累加輸出，計數值通過撥碼開關調整，也就是火焰判定的閥值。

4.4 定量分析原理

光敏管產生蓋革--米勒放電后，光電管的內阻變小，使電子開關導通。電容器上的電壓通過光敏管、限流電阻和電子開關迅速放電。當電容器上電壓下降到光敏管著火電壓以下時，光敏管截止，電子開關斷開，電源又對電容器充電。當電容器上電壓達到著火電壓后，光照陰極逸出的電子在外電場作用又形成電流，使光電管內阻變小，電子開關導通，重復上述過程。每重復一次，電子開關產生一個脈沖，這樣電子開關就輸出一串脈沖。脈沖的頻率決定紫外光照的強度大小。光照越強，頻率越高。通過測量脈沖頻率就可以測得紫外光照的強度。

該系統采用MCU對測量脈沖頻率進行采集，結合燃燒物質、測量距離、濾鏡等輔助參量進行綜合分析，最后通過人機交互平臺反饋火焰強度值。

[1] 吳龍標， 袁宏永.火災探測與控制工程[M].合肥：中國科學技術大學出版社.

[2] 潘復興. 應用于特殊行業的光電火焰探測技術[J].消防技術與產品信息， 2007(5)： 63～67.