打火機火苗檢測與其裝置優化設計

中科院廣州電子技術有限公司 管 專 覃念芳

歐盟對打火機產品生產的標準是根據火焰的高度合格參數為主，目前，使用的檢測方法實際檢測效果不是很好，檢測精度較低、檢測速度比較慢。隨著單片機和傳感器技術的應用，火焰的檢測技術有了很大的完善，它是利用熱傳感器針對某個方向分布的溫度進行測試，其中使用的CCD傳感器是負責圖像采集的方法，還有燃燒成分氣體探測方法1[1-2]。這些檢測方法在工業火災現場火焰檢測比較多，熱傳感器就是根據檢測的或延長分布溫度曲線，構建數學模型，這樣分析難度比較大，而且需要處理大量的數據2[3-4]。使用傳感器CCD傳感器進行火焰檢測，圖像算法分析比較復雜，成本較高。

在檢測打火機火焰高度時沒有較高的精度要求，但是能夠實現在線檢測的目的。本文分析的三極管原理，根據光電轉換進行火焰高度檢測，這種方法處理數據方便、使用原理簡單、成本低、速度測量快，比較適合在線檢測，很好的滿足了檢測打火機火焰高度是否合格的要求。

1 設計分析

1.1 檢測和調整打火機火苗

調整和檢測內容包括：（1）火苗檢測判斷裝置的高度；（2）自動控制檢測裝置；（3）打火機檢測夾具；（4）拉起氣嘴檢測機構；（5）火苗高度調整機構。

1.2 調整和檢測打火機火苗工藝

在組裝打火機半成品時，需要先進行打火機充氣，之后檢測和調整打火機火苗高度。相關的工藝步驟包括：拉起氣嘴→引火→火苗檢測高度→火苗高度判斷→外齒輪轉動，從而完成火苗高度調整。

2 方案設計

檢測打火機火苗高度功能設計包括：（1）火苗高度調整選擇電動機步進驅動齒輪機構；（2）選擇PLC控制器和單片機構建自動控制裝置；（3）使用氣動氣缸建立氣嘴拉起結構；（4）使用V形氣動快構成打火機夾具；（5）選擇火電檢測裝置來判斷火苗的高度。關于檢測打火機高度檢測邏輯見圖1。

圖1 打火機火苗高度檢測邏輯

3 檢測裝置作用和動作

首先，點火裝置。打火機使用的資源是送料機構提供，夾具負責夾緊；氣缸中的氣缸桿做向下運動，從而驅動連桿運動，觸動大齒輪做向下運動，繼而推動氣閥和氣嘴的運動，將氣嘴打開，之后將引火裝置點著。其次，火苗高度調整和檢測。在黑室有火苗光線進入后，使用光電管導尋找火苗位置。在黑室中有3組平行排列，中間火苗和一組標準高度是一樣的。在光導管3組都是導通的時候，火苗高度如果過高，電動機步進會驅動齒輪，從而牽動氣閥進行旋轉調整，減少氣量，截止上面1組光電管。如果三組光電管都是截止，說明火苗的高度比較低，電動機步進是反向轉動齒輪，促使氣閥進行調節旋轉，氣量調整較大，從而促使光電管下邊2組導通，造成光電管上邊截止。

4 打火機火苗測量分析

4.1 測量原理

打火機內部使用的燃燒液體包括：丁烷、丙烷混合物，使用光譜進行燃燒火焰分析，光譜基本在900nm范圍內集中，選擇這部分光譜光電接收管進行分析。根據相關規律在火焰源適應范圍中選擇多個光敏管進行排列，通過判斷光敏管是否感光信號明確該位置有無火焰，從而得到火焰測量高度值。光敏管物理相鄰距離會影響火焰高度檢測最小分辨率。通過電路高頻數據采集光敏管輸出信號，在傳遞給微處理器，之后將處理后的數據顯示出來。見圖2.

圖2 測量原理圖

4.2 儀器結構組成

檢測儀打火機火焰高度檢測結構見圖3.它是由可調高度機構、底座、電路板支架、檢測火焰罩、旋鈕、檢測火焰電路板、控制箱、液晶屏等構成。在底座垂直位置是安裝的高度可調機構，利用螺釘、電路板支架將火焰檢測電路板安裝在可調高度機構上，三極管16個光敏等間距直線在檢測火焰電路板上排列，其中兩個三級管光敏相鄰的光軸中心相距d是4.5mm，輸出的火焰檢測電路板信號利用線纜傳遞給控制箱。

圖3 打火機火焰高度檢測儀的結構

將旋鈕轉動這樣可以實現電路板火焰檢測隨著高度變化移動機構，直到電路板火焰檢測在地段三極管光敏光軸和風罩打火機對齊，點燃打火機按壓開關按鈕，這時利用三級光敏管進行打火機火焰輻射光波探測，這時電平輸出會出現跳變情況。三級光敏管可以將輸出電平信號與微處理器多個口線I/0進行連接，而微處理器會開啟I/0掃描功能，從而得到跳變電平的I/0口N個數，得到打火機火焰高度h：

公式中，d是三級光敏管光軸的中心距，通過微處理器，結果可以顯示在液晶屏中。

4.3 儀器精度完善

根據光敏管和火焰光源兩者的特性和相對位置，受到外界環境干擾比較大，為了提高實驗設計裝置檢測火焰高度的精度。本次測量方法會因為光面管物理尺寸而影響分辨力，會造成較大的實驗誤差，精度測量不夠理想，所以，需要進行儀器的完善。

自然光影給火焰光譜的影響。因為自然光和打火機光譜比較相似，而且光電接收光譜帶寬是固定的，很容易因為強烈的自然光給正常的光敏管檢測造成影響3[5-6]。所以，這里可以采取將檢測裝置進行隔光處理，實驗裝置可以在暗室放置效果比較好。使用檢測火焰電路添加一個有16個直徑為1.5mm小孔的檢測火焰罩，每個孔的中心先和三極光敏管光軸是重合的，這樣可以將自然光影響消除。

氣流給火焰穩定的影響。在實驗測量中會因為環境氣流的影響，而擾動打火機火焰的穩定情況，造成三級光敏瞬間監測無法達到火焰輻射探測廣播，從而影響實驗監測的火焰高度真實性，所以為了減少氣流擾動造成的數據誤差。

這里需要對環境氣流擾動進行改善，但是這種改善會相應增加測量成本。比較經濟性的解決對策就是使用相關儀器制造一個比較封閉的空間，并考慮到自然光隔離問題，可以將儀器放在一個較為封閉不透光的罩內。

打火機火焰源的不穩定。打火機屬于低成本的產品，它是通過碰撞的壓電陶瓷引起電荷點火產生火焰，點火裝置比較簡單。關于檢測點著10s中的打火機火焰高度檢測，在點著打火機火焰高度的瞬間是比正常要高，而且也會出現閃爍情況。對于不穩定的火焰源來說，一般選擇20K樣本頻率數據系統采集光敏管信號，光敏管相應的時間存在不穩定性。后期需要將粗大誤差通過相關軟件進行排除，來減少閃爍現象造成的誤差，從而保證檢測火焰的高度數據準確性。

4.4 檢測零位和打火機出口誤差

機械裝置零位和打火機出火口瞄準是以相同水平安裝為標準，進行目測結果判斷，這樣會存在一定的誤差，但是因為檢測的打火機火焰高度誤差不是很大可以忽略不計。

4.5 光敏管接收光強度的影響因素

在使用光敏管時，不僅會受到接收光譜范圍的影響，還會因為物理尺寸產生影響。就是光通量接收理論的大小。光通量接收影響因素包含：光源強度的分布，光敏管和光焰對應的為孩子，以及火焰罩直徑開孔的大小。經過實驗，發現在直徑火焰罩開孔是1.5mm情況下，可以得到高于火焰正常10mm的結果。還有想要保證檢測結果的有效性，需要設置光敏管距離是2～3cm，這個距離檢測可以減少相鄰光敏管信號接收的數據準確性。

5 結語

針對檢測打火機火焰高度中的影響因素進行方法改進，同時也分析了檢測結構。將環境因素干擾排除后，這種檢測方法具有操作比較簡單、成本低廉、性能穩定、結構簡單等優勢，檢測結果有效性高，可以為打火機檢測火焰高度提供新的參考意見。