多波段紅外光學火焰探測器的設計研究

許文進，桂堅斌，吳零越，薛雅心，龔 青

（上海電控研究所光電控制研發中心，上海 200092）

0 引言

近年來，石油、礦道、倉庫等方面的火災事件時有發生，嚴重威脅了人民的生命財產安全。隨著國家和企業對于生產安全問題的不斷重視，如何進行火警預警成了主要的問題[1]。

火警預警最主要的是對火災進行及時可靠地探測。而現有的火焰探測方式主要有感煙、感溫和感光3 種[2]。其中，感煙和感溫探測受到環境氣流影響較大，也需要火災發展到一定的時期才能夠探測到，實時性差，響應速度慢，漏報率高，不利于火災的早期預警[3]。感光探測屬于區域探測，響應速度快，靈敏度高，可以通過在空間區域內合理布局達到全方面檢測，在火情發生早期就能探測到火警。

本文提出了多波段紅外光學火焰探測器的設計，通過分析火焰探測原理選擇探測波段，基于四通道紅外火焰探測器設計了一個火焰探測器。其具備探測距離遠，抗干擾能力強，環境適應性好，響應速度快的優勢。

1 火焰探測原理

紅外光學火焰探測器是通過探測火焰燃燒過程中輻射的紅外光譜來識別火焰，但是不同的燃燒物燃燒時會產生不同的特征光譜。同時還存在著不同的干擾源，如人工光源、背景輻射源等。首先，需要分析火焰的光譜特征和干擾源的光譜特征，確定傳感器的探測波段。通過大量實驗從中獲取火焰的信號和干擾源的信號特征，通過兩者之間的強度和比例關系從而精準判斷火焰和干擾源，達到較強的抗干擾能力。

物質在燃燒的時候，不僅能夠產生煙霧和熱量，同時也會產生較大的電磁輻射。一般烴類化合物燃燒會產生大量的CO2和H20，CO2氣體的紅外輻射光譜有3個重要的條狀光帶：2.65μm～2.8μm、4.15μm～4.45μm、13μm～17μm；水蒸汽的紅外光譜也有3 個重要的條狀光帶：2.55μm～2.84μm、5.6μm～7.6μm、12μm～20μm[4,5]。

一般不同的燃燒物的燃燒溫度不同，火焰輻射的光譜也有區別。酒精燈火焰的輻射光譜的峰值為2.7μm 和4.3μm；正庚烷火焰的輻射光譜的峰值為2.1μm、2.7μm 和4.3μm；汽油火焰的輻射光譜的峰值為2.7μm、3.8μm 和4.3μm[6]。對照這3 種常見的燃燒物的輻射光譜的峰值，選擇4.3μm 為火焰判別的波段。而在日常的環境中也有一些熱源會同時產生4.3μm 的輻射，如此便容易引起誤報，為此加入了2.7μm、3.8μm 和5.3μm 的紅外探測器。2.7μm、3.8μm 和5.3μm 這兩種波段火焰輻射非常少，而其他的高溫熱源輻射非常多，這里通過2.7μm、3.8μm、4.3μm 和5.3μm 4 個紅外探測器探測到的強度、比例關系等關系來實現火焰的識別，并且排除干擾源提高抗干擾能力。

2 火焰探測器的總體組成

多波段紅外光學火焰探測器的總體組成如圖1 所示。

圖1 多波段紅外光學火焰探測器的總體框圖Fig.1 Overall block diagram of a multi band infrared optical flame detector

多波段紅外光學火焰探測器主要由紅外光電傳感器、信號處理模塊、數據存儲模塊、狀態顯示模塊、RS485 通信模塊、處理器模塊、溫度監控模塊、污染檢測模塊、電源模塊、聲光報警模塊、電源監測模塊，以及模擬輸出模塊。

其中，以紅外光電傳感器為核心，其負責采集火焰輻射的紅外信號和其他干擾輻射源的紅外輻射信號，并且將相應的光信號轉化為電信號。電信號經過信號處理模塊濾波放大后，通過單片機的AD 口采集。數據存儲模塊主要是存儲火焰探測器的時間、報警記錄、故障狀態等信息；電源模塊主要為整個火焰探測器上的器件供電；處理器模塊根據采樣結果實時計算，并判斷有無火警并進行相應的控制；狀態顯示模塊LED 主要是可以從外觀上識別火焰探測器是否正常工作、判斷故障類型以及是否存在火警；溫度監控模塊實時采集環境溫度，主要為軟件算法中的溫度補償提供支撐；電源監測模塊對火焰探測器的供電進行實時檢測；污染檢測模塊會檢測探測器的鏡面狀態是否存在污染；CAN 通信模塊和上位機進行通信；模擬輸出模塊則在探測到火警時輸出報警信號給上位機，聲光報警模塊則是在有火警信號時發出聲光報警。

3 火焰探測器的各模塊及功能分析

3.1 電源模塊

火焰探測器中的電子元器件需采用5V 的電壓供電，對于紅外光電傳感器而言，同樣需要一個穩定的電源來保證信號的穩定性。特別對于遠距離探測，信號幅度比較小，則需要良好的信噪比。為此，將24V 的電源利用DC-DC降壓芯片穩壓為8V，再將8V 通過LDO 轉為5V 為整個火焰探測器供電。LDO 的紋波可達到μV 級，可為紅外光電傳感器提供穩定的電源保證信號的穩定。

3.2 紅外光電傳感器

針對第二節中對火焰探測原理的分析和探測波段的選擇，選用四通道紅外光電傳感器作為火焰探測器件。其表面封裝有4 個不同波段的窄帶濾波片，分別是2.7μm、3.8μm、4.3μm 和5.3μm。光電傳感器主要原理就是將光信號轉化成電信號，當有火災發生時，傳感器接受到火焰的不同波段的紅外輻射時，直接轉化成電信號輸出。該傳感器具有較強的抗電磁干擾性，響應率高，響應速度快，既不需要調制光路，使用壽命長，安全等優點。

3.3 信號處理模塊

由于紅外光電傳感器的輸出信號是比較小的電壓信號，信噪比不高，對后續的單片機的采樣和火警判斷算法造成影響，可能導致誤報。信號預處理主要做電壓跟隨和阻抗匹配，再經過電壓放大，同時濾除高頻干擾，最后被單片機的AD 口采集用于后續的判斷。信號處理模塊的原理框圖如圖2 所示。

圖2 信號處理模塊的原理框圖Fig.2 Schematic block diagram of signal processing module

3.4 狀態顯示模塊LED

狀態顯示模塊LED 主要是由兩個LED 燈組成，均由單片機MCU 控制。一個為紅燈，一個為綠燈。其中，綠燈為火焰探測器的狀態顯示等，主要狀態有正常、單片機故障、鏡面污染故障。火焰探測器正常時，綠燈設置為1s 閃一次；火焰探測器單片機故障時，綠燈常滅；火焰探測器鏡面污染故障時，綠燈設置為400ms 閃一次。紅燈為火警顯示燈，只有在火焰探測器探測到火警時，紅燈常亮。

3.5 溫度監控模塊

由于紅外傳感器在高溫工作時其探測響應和探測靈敏度會下降[7]，一般在紅外傳感器里面集成制冷芯片或者在應用時將器件貼在制冷片上，以達到制冷效果，從而保證在高溫工作時的紅外傳感器的靈敏度不受影響。但四通道紅外光電傳感器內部不含有制冷芯片，如若在外部加上制冷片，會增加火焰探測器的功耗同時增加成本。為此，在設計火焰探測器算法時，在算法中增加了靈敏度補償算法，以消除溫度對于紅外傳感器靈敏度的影響。

為了實現器件的靈敏度補償，利用溫度監控模塊實時測試環境溫度，通過前期對四通道紅外光電傳感器的溫度及器件響應靈敏度的測試，擬合出溫度和器件響應靈敏度的曲線。在算法中，根據溫度監控模塊測試的環境溫度，做出相應的補償。

3.6 污染檢測模塊

火焰探測器可用于裝甲車、無人值守倉庫、礦道倉庫等環境。受到煙塵等環境影響，在火焰探測器的鏡面上會積累灰塵，從而影響火焰探測器的探測性能導致漏報。為此，在火焰探測器上設計了污染檢測模塊，在污染程度會影響探測性能時，上報污染故障，提示清理。污染檢測模塊采用漫反射原理來實現污染檢測功能，污染檢測模塊由一個紅外線發射光源和一個紅外線接收管組合而成。污染檢測模的工作原理如圖3 所示。

圖3 光電開關工作原理圖Fig.3 Working principle diagram of photoelectric switch

紅外線發射管可以發射紅外信號，紅外線接收管用于檢測光強的變化，實現對所有能反射光線的物體的檢測。需要選用紅外發射器峰值波長小于2μm，不能夠在火焰探測的波段范圍內，不會對火焰探測器產生影響。紅外線接收管可以將探測波段范圍內的光線強度轉換為信號值，光強越大，則輸出信號值越大。紅外發射管向外發射紅外信號，當器件前方無遮擋物時，紅外接收管只能接收環境背景中的紅外信號；當發射的紅外信號遇到能反射光線的遮擋物時會被反射，繼而被紅外線接收管接收，接收管輸出信號會發生變化。根據接收管輸出信號的變化大小，可以實現對鏡面污染的檢測。

3.7 RS485通信模塊

RS485 通信模塊主要是和上位機進行通訊，采用標準ModBus 協議，滿足大部分的工業需求。在火焰探測器不同的狀態給上位機上報不同的信息，火焰探測器狀態正常時，給上位機上報0X00；火焰探測器有故障時，給上位機上報0X01；火焰探測器有火警時，給上位機上報0X02。

3.8 模擬輸出模塊

輸出采用標準的4mA ～20mA 的模擬輸出，根據不同的火焰探測器的狀態輸出不同的電流結果，具體的模擬輸出見表1。

表1 模擬輸出表Table 1 Analog output table

4 火焰探測器的防誤報設計

火焰探測器針對不同的使用環境，有不同的防誤報要求，而常見的干擾光源主要有太陽光、日光燈、閃光燈、浴霸和熱風槍。本論文所設計的多波段紅外光學火焰探測器，針對上述5 種常見的誤報光源做防誤報設計。將火焰探測器置于上述5 種干擾光源前，可以測得多波段紅外光學火焰探測器中4 個波段對于這5 種干擾光源的平均電壓增量，將4 個波段對于5 種干擾源和2m 火盆火的增量進行對比，為防誤報算法提供數據支撐，見表2。

表2 4個波段對于5種干擾源和2m火盆火的增量對比Table 2 Incremental comparison of 4 bands for 5 interference sources and 2m brazier fire

從表2 可以看出，不同的光源對于不同的波段的響應是不一樣的。對于火焰而言4.3μm 是其特征波段，響應增量最大；而對于太陽光5.3μm 的響應增量最大；日光燈和熱風槍中的紅外強度較小，4 個波段的響應增量較小；閃光燈和浴霸中2.7μm 的響應增量最大。為此，在防誤報算法中通過設置4.3μm 的增量閾值，同時計算4.3μm 的增量和其它波段增量的比值來進行干擾源的防誤報。

5 火焰探測器對火焰響應和常規干擾源的測試

5.1 火焰探測器實物

多波段紅外光學火焰探測器實物如圖4 所示，光學火焰探測器的表面有兩個LED 燈、四通道紅外傳感器和污染檢測傳感器。

圖4 多波段紅外光學火焰探測器實物Fig.4 Physical object of multi band infrared optical flame detector

5.2 火焰探測器對火焰的響應

將火焰探測器放置在距離標準火盆0.4m、1m、2m 和3m 處，進行測試。MCU 采集到的4 個通道的信號數據比較發現，四通道傳感器4.3μm 波段信號幅度比較明顯，2.7μm 和3.8μm 會出現較小的信號。5.3μm 則是幾乎沒有信號，從這4 個波段的信號增量、比值等關系可以判斷出此為火焰，輸出火警信號。同時為了保證火焰探測器的穩定性，對0.4m、1m、2m 和3m 處標準火盆火進行了50 次的重復實驗。實驗結果見表3。

表3 火焰探測器對不同距離火盆火的響應實驗Table 3 Response experiments of flame detectors to different distance brazier fires

5.3 火焰探測器對常規干擾源的防誤報實驗

將火焰探測器放置在距離干擾源實驗平臺0.4m 處進行測試，實驗結果見表4。實驗結果表明，火焰探測器不會對太陽光、白熾燈、熱風槍等光源產生誤報，具有很好的抗干擾能力。

表4 火焰探測器對常規干擾源的防誤報實驗Table 4 Anti false alarm experiment of flame detectors against conventional interference sources

6 結論

基于四通道紅外傳感器的多波段紅外光學火焰探測器，通過波段選擇和軟件算法能夠實現3m 處標準火盆火探測。實驗表明，對于3m 火盆火的漏報率僅為2%，可實現常規干擾光源的防誤報，具備較強的抗干擾能力，有效地解決了紫外探測距離短以及單紅外火焰探測器抗干擾能力差的弊端，具有探測距離遠，抗干擾能力強，環境適應性能力好，響應速度快的優勢。多波段紅外光學火焰探測器在無人倉庫、礦道、特種車輛等方面具有廣闊的應用前景。