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－２７０－中國(guó)科技信息２００８年第１期 ＣＨＩＮＡ ＳＣＩＥＮＣＥ ＡＮＤ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ ＩＮＦＯＲＭＡＴＩＯＮ Ｊａｎ．２００８
基礎(chǔ)及前沿研究防火工作對(duì)工業(yè)生產(chǎn)及民用安全的意義十分重大，失火時(shí)能及時(shí)探測(cè)到火情，報(bào)警及采取相應(yīng)措施，就要求有快速的火情探測(cè)手段，火焰探測(cè)器應(yīng)運(yùn)而生。在工業(yè)生產(chǎn)中， 特別是易燃易爆場(chǎng)合，火焰探測(cè)器由于反應(yīng)迅速，報(bào)警及時(shí)，越來(lái)越得到廣泛的應(yīng)用。本文介紹了基于熱釋電效應(yīng)的傳感器，并結(jié)合火焰的特征，提出了用雙通道參比的檢測(cè)辦法，采用一個(gè)通道采集背景信號(hào)，另一個(gè)通道對(duì)火焰敏感，通過(guò)后續(xù)放大濾波電路，這些信號(hào)被單片機(jī)采集以后，進(jìn)行參比對(duì)照判斷，就能對(duì)火焰是否產(chǎn)生做出準(zhǔn)確判斷。１ 紅外輻射、熱釋電效應(yīng)與熱釋電效應(yīng)傳感器紅外輻射：紅外輻射的物理本質(zhì)是熱輻射，它是由于物體內(nèi)部分子的轉(zhuǎn)動(dòng)及振動(dòng)而產(chǎn)生。這類(lèi)振動(dòng)是由物體受熱引起的，在一般常溫下，所有物體都是紅外輻射的發(fā)射源，但發(fā)射的紅外波長(zhǎng)不同，實(shí)踐證明，溫度愈低的物體輻射的紅外線波長(zhǎng)愈長(zhǎng)，４００～７００度的物體其發(fā)射的紅外線波長(zhǎng)為３～３ｕＭ。紅外線和所有電磁波一樣，具有反射、折射、散射、干涉和吸收等性質(zhì)，但它的特點(diǎn)是熱效應(yīng)最大。火焰的紅外輻射波長(zhǎng)主要能量集中在３． ５～５μｍ波段內(nèi)。熱釋電效應(yīng)：是物理現(xiàn)象中熱電效應(yīng)的一種，當(dāng)某些電介質(zhì)材料的表面接受了紅外熱釋電效應(yīng)在火焰探測(cè)中的應(yīng)用郭建斌 益陽(yáng)電子工業(yè)學(xué)校 ４１３０５４Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｏｆ ＦｌａｍｅＧｕｏ ＪｉａｎｂｉｎＹｉｙａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｓｃｈｏｏｌ， Ｙｉｙａｎｇ． Ｈｕｎａｎ ４１３０５４， Ｃｈｉｎａ紅外線的輻射能量時(shí)，其表面上就會(huì)產(chǎn)生電荷的變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)。當(dāng)有火焰或者高溫物體釋放的波動(dòng)的紅外線照射到熱釋電敏感晶體上時(shí)，熱釋電效應(yīng)極為明顯，因此可以結(jié)合后續(xù)的放大處理電路，以及判斷處理軟件，可以很可靠地檢測(cè)到是否有火焰產(chǎn)生。熱釋電效應(yīng)傳感器［１－５］熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)如圖１所示，熱釋電紅外傳感器主要由外殼、濾光片、熱釋電元件、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管、電阻等組成，其中場(chǎng)效應(yīng)管起到阻抗變換的作用，而窗口處的濾光片是為濾去無(wú)用的紅外線，讓有用的紅外線進(jìn)入窗口。在火焰探測(cè)系統(tǒng)中，火焰探測(cè)傳感器大多選用４． １～４． ７μｍ的濾光片，選用此濾光片是由于火焰的紅外輻射波長(zhǎng)集中在這個(gè)波段內(nèi)，并且該波段內(nèi)沒(méi)有日光輻射的干擾、紅外輻射波長(zhǎng)能穿透能力強(qiáng)。此外，為了獲得較強(qiáng)的有效輸出，該傳感器內(nèi)部將兩個(gè)極性相反、特性一致的探測(cè)元串接在一起，利用兩個(gè)極性相反、大小相等的干擾信號(hào)在內(nèi)部相互抵消的原理來(lái)使傳感器得到補(bǔ)償，可以有效地防止因太陽(yáng)光等紅外線及環(huán)境溫度變化而引起的誤差。此外，在紅外熱釋電傳感器內(nèi)部，
熱釋圖４ 雙波段紅外熱釋電火焰探測(cè)器放大濾波電路圖３ 雙波段紅外熱釋電火焰探測(cè)報(bào)警器系統(tǒng)框圖圖２ 紅外熱釋電傳感器外形圖圖
１ 紅外熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)摘 要紅外熱釋電效應(yīng)在火焰探測(cè)中的應(yīng)用郭建斌 益陽(yáng)電子工業(yè)學(xué)校 ４１３０５４Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ Ｐｙｒｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｓｅｎｓｏｒｓ ｉｎ ｔｈｅ Ｄｅｔｅｃｔｏｒ ｏｆ ＦｌａｍｅＧｕｏ ＪｉａｎｂｉｎＹｉｙａｎｇ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｉｎｄｕｓｔｒｙ Ｓｃｈｏｏｌ， Ｙｉｙａｎｇ． Ｈｕｎａｎ ４１３０５４， Ｃｈｉｎａ紅外線的輻射能量時(shí)，其表面上就會(huì)產(chǎn)生電荷的變化，這種現(xiàn)象稱(chēng)為熱釋電效應(yīng)。當(dāng)有火焰或者高溫物體釋放的波動(dòng)的紅外線照射到熱釋電敏感晶體上時(shí)，熱釋電效應(yīng)極為明顯，因此可以結(jié)合后續(xù)的放大處理電路，以及判斷處理軟件，可以很可靠地檢測(cè)到是否有火焰產(chǎn)生。熱釋電效應(yīng)傳感器［１－５］熱釋電紅外傳感器結(jié)構(gòu)如圖１所示，熱釋電紅外傳感器主要由外殼、濾光片、熱釋電元件、結(jié)型場(chǎng)效應(yīng)管、電阻等組成，其中場(chǎng)效應(yīng)管起到阻抗變換的作用，而窗口處的濾光片是為濾去無(wú)用的紅外線，讓有用的紅外線進(jìn)入窗口。在火焰探測(cè)系統(tǒng)中，火焰探測(cè)傳感器大多選用４． １～４． ７μｍ的濾光片，選用此濾光片是由于火焰的紅外輻射波長(zhǎng)集中在這個(gè)波段內(nèi)，并且該波段內(nèi)沒(méi)有日光輻射的干擾、紅外輻射波長(zhǎng)能穿透能力強(qiáng)。此外，為了獲得較強(qiáng)的有效輸出，該傳感器內(nèi)部將兩個(gè)極性相反、特性一致的探測(cè)元串接在一起，利用兩個(gè)極性相反、大小相等的干擾信號(hào)在內(nèi)部相互抵消的原理來(lái)使傳感器得到補(bǔ)償，可以有效地防止因太陽(yáng)光等紅外線及環(huán)境溫度變化而引起的誤差。此外，在紅外熱釋電傳感器內(nèi)部，
熱釋圖４ 雙波段紅外熱釋電火焰探測(cè)器放大濾波電路圖３ 雙波段紅外熱釋電火焰探測(cè)報(bào)警器系統(tǒng)框圖圖２ 紅外熱釋電傳感器外形圖圖
１ 紅外熱釋電傳感器結(jié)構(gòu)摘 要基于紅外熱釋電效應(yīng)原理，結(jié)合火焰的特征，提出了用雙通道參比來(lái)判定火情的方法。采用一個(gè)通道的傳感器敏感火焰的紅外輻射，另一個(gè)通道獲取背景輻射的方案，通過(guò)后續(xù)的放大濾波電路，對(duì)雙路信號(hào)進(jìn)行放大、帶通濾波，通過(guò)帶有Ａ／Ｄ的單片機(jī)對(duì)雙路信號(hào)進(jìn)行采集后，再對(duì)兩路信號(hào)的變化值進(jìn)行對(duì)比判定。相比于背景通道，如果火焰通道的增量超過(guò)一定的閥值，并且維持若干時(shí)間段，就可判定火情發(fā)生。實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，該方法反應(yīng)迅速，判斷準(zhǔn)確，誤判率低，能及時(shí)準(zhǔn)確地判定是否有火情產(chǎn)生。關(guān)鍵詞紅外熱釋電傳感器；火焰探測(cè)；帶通濾波；放大中圖分類(lèi)號(hào)：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－電元件和場(chǎng)效應(yīng)管裝在一起，通過(guò)場(chǎng)效應(yīng)管，將電荷的變化轉(zhuǎn)換成與紅外輻射強(qiáng)度成正比例的電壓的變化。使用時(shí)Ｄ端接電源正極，Ｇ（Ｅ）端接電源負(fù)極，Ｓ端為信號(hào)輸出。圖２為紅外熱釋電傳感器的實(shí)際外形圖。２ 雙波段紅外熱釋電火焰探測(cè)器原理及后續(xù)處理電路雙波段紅外熱釋電火焰探測(cè)器采用火焰與背景輻射參比，兩個(gè)紅外傳感元件在兩個(gè)不同特征波段上對(duì)火焰信號(hào)和背景光信號(hào)的輻射變化做出響應(yīng)， 再由單片機(jī)實(shí)時(shí)采集這兩路信號(hào)，通過(guò)兩路信號(hào)的對(duì)比，可以抑制背景干擾而得到真實(shí)的火焰輻射信號(hào)，有效地提高對(duì)火焰探測(cè)的可靠性。圖３為雙波段紅外熱釋電火焰探測(cè)報(bào)警器系統(tǒng)框圖。考慮到火焰輻射強(qiáng)度的最大值位于４．１μｍ～４．７μｍμｍ 的波長(zhǎng)范圍內(nèi)，因此，我們選擇的紅外火焰探測(cè)器的濾光片為４．４μｍ，背景探測(cè)通道的濾光片為３．８μｍ。圖４為雙波段紅外熱釋電火焰探測(cè)器其中一路的放大濾波電路，該電路用三個(gè)運(yùn)放組成高、低通放大器。將傳感器輸入的微弱信號(hào)進(jìn)行有源濾波放大。按圖４ 所示參數(shù)計(jì)算得到，第一級(jí)放大
器增益，
第二級(jí)增益
，第三級(jí)增益可調(diào)，，大約為１０左右，總放大增益為： Ａ ＝ ５０ ×５０×２３～１０１ ＝５４５００～２５２５００ ＝ ９５～１０８ ｄＢ。此外，由于物體在燃燒時(shí)因供氧狀況的變動(dòng)和正在被燃燒材料的密度變化，會(huì)造成火焰的波動(dòng)，這種波動(dòng)的頻率一般在０．２Ｈｚ 到１００Ｈｚ 之間，所以電路設(shè)定的通帶頻率也需對(duì)應(yīng)于這種波動(dòng)的頻率具有選擇性，我們選擇一個(gè)通道，計(jì)算其通帶頻率如下：其中前兩級(jí)為帶通濾波器，現(xiàn)以第二
級(jí)為例子給予說(shuō)明電路的第三級(jí)為低通濾波器，其上限
截至頻率為所以本電路的通帶頻率為８～２８（Ｈｚ）３ 火警判定算法探測(cè)器用單片機(jī)采集雙通道的信號(hào)后，再通過(guò)相應(yīng)的軟件算法判斷是否有火情的產(chǎn)生，圖５為探測(cè)器的火警判定流程圖。其中，△火焰探測(cè)通道值：為火焰探測(cè)通道的電平變化值； △參比通道值：為背景探測(cè)通道的電平變化值。閥值、設(shè)定值１、設(shè)定值２均由試驗(yàn)確定。只有滿足這三個(gè)條件時(shí)才產(chǎn)生報(bào)警狀態(tài)， 否則為正常監(jiān)視狀態(tài)。４ 結(jié)論雙波段紅外熱釋電火焰探測(cè)器將火焰與背景輻射雙信息傳感技術(shù)、電子學(xué)技術(shù)和微處理器軟件算法有機(jī)結(jié)合，提高了探測(cè)器的靈敏度， 極大地降低了誤判的可能性。實(shí)踐中驗(yàn)證，該探測(cè)器能對(duì)１０米外的面積為１平方米的火焰做出正確判斷，如果加裝鏡頭及其他輔助設(shè)施，就能對(duì)更遠(yuǎn)更小面積的火情做出判斷。該紅外熱釋電火焰探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是響應(yīng)速度快，適合于易突然起
火且無(wú)煙霧的場(chǎng)所。圖５ 火警判定流程圖超導(dǎo)熱管中進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定和理論分析，結(jié)果表明：納米顆粒可以明顯地增大流體的導(dǎo)熱性能。一般來(lái)講不同金屬粒子其導(dǎo)熱系數(shù)的增量不同；溫度不同其導(dǎo)熱系數(shù)的增量也不同；介質(zhì)的熱傳導(dǎo)系數(shù)一般隨粒子顆粒的減小而增大；隨固體納米粒子百分比的增大而增大。同時(shí)熱傳導(dǎo)系數(shù)還隨溫度的升高而增大。這表明，顆粒的布朗運(yùn)動(dòng)，顆粒與基液間的吸附層、顆粒內(nèi)部熱傳遞的尺度效應(yīng)，顆粒團(tuán)聚均可影響固－液流體介質(zhì)的導(dǎo)熱機(jī)制。顆粒的團(tuán)聚使得顆粒間夾雜液膜，這相當(dāng)于增大了懸浮液中顆粒的含量，從而強(qiáng)化了懸浮液的導(dǎo)熱性能，顯然固－液超導(dǎo)介質(zhì)作為一種新型介質(zhì)為熱能的傳輸提供了一種更為有效的手段，這一新材料的研究是目前國(guó)際上研究和開(kāi)發(fā)的熱點(diǎn)之一。這一研究成果的利用必將為我國(guó)太陽(yáng)熱能量的應(yīng)用做出應(yīng)有的貢獻(xiàn) |
