本發(fā)明屬于火焰探測技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種兩紅外兩紫外的紅紫復(fù)合探測技術(shù)實(shí)現(xiàn)火焰探測的裝置及方法。

背景技術(shù)：

在生產(chǎn)、加工、儲存、使用和運(yùn)輸各種可燃物質(zhì)的部門，飛機(jī)停機(jī)庫、大型油氣罐區(qū)、關(guān)鍵的石油化工裝置及自動加工工廠等部門，都需要配備性能可靠、反應(yīng)靈敏的火焰探測器。眾所周知，若能在火苗剛剛?cè)计饡r，火焰探檢器就能立即探測到“小火”,人們便能盡快采取滅火措施，從而避免或減少損失，往往比較容易奏效。因此，無論是單純的火焰探測系統(tǒng)，還是作為自動滅火系統(tǒng)一部分的火焰檢測，都對火焰探測探頭提出了相當(dāng)高的要求。首先是探頭要有高的靈敏度，同時要有高的可靠性，再有就是希望探頭要有大的檢測距離，即有大的保護(hù)范圍。

火焰探測器的定義：物質(zhì)燃燒時，在產(chǎn)生煙霧和放出熱量的同時，也產(chǎn)生可見或不可見的光輻射，因此，火焰探測器又稱感光式火災(zāi)探測器，它是用于響應(yīng)火災(zāi)的光特性，即擴(kuò)散火焰燃燒的光照強(qiáng)度和火焰的閃爍頻率的一種火災(zāi)探測器。各種光學(xué)火焰探測器探頭都選擇火焰光的某些頻帶范圍,而且是“火焰”所具有的比較特殊的頻帶。目前使用廣泛的火焰探測器主要有四種：單紫外(UV) 探測器、單紅外(IR)探測器、雙紅外(IR)探測器和紫外(UV) /紅外(IR)復(fù)合探測器。

傳統(tǒng)火焰探測器存在的缺點(diǎn)：單紅外或者單紫外火焰探測器的抗干擾能力較差，較容易受太陽光、熱源、熒光燈、白熾燈等背景光的影響而產(chǎn)生誤報警，因此，這類火焰探測器僅適用于自然光線有限的封閉空間；雙波段紅外火焰探測器一定程度上克服了背景輻射的干擾，提高了火災(zāi)探測靈敏度，具有比單波段紅外火焰探測器更好的探測性能，但整體上依然存在誤報警率高、探測距離短等缺點(diǎn)；傳統(tǒng)的紫外紅外復(fù)合式火焰探測器受限于紫外光電管的使用方式，響應(yīng)時間較長，這類火焰探測器無法滿足對火焰的快速響應(yīng)要求；除此之外現(xiàn)有的火焰探測器在信號處理過程中，多采用線性放大技術(shù)，無法偵測到微小信號，同時動態(tài)范圍較小，致使火焰探測器靈敏度低，探測距離有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種兩紅外兩紫外的紅紫復(fù)合探測技術(shù)實(shí)現(xiàn)火焰探測的裝置，改善現(xiàn)有火焰探測器靈敏度低、誤報率高等問題。

本發(fā)明提供了一種兩紅外兩紫外的紅紫復(fù)合探測技術(shù)實(shí)現(xiàn)火焰探測的裝置，其特征在于：它包括四個火焰探測器；每個火焰探測器均依次經(jīng)其對應(yīng)的對數(shù)放大器、帶通濾波器和高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器(ADC)與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)電連接，現(xiàn)場可編程門陣列并行處理四個火焰探測器所在通道的數(shù)字信號；現(xiàn)場可編程門陣列與微控制單元(MCU)電連接，微控制單元設(shè)置有RS485 接口和CAN總線接口，微控制單元輸出0～20mA電流環(huán)并通過輸出不同的電流值表明檢測結(jié)果；四個火焰探測器分別為兩個紅外探測器和兩個紫外探測器；其中兩紅外探測器的中心波長分別為 4.3nm和3.8nm，兩紫外探測器的中心波長分別為254nm和355nm。

所述微控制單元的輸出端連接有LED指示燈，所述LED指示為三色LED指示燈，通過不同顏色和不同閃爍頻率表明檢測結(jié)果。

所述紫外探測器包括管帽和底座，管帽和底座配合形成密閉空間；管帽一端嵌設(shè)有窗口材料，所述密閉空間內(nèi)設(shè)置有PCB板，PCB 上設(shè)置有光電二極管和前置放大電路；光電二極管檢測管帽外部空氣中的光信號并將其轉(zhuǎn)換為電流信號傳遞至前置放大電路；前置放大電路將接收到的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出；底座上設(shè)置有連接前置放大電路輸出端的輸出引腳、連接前置放大電路電源輸入端的電源引腳、連接前置放大電路接地端的接地引腳、用于與外部接地端連接的接地管腳。

上述技術(shù)方案中，所述前置放大電路包括放大器；放大器的正極輸入端接地；放大器的負(fù)極輸入端連接光電二極管的陰極，光電二極管的陽極的接地；放大器的負(fù)極輸入端和輸出端之間連接有反饋電阻；反饋電阻兩端并聯(lián)有補(bǔ)償電容；放大器的負(fù)極輸入端經(jīng)PD 內(nèi)阻接地；放大器的負(fù)極輸入端經(jīng)PD結(jié)電容接地。所述密閉空間填充氮?dú)饣蛘哒婵眨凰龃翱诓牧蠟槭⒉ＡЩ蛘邽V光片；所述光電二極管采用GaN半導(dǎo)體材料制成。

本發(fā)明提供了一種兩紅外(IR)兩紫外(UV)的紅紫復(fù)合探測技術(shù)實(shí)現(xiàn)火焰探測的方法，其特征在于包括以下步驟：所述四個火焰探測器對火焰及周邊信號進(jìn)行采集；對數(shù)放大器將其對應(yīng)的火焰探測器采集的信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號；帶通濾波器對其對應(yīng)對數(shù)放大器處理后的模擬電壓信號進(jìn)行濾波處理；高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將其對應(yīng)帶通濾波器過濾后的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；所述現(xiàn)場可編程門陣列將所述4個高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器處理后的信號進(jìn)行并行處理，形成識別真實(shí)火焰的判斷依據(jù)，并根據(jù)該判斷依據(jù)獲得檢測結(jié)果信號并提供給所述微控制單元；微控制單元將信息輸出給外圍接口電路。

上述技術(shù)方案包括以下步驟：

步驟1，兩個紅外探測器和兩個紫外探測器對火焰及周邊信號進(jìn)行采集，其中兩紅外探測器的中心波長分別為4.3nm和3.8nm，兩紫外探測器的中心波長分別為254nm和355nm；

步驟2，對數(shù)放大器對其對應(yīng)的火焰探測器采集的信號分別進(jìn)行電荷放大，將pA級微弱電流信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，保證電流的寬動態(tài)范圍采集與轉(zhuǎn)換；

步驟3，帶通濾波器對所述對數(shù)放大器處理后的模擬電壓信號分別進(jìn)行濾波處理，截取火焰閃爍頻率(3～30Hz)范圍內(nèi)的低頻信號，屏蔽頻譜特性為直流的光源；

步驟4，高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將所述帶通濾波器過濾后的模擬電壓信號分別轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，提高信噪比；

步驟5，采用所述現(xiàn)場可編程門陣列將所述4個高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器處理后的信號進(jìn)行并行處理，形成識別真實(shí)火焰的判斷依據(jù)，且當(dāng)設(shè)備工作環(huán)境中，出現(xiàn)某種物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的火焰時，所述現(xiàn)場可編程門陣列將根據(jù)該判斷依據(jù)獲得檢測結(jié)果信號并提供給所述微控制單元；

步驟6，由所述微控制單元控制所述現(xiàn)場可編程門陣列的處理流程，獲取所述現(xiàn)場可編程門陣列的檢測結(jié)果信號，并將信息輸出給外圍接口電路，即LED指示燈、0～20mA電流環(huán)輸出、RS485接口和CAN總線接口。

所述現(xiàn)場可編程門陣列是對四個通道數(shù)字信號并行處理的微處理器；紅外探測器和紫外探測器輸出信號經(jīng)過電荷放大，閃爍頻率濾波，模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入到現(xiàn)場可編程門陣列，在現(xiàn)場可編程門陣列內(nèi)部，對數(shù)字信號進(jìn)行平滑濾波和歸一化預(yù)處理得到入射光強(qiáng)的二進(jìn)制數(shù)值，然后分別對紅外和紫外兩個通道的入射光強(qiáng)二進(jìn)制數(shù)值做幅值比較運(yùn)算，并設(shè)置置信區(qū)間，形成識別真實(shí)火焰的判斷依據(jù)；當(dāng)設(shè)備工作環(huán)境中，出現(xiàn)某種物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的火焰時，現(xiàn)場可編程門陣列可以根據(jù)該“判斷依據(jù)”獲得檢測結(jié)果信號并提供給微控制單元；該檢測結(jié)果信號包括：“故障”、“正常”、“檢測到紅外”、“檢測到紫外”、“預(yù)報警”、“報警”；所述現(xiàn)場可編程門陣列支持四個通道數(shù)字信號并行處理，減小運(yùn)算延時，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。

所述中心波長在4.3um的紅外探測器對火焰紅外輻射有強(qiáng)烈響應(yīng)，用于實(shí)現(xiàn)對火焰的檢測；中心波長在3.8um的紅外探測器用于實(shí)現(xiàn)對背景的檢測。中心波長在3.8um的紅外探測器對太陽光的響應(yīng)強(qiáng)度比中心波長在4.3um的紅外探測器對太陽光的響應(yīng)強(qiáng)度高，但是對火焰紅外輻射的響應(yīng)強(qiáng)度比中心波長在4.3um的紅外探測器對火焰紅外輻射的響應(yīng)強(qiáng)度低，可以用于實(shí)現(xiàn)對背景的檢測。

所述兩個紅外探測器，在有火焰和無火焰時輸出響應(yīng)增加值有明顯變化，通過對兩個紅外探測器的響應(yīng)增加值的對比實(shí)現(xiàn)克服背景干擾，以檢測到真實(shí)火焰。

所述中心波長在254nm和355nm兩個紫外探測器，在紫外光譜范圍內(nèi)，對金屬類，烴類有機(jī)化合物燃燒時的火焰有不同的輸出響應(yīng)強(qiáng)度。

所述對于金屬類燃燒物，254nm的紫外探測器輸出響應(yīng)強(qiáng)于 355nm的紫外探測器；對于烴類化合物燃燒物，355nm的紫外探測器輸出響應(yīng)強(qiáng)于254nm的紫外探測器；當(dāng)紅外探測器識別到真實(shí)火焰時，通過兩個紫外探測器輸出響應(yīng)增加值的對比分析燃燒物種類。

本發(fā)明采用不同波段的兩紅外兩紫外探測器組成的傳感器陣列，利用不同波段紅外、紫外探測器的響應(yīng)特性差異，通過信號處理及對響應(yīng)增加值差異的系統(tǒng)分析，能對太陽光、閃電、電焊、人工光源、熱輻射等干擾有很好的抑制，實(shí)現(xiàn)真實(shí)火焰探測。本發(fā)明通過特定波長的兩紅外兩紫外探測器實(shí)現(xiàn)紅紫復(fù)合火焰探測的方法，可以有效地識別真實(shí)火焰，改善誤報率，同時可以對火焰燃燒物種類在一定程度上進(jìn)行區(qū)分，更好的指導(dǎo)火焰報警后的防爆滅火工作。本發(fā)明由傳感器陣列、對數(shù)放大器、帶通濾波器、高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器和現(xiàn)場可編程門陣列等部件組成的火焰探測設(shè)備，現(xiàn)場可編程門陣列支持四個通道數(shù)字信號并行處理，減小運(yùn)算延時，從而提高系統(tǒng)響應(yīng)速度，整個設(shè)備具有較高的靈敏度，可以迅速的預(yù)報火焰。本發(fā)明的紫外探測器選擇合適的TIA運(yùn)放器件，跨阻放大器即TIA應(yīng)用于弱光檢測場合，可以將PD(光電二極管)輸出的電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號，以實(shí)現(xiàn)將芯片電流輸出轉(zhuǎn)換為電壓輸出，方便用戶直接使用，不需要再專門配置轉(zhuǎn)換電路。紫外探測器內(nèi)部的前置放大電路和外部的對數(shù)放大器相配合實(shí)現(xiàn)兩級放大，進(jìn)一步提高靈敏度。

附圖說明

圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是紫外探測器結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3是紫外探測器的電路示意圖。

其中，1-管帽；2-窗口材料；3-光電二極管；4-PCB板；5-底座。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說明，便于清楚地了解本發(fā)明，但它們不對本發(fā)明構(gòu)成限定。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種兩紅外兩紫外的紅紫復(fù)合探測技術(shù)實(shí)現(xiàn)火焰探測的裝置，其特征在于：它包括四個火焰探測器；四個火焰探測器形成并列的傳感器陣列；每個火焰探測器均依次經(jīng)其對應(yīng)的對數(shù)放大器、帶通濾波器和高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器與現(xiàn)場可編程門陣列電連接，現(xiàn)場可編程門陣列并行處理四個火焰探測器所在通道的數(shù)字信號；現(xiàn)場可編程門陣列與微控制單元電連接，微控制單元設(shè)置有RS485接口和CAN總線接口，微控制單元輸出 0～20mA電流環(huán)并通過輸出不同的電流值表明檢測結(jié)果；四個火焰探測器分別為兩個紅外探測器和兩個紫外探測器；其中，IR1和IR2 為紅外探測器，中心波長分別為4.3nm和3.8nm，所述UV1和UV2 位紫外探測器，中心波長分別為254nm和355nm。所述RS485輸出，實(shí)現(xiàn)電平標(biāo)準(zhǔn)轉(zhuǎn)換，便于系統(tǒng)輸出信息的長距離傳輸；所述CAN 總線輸出，實(shí)現(xiàn)CAN總線協(xié)議，便于系統(tǒng)間信息交互。

所述微控制單元的輸出端連接有LED指示燈，所述LED指示為三色LED指示燈，通過不同顏色和不同閃爍頻率表明檢測結(jié)果，該檢測結(jié)果包括“故障--黃燈常亮；正常--綠燈1Hz閃爍；檢測到紅外--紅燈1Hz閃爍；檢測到紫外--紅燈2Hz閃爍；預(yù)報警--紅燈 4Hz閃爍；報警--紅燈常亮。0～20mA電流環(huán)輸出電流值表示的檢測結(jié)果如下：故障--0mA；正常--4mA；檢測到紅外--8mA；檢測到紫外--12mA；預(yù)報警--16mA；報警--20mA。

所述火焰探測器內(nèi)部設(shè)置有前置放大電路，有效減少火焰探測器本身的體積并通過火焰探測器本體直接輸出電壓信號，進(jìn)一步減少探測裝置的整體體積。前置放大電路與外部對數(shù)放大器相互配合實(shí)現(xiàn)雙級放大，進(jìn)一步保證輸出信號的精度?；鹧嫣綔y器包括管帽和底座，管帽和底座配合形成密閉空間；管帽一端嵌設(shè)有窗口材料，所述密閉空間內(nèi)設(shè)置有PCB板，PCB上設(shè)置有光電二極管和前置放大電路；光電二極管檢測管帽外部空氣中的光信號并將其轉(zhuǎn)換為電流信號傳遞至前置放大電路；前置放大電路將接收到的電流信號轉(zhuǎn)換為電壓信號輸出；底座上設(shè)置有連接前置放大電路輸出端的輸出引腳、連接前置放大電路電源輸入端的電源引腳、連接前置放大電路接地端的接地引腳、用于與外部接地端連接的接地管腳。所述密閉空間填充氮?dú)饣蛘哒婵?。所述窗口材料為石英玻璃或者濾光片。所述光電二極管根據(jù)不同的需求采用GaN半導(dǎo)體材料制成，以實(shí)現(xiàn)紅外探測或者紫外探測。所述前置放大電路包括放大器；放大器的正極輸入端接地；放大器的負(fù)極輸入端連接光電二極管的陰極，光電二極管的陽極的接地；放大器的負(fù)極輸入端和輸出端之間連接有反饋電阻；反饋電阻兩端并聯(lián)有補(bǔ)償電容。放大器的負(fù)極輸入端經(jīng)PD內(nèi)阻接地；放大器的負(fù)極輸入端經(jīng)PD結(jié)電容接地。

本發(fā)明提供了一種兩紅外(IR)兩紫外(UV)的紅紫復(fù)合探測技術(shù)實(shí)現(xiàn)火焰探測的方法，其特征在于包括以下步驟：所述四個火焰探測器對火焰及周邊信號進(jìn)行采集；對數(shù)放大器將其對應(yīng)的火焰探測器采集的信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號；帶通濾波器對其對應(yīng)對數(shù)放大器處理后的模擬電壓信號進(jìn)行濾波處理；高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將其對應(yīng)帶通濾波器過濾后的模擬電壓信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號；所述現(xiàn)場可編程門陣列通過數(shù)學(xué)模型和軟件算法將所述4個高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器處理后的信號進(jìn)行并行處理，形成識別真實(shí)火焰的判斷依據(jù)，并根據(jù)該判斷依據(jù)獲得檢測結(jié)果信號并提供給所述微控制單元；微控制單元將信息輸出給外圍接口電路。

上述技術(shù)方案包括以下步驟：

步驟1，由兩個紅外探測器和兩個紫外探測器形成的傳感器陣列對火焰及周邊信號進(jìn)行采集，其中兩紅外探測器的中心波長分別為4.3nm和3.8nm，兩紫外探測器的中心波長分別為254nm和 355nm；

步驟2，對數(shù)放大器對所述傳感器陣列采集的信號分別進(jìn)行電荷放大，將pA級微弱電流信號轉(zhuǎn)換成模擬電壓信號，保證電流的寬動態(tài)范圍采集與轉(zhuǎn)換；

步驟3，帶通濾波器對所述對數(shù)放大器處理后的模擬電壓信號分別進(jìn)行濾波處理，截取火焰閃爍頻率(3～30Hz)范圍內(nèi)的低頻信號，屏蔽頻譜特性為直流的光源(太陽光，氙氣燈，紫外燈等)；

步驟4，高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器將所述帶通濾波器過濾后的模擬電壓信號分別轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，該設(shè)備為16bit高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器，提高信噪比；

步驟5，采用所述現(xiàn)場可編程門陣列通過數(shù)學(xué)模型和軟件算法將所述4個高精度模擬數(shù)字轉(zhuǎn)換器處理后的信號進(jìn)行并行處理，形成識別真實(shí)火焰的判斷依據(jù)，且當(dāng)設(shè)備工作環(huán)境中，出現(xiàn)某種物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的火焰時，所述現(xiàn)場可編程門陣列將根據(jù)該判斷依據(jù)獲得檢測結(jié)果信號并提供給所述微控制單元；

步驟6，由所述微控制單元控制所述現(xiàn)場可編程門陣列的處理流程，獲取所述現(xiàn)場可編程門陣列的檢測結(jié)果信號，并將信息輸出給外圍接口電路，即LED指示燈、0～20mA電流環(huán)輸出、RS485接口和CAN總線接口。

所述現(xiàn)場可編程門陣列是一款基于數(shù)學(xué)模型和軟件算法且能對四個通道數(shù)字信號并行處理的微處理器；紅外探測器和紫外探測器輸出信號經(jīng)過電荷放大，閃爍頻率濾波，模數(shù)轉(zhuǎn)換后輸入到現(xiàn)場可編程門陣列，在現(xiàn)場可編程門陣列內(nèi)部，對數(shù)字信號進(jìn)行平滑濾波和歸一化預(yù)處理得到入射光強(qiáng)的二進(jìn)制數(shù)值，然后分別對紅外和紫外兩個通道的入射光強(qiáng)二進(jìn)制數(shù)值做幅值比較運(yùn)算，并設(shè)置置信區(qū)間，形成識別真實(shí)火焰的判斷依據(jù)；當(dāng)設(shè)備工作環(huán)境中，出現(xiàn)某種物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的火焰時，現(xiàn)場可編程門陣列可以根據(jù)該“判斷依據(jù)”獲得檢測結(jié)果信號并提供給微控制單元；該檢測結(jié)果信號包括：“故障”、“正?！薄ⅰ皺z測到紅外”、“檢測到紫外”、“預(yù)報警”、“報警”；所述現(xiàn)場可編程門陣列支持四個通道數(shù)字信號并行處理，減小運(yùn)算延時，提高系統(tǒng)響應(yīng)速度。

所述中心波長在4.3um的紅外探測器對火焰紅外輻射有強(qiáng)烈響應(yīng)，用于實(shí)現(xiàn)對火焰的檢測；中心波長在3.8um的紅外探測器對太陽光的響應(yīng)強(qiáng)度比中心波長在4.3um的紅外探測器對太陽光的響應(yīng)強(qiáng)度高，但是對火焰紅外輻射的響應(yīng)強(qiáng)度比中心波長在4.3um的紅外探測器對火焰紅外輻射的響應(yīng)強(qiáng)度低，因此可以用于實(shí)現(xiàn)對背景的檢測。

所述兩個紅外探測器，在有火焰和無火焰時輸出響應(yīng)增加值有明顯變化，通過對兩個紅外探測器的響應(yīng)增加值的對比實(shí)現(xiàn)克服背景干擾，以檢測到真實(shí)火焰。

所述中心波長在254nm和355nm兩個紫外探測器，在紫外光譜范圍內(nèi)，對金屬類，烴類有機(jī)化合物燃燒時的火焰有不同的輸出響應(yīng)強(qiáng)度。

所述對于金屬類燃燒物，254nm的紫外探測器輸出響應(yīng)強(qiáng)于 355nm的紫外探測器；對于烴類化合物燃燒物，355nm的紫外探測器輸出響應(yīng)強(qiáng)于254nm的紫外探測器；當(dāng)紅外探測器識別到真實(shí)火焰時，通過兩個紫外探測器輸出響應(yīng)增加值的對比分析燃燒物種類

本說明書未作詳細(xì)描述的內(nèi)容屬于本領(lǐng)域?qū)I(yè)技術(shù)人員公知的現(xiàn)有技術(shù)。