專利名稱：火焰探測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明總體上涉及一種火焰探測(cè)裝置，尤其涉及一種從由一個(gè)成像器拍攝監(jiān)測(cè)目標(biāo)而獲得的火焰圖像判斷火焰的火焰探測(cè)裝置。
背景技術(shù)：
作為在先技術(shù)的處理監(jiān)視照相機(jī)拍攝的圖像以及判斷由失火引起的火焰的方法，眾所周知的有(1)一種在CO2共振輻射波段提取紅外線的方法，該波段包括火焰發(fā)出的光中特有的波長，(2)一種推斷火焰閃爍頻率的方法，該閃爍頻率是在CO2共振輻射波段中的紅外線光強(qiáng)度的時(shí)間上的變化，以及(3)一種推斷時(shí)間上的擴(kuò)大和縮減的探測(cè)結(jié)果的方法，該時(shí)間上的擴(kuò)大和縮減是燃燒中火焰的圖像的空間特性。因此，在先技術(shù)中進(jìn)行圖像處理的火焰探測(cè)裝置配有一個(gè)進(jìn)口窗以保護(hù)裝置內(nèi)部免受灰塵和露珠等的侵襲。在先技術(shù)的火焰探測(cè)裝置進(jìn)一步配備一個(gè)帶通濾光器以提取CO2共振輻射波段的紅外線，一個(gè)成像器以拍攝提取的紅外線的圖像，一個(gè)透鏡機(jī)構(gòu)以投射監(jiān)視空間的圖像到成像器上，以及一個(gè)處理部分以處理成像器輸出的圖像信號(hào)以及判斷由失火引起的火焰。
火焰特有的中心波長為4.5μm的CO2共振輻射波段適合于判斷火焰，因?yàn)樗哂辛己玫南嚓P(guān)于火焰以外的外界光的信噪比(SNR)。但是，拍攝CO2共振輻射波段的紅外線成像器需要一個(gè)復(fù)雜的冷卻結(jié)構(gòu)等。而且，紅外線成像器非常昂貴，并且體積龐大。
另一方面，作為一種從CO2共振輻射波段中的紅外線探測(cè)火焰的方法，有一種已知的在先技術(shù)的使用熱電元件而非紅外線成像器的火焰探測(cè)器。使用熱電元件的火焰探測(cè)器結(jié)構(gòu)簡單而且便宜。但是，由于該火焰探測(cè)器不進(jìn)行圖像處理，它不能探測(cè)燃燒中火焰圖像的空間特性的時(shí)間上的擴(kuò)大和縮減。由于這個(gè)原因，這種火焰探測(cè)器在火焰探測(cè)精確度上比使用紅外線成像器的圖像處理方法差。
作為一種便宜的成像器，有一種電荷耦合器件(CCD)成像器被用在普通的視像拍攝機(jī)器上等。電荷耦合器件成像器在價(jià)格上相對(duì)較低并且性能優(yōu)良。但是，在電荷耦合器件(CCD)成像器中，可以進(jìn)行拍攝的波長段被限制在可見光到近紅外線(大約1.2μm)的狹窄范圍內(nèi)，而且不能達(dá)到最反映火焰特性的CO2共振輻射波段。
另外，火焰發(fā)出的光能比CCD成像器的動(dòng)態(tài)范圍高得多。由于這個(gè)原因，如果由失火引起的火焰被一個(gè)使用CCD成像器的監(jiān)視照像機(jī)拍攝到，將引起暈光(信號(hào)飽和)。
在由失火引起的火焰被紅外線成像器拍攝到的例子中，火焰發(fā)出的光能將超過成像器的動(dòng)態(tài)范圍并引起暈光。因此，紅外線成像器具有與上述CCD成像器相同的問題。即使通過光圈控制和增益控制都不能抑制這種暈光。由于這個(gè)原因，CCD成像器不能抓住火焰的空間特性，因此不適合探測(cè)和監(jiān)視火焰。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是考慮到上述情況而作出的。因此，本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種小巧便宜的火焰探測(cè)裝置，該裝置能夠使用CCD成像器精確地判斷火焰。本發(fā)明的另一目的是提供一種火焰探測(cè)裝置，當(dāng)使用一個(gè)成像器的時(shí)候，該裝置能夠容易地提高火焰圖像的灰度分辨率。本發(fā)明的還有一個(gè)目的是提供一種小巧便宜的火焰探測(cè)裝置，它通過將一個(gè)紅外傳感器例如焦熱電元件和一個(gè)CCD成像器相結(jié)合使高度精確地判斷火焰成為可能。
為達(dá)到上述目的，根據(jù)本發(fā)明，提供了一種第一火焰探測(cè)裝置以探測(cè)由失火引起的火焰，該裝置包括一個(gè)光衰減濾光器以衰減90％或更多來自火焰發(fā)射的波長在可見光到近紅外波段之間的光。第一火焰探測(cè)裝置進(jìn)一步包括一個(gè)拍攝經(jīng)衰減的入射在其上的光的圖像的成像器，以及一個(gè)處理部分以從成像器獲得的圖像中判斷火焰。
在本發(fā)明的第一火焰探測(cè)裝置中，入射到成像器的90％或更多的光被光衰減濾光器衰減，這樣入射光的數(shù)量處于成像器的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。因此，當(dāng)拍攝火焰時(shí)，就能防止在傳統(tǒng)的使用成像器的火焰探測(cè)裝置中會(huì)發(fā)生的暈光，并且從成像器獲得的圖像中能抓住火焰的空間特性。因此，在第一火焰探測(cè)裝置中，通過使用一種不能用于傳統(tǒng)的火焰探測(cè)裝置以感測(cè)由失火引起的火焰的成像器使感測(cè)火焰成為可能。
在本發(fā)明的第一火焰探測(cè)裝置中，成像器可以包括一種電荷耦合器件CCD成像器。如前所述，CCD傳感器的靈敏度在可見光到大約1.2μm的狹窄范圍內(nèi)，而且不能達(dá)到最反映火焰特性的中心波長為4.5μm的CO2共振輻射波段。但是，由于火焰發(fā)射出寬波長范圍的光(紫外線，可見光，近紅外以及紅外線范圍)，有充分的可能用CCD傳感器拍攝火焰。而且，眾所周知，對(duì)于火焰的閃爍和空間特性，CCD成像器的敏感波段與CO2共振輻射波段相似。因此，從CCD成像器拍攝的圖像高度精確地判斷火焰有充分的可能性。
上述的光衰減濾光器可以包括一種中性密度(ND)濾光器以衰減90％或更多可見光到近紅外波段之間預(yù)定波長的光，以及一個(gè)可見光截?cái)酁V光器以截?cái)囝A(yù)定波長或比預(yù)定波長更小的可見光波段的光。
根據(jù)本發(fā)明，提供了一種第二火焰探測(cè)裝置以探測(cè)由失火引起的火焰，該裝置包括一個(gè)紅外帶通濾光器，以衰減90％或更多火焰發(fā)射的波長在紅外波段的光。第二火焰探測(cè)裝置進(jìn)一步包括一個(gè)紅外成像器，以拍攝經(jīng)衰減的入射在其上的光的圖像，以及一個(gè)處理部分，以從紅外成像器獲得的圖像中判斷火焰。
第二火焰探測(cè)裝置使用一種紅外成像器，該成像器具有在二氧化碳共振輻射波段的靈敏度，并且90％或者更多的入射到紅外成像器的紅外線被紅外帶通濾光器衰減，以衰減90％或者更多的光。因此得到一個(gè)帶有相應(yīng)于火焰發(fā)射的紅外線的灰度水平值的圖象信號(hào)(像素信號(hào))，最充分利用了紅外成像器的動(dòng)態(tài)范圍。作為結(jié)果，可以容易地增強(qiáng)圖象信號(hào)的分辨率，并且可以基于高精確性的圖象處理來進(jìn)行火焰判斷。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，提供了一種第三火焰探測(cè)裝置，用以探測(cè)失火引起的火焰。該裝置包括一個(gè)光衰減濾光器，以衰減90％或者更多的由火焰發(fā)射的波長在可見光到近紅外波段的光。第三火焰探測(cè)裝置還包括一個(gè)成像器，以拍攝經(jīng)衰減的入射在其上的光的圖像；一個(gè)特定波長傳送濾光器，以傳送波長在二氧化碳共振輻射波段的光；以及一個(gè)紅外傳感器，以接收通過特定波長傳送濾光器傳送的光，并將接收到的光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。第三火焰探測(cè)裝置進(jìn)一步包括一個(gè)處理部分，以從成像器獲得的圖像在時(shí)間上擴(kuò)大和縮減的變化中，以及從由紅外傳感器輸出的電信號(hào)獲得的閃爍頻率中來判斷火焰。
在第三火焰探測(cè)裝置的最佳形式中，成像器包括一個(gè)CCD成像器。除了基于CCD成像器圖像處理的火焰判斷外，還使用上述特定帶通濾光器以及上述紅外傳感器(例如，熱電元件等)探測(cè)二氧化碳共振輻射波段的紅外線。因此除了CCD成像器的優(yōu)點(diǎn)外，通過直接探測(cè)二氧化碳共振輻射波段的紅外線，能夠以較低的費(fèi)用很容易地提高火焰判斷的精確度。
進(jìn)一步根據(jù)本發(fā)明，提供了第四火焰探測(cè)裝置，以探測(cè)由失火引起的火焰，該裝置包括一個(gè)光衰減濾光器，以衰減90％或者更多的由火焰發(fā)射的波長在可見光到近紅外波段的光。第四火焰探測(cè)裝置還包括一個(gè)成像器，以拍攝經(jīng)衰減的入射在其上的光的圖像。而且第四火焰探測(cè)裝置包括(1)一個(gè)第一紅外傳感器，配以一個(gè)第一特定波長傳送濾光器以傳送第一波長即低于二氧化碳共振輻射波段的中心波長的光，第一紅外傳感器可操作地接收通過第一特定波長傳送濾光器傳送的光，并將接收到的光轉(zhuǎn)換成一個(gè)電信號(hào)。(2)一個(gè)第二紅外傳感器，配以一個(gè)第二特定波長傳送濾光器，以傳送第二波長即二氧化碳共振輻射波段的中心波長的光，第二紅外傳感器可操作地接收通過第二特定波長傳送濾光器傳送的光，并將接收到的光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；(3)一個(gè)第三紅外傳感器，配以一個(gè)第三特定波長傳送濾光器，以傳送高于第二波長的第三波長的光；第三紅外傳感器可操作的接收通過第三特定波長傳送濾光器傳送的光，并將接收到的光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；和(4)一個(gè)處理部分，從由成像器獲得的圖像在時(shí)間上的擴(kuò)大和縮減的變化中，以及從由第一、第二和第三紅外傳感器輸出的電信號(hào)獲得的峰值分布中來判斷火焰。
在本發(fā)明的第四火焰探測(cè)裝置中，除了基于CCD成像器所作的圖像處理的火焰判斷外，上述三個(gè)紅外傳感器抓住了CO2共振輻射波段的三個(gè)峰值強(qiáng)度的分配。因此，能夠以更高的精確度進(jìn)行火焰判斷。本發(fā)明的每一個(gè)上述火焰探測(cè)裝置都可以包括一個(gè)光圈機(jī)構(gòu)，以調(diào)節(jié)入射光的數(shù)量。在這個(gè)實(shí)例中，光圈機(jī)構(gòu)能夠增大和衰減不能被上述光衰減濾光器調(diào)節(jié)的光的數(shù)量。對(duì)于這種調(diào)節(jié)，一個(gè)放大部分中可以配備一個(gè)增益控制部分，該放大部分放大輸入到所述處理部分的信號(hào)。
結(jié)合附圖，本發(fā)明上述的以及進(jìn)一步的目的和新穎的特征將更完整地顯示在下面的詳細(xì)描述中。但是可以明確理解的是，附圖僅僅用于說明的目的而非用于限制本發(fā)明。
附圖簡要說明

圖1是根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例的使用CCD成像器的火焰探測(cè)裝置的示意圖；圖2是用于解釋圖1中所示的ND濾光器的頻率特性的曲線圖表；圖3顯示由ND濾光器衰減的入射光數(shù)量和CCD成像器的輸出范圍之間的關(guān)系；圖4是根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例的使用紅外成像器的火焰探測(cè)裝置的示意圖；圖5是根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例的使用CCD成像器和紅外成像器的火焰探測(cè)裝置的示意圖；圖6是火焰特有的CO2共振輻射波段特性曲線圖；圖7是根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例的使用數(shù)個(gè)不同的紅外帶通濾光器的火焰探測(cè)裝置的示意圖；圖8是本發(fā)明的第四實(shí)施例的火焰探測(cè)裝置探測(cè)到的CO2共振輻射波段中的三個(gè)不同波長的曲線圖。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的最佳實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)描述。
現(xiàn)在參考圖1，圖中描述了一種根據(jù)本發(fā)明的第一實(shí)施例構(gòu)造的火焰探測(cè)裝置。第一實(shí)施例的火焰探測(cè)裝置其特點(diǎn)是使用了一個(gè)CCD成像器?；鹧嫣綔y(cè)裝置包括一個(gè)入口窗10，一個(gè)中性密度(ND)濾光器12，以及一個(gè)可見光截?cái)酁V光器14。為了防止灰塵、露珠及類似物的侵襲，入射窗10由藍(lán)寶石玻璃制成。ND濾光器12包括一個(gè)光衰減濾光器，其衰減90％或更多從監(jiān)測(cè)區(qū)域發(fā)射出來的光。
我們知道ND濾光器12是一種波長范圍在可見光到近紅外光之間的光衰減濾光器，以及具有例如圖2所示的傳送系數(shù)(0-1)。由于用于第一實(shí)施例的ND濾光器12要求傳送系數(shù)是0.1或更少(10％或更少)的濾光器特性，因此例如第一實(shí)施例使用濾光器特性是圖2中設(shè)置在傳送系數(shù)為13％的ND-13和傳送系數(shù)為0％的ND-0之間的ND-5(未顯示)的ND濾光器。可見光截?cái)酁V光器14截?cái)嗳缈梢姽獠ㄩL范圍為800nm或更少的波段，該可見光波段被包括在ND濾光器12衰減掉的90％或更多的光中。
第一實(shí)施例的火焰探測(cè)器也包括一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)以及一個(gè)CCD成像器22。光學(xué)系統(tǒng)由一個(gè)第一透鏡16，一個(gè)光圈機(jī)構(gòu)18，以及一個(gè)第二透鏡20組成。來自第二透鏡20的光入射到CCD成像器22的成像表面。光圈機(jī)構(gòu)18能夠進(jìn)一步調(diào)節(jié)光的數(shù)量，其中90％或更多的光數(shù)量已經(jīng)被ND濾光器12衰減了，而且可見光波段已經(jīng)被可見光截?cái)酁V光器14截?cái)?。CCD成像器22具有預(yù)先確定的配置在水平方向和垂直方向的CCD像素的數(shù)量，而且在預(yù)先確定的間隔中受驅(qū)動(dòng)通過二維掃描每個(gè)像素信號(hào)而讀出圖像信號(hào)，該像素信號(hào)對(duì)應(yīng)于根據(jù)入射光的數(shù)量存貯的電荷。如前指出的，關(guān)于入射在其上的入射光的CCD成像器22的圖像獲取靈敏度是在可見光到大約1.2μm(近紅外波段)的波長范圍內(nèi)，并沒達(dá)到包括在火焰特有的CO2共振輻射波段中的接近4.5μm的紅外波段。
第一實(shí)施例的火焰探測(cè)器進(jìn)一步包括一個(gè)放大部分24以及一個(gè)處理部分28。來自CCD成像器的圖像信號(hào)由放大部分24放大并被輸出到處理部分28。放大部分24被配備一個(gè)增益控制部分26，可以相關(guān)于處理部分28調(diào)節(jié)從CCD成像器22讀出的圖像信號(hào)的水平。由于這個(gè)原因，如圖1所示的第一實(shí)施例可以通過光圈機(jī)構(gòu)18和增益控制部分26進(jìn)行光學(xué)上的光——量調(diào)節(jié)以及電氣水平調(diào)節(jié)。
對(duì)于來自CCD成像器22的通過放大部分24放大的圖像信號(hào)，處理部分28從圖像信號(hào)判斷火焰的存在，基于(a)推斷火焰的閃爍頻率；以及(b)推斷火焰圖像時(shí)間上放大和縮減。
對(duì)于火焰閃爍頻率的推斷，我們知道火焰閃爍中心頻率是在2-3Hz附近，小于4.5Hz。因此，對(duì)于來自CCD成像器22的圖像信號(hào)，可隨著時(shí)間的流逝估算全部像素的增益水平值總和，以及在估算值上進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)來探測(cè)峰值頻率。如果這個(gè)峰值頻率例如處在火焰特有的2-3Hz中，圖像信號(hào)便被判定為火焰。
對(duì)于火焰圖像時(shí)間上的擴(kuò)大和縮減的推斷，來自CCD成像器22的圖像信號(hào)被二進(jìn)制化。然后，火焰區(qū)域通過分類被推斷。通過估算被推斷的火焰區(qū)域的面積，時(shí)間上火焰的擴(kuò)大和縮減就被推斷出來，從而判斷火焰。
在處理部分28中的火焰判斷可以通過閃爍頻率的推斷，或者通過時(shí)間上火焰擴(kuò)大或縮減的推斷而作出?；蛘?，兩者都可以被用于增強(qiáng)判斷精確度。
現(xiàn)在參考圖3，圖中描述了ND濾光器12衰減的入射光數(shù)量和CCD成像器22的輸出范圍之間的關(guān)系。假設(shè)CCD成像器22具有一個(gè)CCD輸出范圍200如箭頭所示，從探測(cè)目標(biāo)量的火焰中獲得的一個(gè)火焰輸出范圍100從接近CCD輸出范圍200的上限的水平到比CCD輸出范圍200高得多的水平擴(kuò)展。CCD輸出范圍200可以通過光圈控制和增益控制被擴(kuò)大到第一有效范圍300。但是，即使進(jìn)行光圈控制和增益控制，還是存在一個(gè)和火焰輸出范圍100相對(duì)應(yīng)的超出第一有效范圍300的范圍作為一個(gè)暈光范圍400(虛線顯示)，在此范圍中發(fā)生暈光。由于這個(gè)原因，在傳統(tǒng)火焰探測(cè)裝置使用CCD成像器的情況下，火焰的光能當(dāng)高因此而引起暈光。結(jié)果，在使用CCD成像器的傳統(tǒng)火焰探測(cè)裝置中，不能抓住火焰的特性。
因此，在第一實(shí)施例的火焰探測(cè)裝置中，90％或更多的入射光被ND濾光器12衰減掉。所以，來自火焰的90％或更多的光能被ND濾光器12衰減掉。結(jié)果，上述火焰輸出范圍100被轉(zhuǎn)換到衰減的火焰輸出范圍500，處在CCD輸出范圍200中。因此，即使CCD成像器22的CCD輸出范圍200就這樣被使用，衰減的火焰輸出范圍500的裝置設(shè)定還是能防止暈光并使CCD成像器22拍攝到火焰。注意衰減的火焰輸出范圍500可以通過光圈控制和增益控制，使用光圈機(jī)構(gòu)18和增益控制裝置26，而被增大到第二有效范圍600。
其次，將描述以組成從CCD成像器22讀出的圖像信號(hào)的每個(gè)像素的增益水平為基礎(chǔ)的分辨率。假設(shè)CCD成像器22提供的來自每個(gè)CCD像素的圖像信號(hào)是10比特?cái)?shù)據(jù)，圖3的CCD輸出范圍200可以在10比特?cái)?shù)據(jù)中表達(dá)，因此，具有1024增益水平的分辨率。另一方面，在衰減前的火焰輸出范圍100中，只有CCD成像器22的CCD輸出范圍200的上限部分可以有效地被用于拍攝火焰。因此，關(guān)于進(jìn)入CCD輸出范圍200的火焰輸出范圍100的火焰分析的分辨率是低的并且具有例如是相應(yīng)于10比特中的4比特的16增益水平。
另一方面，在圖1的第一實(shí)施例中，由探測(cè)目標(biāo)量的火焰獲得的火焰輸出范圍100被轉(zhuǎn)變成衰減的火焰輸出范圍500，該范圍通過衰減90％或更多的入射到CCD成像器22的光而處于CCD成像器22的CCD輸出范圍200中。因此，火焰分析可以獲得以與CCD輸出范圍200相同的10比特為基礎(chǔ)的1024增益水平的分辨率。用這種方法，能夠高精確度地進(jìn)行圖1的處理部分28中為火焰判斷所作的圖像處理，例如火焰閃爍頻率的推斷和時(shí)間上的火焰擴(kuò)大和縮減的變化的探測(cè)。
其次，將描述圖1的第一實(shí)施例怎樣監(jiān)視由失火引起的火焰。在第一實(shí)施例的火焰探測(cè)裝置中，入口窗10，光學(xué)系統(tǒng)(第一透鏡16，光圈機(jī)構(gòu)18，以及第二透鏡20)，以及CCD成像器22被構(gòu)造為一個(gè)照相機(jī)監(jiān)視系統(tǒng)，以及跟隨CCD成像器22的放大部分24被置于照相機(jī)單元側(cè)面。處理部分28可以置于照相機(jī)單元側(cè)面，或者可以通過例如安裝一個(gè)處理程序來實(shí)現(xiàn)，該處理程序?qū)崿F(xiàn)將一個(gè)圖像信號(hào)從監(jiān)視照相機(jī)輸入到個(gè)人電腦或通過信號(hào)線連接的簡單單元然后處理圖像信號(hào)的功能。
在具有這樣一個(gè)照相機(jī)單元的火焰探測(cè)裝置監(jiān)視一個(gè)區(qū)域的情況下，在沒有任何火的正常監(jiān)視狀態(tài)下來自監(jiān)視區(qū)域的90％或更多的光被ND濾光器12衰減掉，因此入射到CCD成像器22的光數(shù)量被衰減到來自監(jiān)視區(qū)域的光的10％或更少。由于這個(gè)原因，正常監(jiān)視狀態(tài)下獲得的來自CCD成像器22的圖像信號(hào)的水平幾乎為零。例如，即使圖像信號(hào)被顯示在監(jiān)視器單元上，屏幕將還是變黑并且因此監(jiān)視區(qū)域的狀況不能被肉眼觀察到。
假設(shè)火焰在監(jiān)視區(qū)域由失火引起，比CCD成像器22的CCD輸出范圍200高得多的火焰輸出范圍100中的強(qiáng)光從火焰射出。但是，90％或更多的射出光被ND濾光器12衰減。然后，例如800nm或更小的可見光區(qū)域被可見光截?cái)酁V光器14截?cái)?。因此，衰減的光通過第一透鏡16，光圈機(jī)構(gòu)18以及第二透鏡20入射到CCD成像器22。由于這個(gè)原因，如圖3所示，通過濾光器衰減獲得衰減的火焰輸出范圍500并處于CCD成像器22的CCD輸出范圍200中。因此，即使由失火引起的火焰被CCD成像器22拍攝到，仍然不會(huì)有暈光并且能以高分辨率獲得火焰圖像信號(hào)，該高分辨率由CCD輸出范圍200中的圖像信號(hào)的比特?cái)?shù)預(yù)先確定。
來自CCD成像器22的圖像信號(hào)由放大部分24根據(jù)增益控制部分26控制的狀態(tài)放大并將其輸入到處理部分28。在處理部分28中，在圖像信號(hào)的亮度變化上進(jìn)行快速傅立葉變換(FFT)，以推斷火焰閃爍頻率和/或推斷火焰圖像時(shí)間上的擴(kuò)大和縮減的變化?；谕茢嗷鹧骈W爍頻率和/或推斷時(shí)間上的火焰的擴(kuò)大和縮減，就可以作出火焰判斷。值得注意的是，除了監(jiān)視失火，第一實(shí)施例的火焰探測(cè)裝置還應(yīng)用于監(jiān)視燃燒等。
現(xiàn)在參考圖4，圖中描述了根據(jù)本發(fā)明的第二實(shí)施例構(gòu)造的火焰探測(cè)裝置。該火焰探測(cè)裝置的特點(diǎn)是利用了紅外成像器。
在圖4中，第二實(shí)施例的火焰探測(cè)裝置包括一個(gè)入口窗10以及一個(gè)紅外帶通濾光器30。紅外帶通濾光器30由一個(gè)允許一個(gè)紅外波段通過的帶通濾光器，和一個(gè)具有10％或更小的傳送系數(shù)，在其中穿過的紅外波段的光數(shù)量衰減90％或更多的光衰減濾光器組成。值得注意的是，帶通濾光器和光衰減濾光器可以相互分開設(shè)置。
第二實(shí)施例的火焰探測(cè)裝置還包括一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)和一個(gè)紅外成像器32。光學(xué)系統(tǒng)一個(gè)第一透鏡16，一個(gè)光圈機(jī)構(gòu)18，和一個(gè)第二透鏡20組成。紅外成像器32具有火焰特有的CO2共振輻射波段中4.5μm外的圖像獲取靈敏度，紅外成像器32使用如pbS或pbSe陣列。在這樣的實(shí)例中，紅外成像器32配以一個(gè)使用了冷卻裝置34的熱電冷卻結(jié)構(gòu)，和一個(gè)發(fā)射結(jié)構(gòu)。紅外成像器32可以是非冷卻型。在這種情況下，配置熱敏電阻或輻射熱測(cè)量計(jì)作為像素陣列。
第二實(shí)施例的火焰探測(cè)裝置進(jìn)一步包括一個(gè)放大部分24和一個(gè)處理部分28。來自CCD成像器22的圖像信號(hào)由放大部分24放大并被輸出到處理部分28。放大部分24配備一個(gè)增益控制部分26以調(diào)節(jié)從紅外成像器32輸出的圖像信號(hào)的灰度水平。處理部分28接收紅外成像器32輸出的紅外波長波段內(nèi)的圖像，并進(jìn)行火焰判斷處理，基于下列任何一個(gè)方面或任何組合(a)提取火焰特有的CO2共振輻射波段內(nèi)的紅外線；(b)推斷由于CO2共振輻射波段內(nèi)的紅外線的火焰閃爍頻率；(c)推斷火焰的時(shí)間上的擴(kuò)大和縮減。
在這種情況下，直接從紅外成像器32輸出的圖像信號(hào)可以獲得由火焰發(fā)射的CO2共振輻射波段內(nèi)的紅外線。因此，只要CO2共振輻射波段的中心頻率4.5μm被探測(cè)到，就可作出火焰判斷。另外，由于火焰閃爍頻率能通過對(duì)CO2共振輻射波段中的紅外線的水平的變化進(jìn)行傅立葉變換(FFT)而直接獲得，火焰就可以更精確地被推斷。使用紅外成像器的傳統(tǒng)火焰探測(cè)裝置可以獲得這些優(yōu)點(diǎn)。但是，第二實(shí)施例的火焰探測(cè)裝置中，90％或更多入射到紅外成像器32的紅外線的光數(shù)量被紅外帶通濾光器30衰減。因此，即使光數(shù)量很多的紅外能量從火焰發(fā)射，并入射到第二實(shí)施例的火焰探測(cè)裝置，紅外線的光數(shù)量也會(huì)在紅外成像器32的輸出范圍內(nèi)衰減。由于這個(gè)原因，紅外圖像信號(hào)可以最充分利用給于紅外成像器32的輸出范圍的比特(例如10比特)而獲得。
這就是，在探測(cè)目標(biāo)量的火焰發(fā)出的紅外線入射到紅外成像器32的情況中，由火焰獲得的火焰輸出范圍(見圖3的火焰輸出范圍100)大大的超過了紅外成像器32的輸出范圍的上限，如圖3的CCD成像器的情況。由于這個(gè)原因，就有發(fā)生暈光的可能。但是，在圖4的第二實(shí)施例中，90％或更多的紅外線光能被紅外帶通濾光器30衰減，以使上述火焰輸出范圍衰減到紅外成像器32的輸出范圍。因此，火焰的紅外圖像能最充分利用給于紅外成像器32的10比特的分辨率而得到處理。
現(xiàn)在參考圖5，圖中描述了根據(jù)本發(fā)明的第三實(shí)施例構(gòu)造的火焰探測(cè)裝置。第三實(shí)施例的特點(diǎn)是感測(cè)CO2共振輻射波段中的紅外線的紅外線傳感器，與圖1的第一的實(shí)施例結(jié)合起來。
在圖5中，入口窗10，ND濾光器12，可見光截?cái)酁V光器14，第一透鏡16，光圈機(jī)構(gòu)18，第二透鏡20，CCD成像器22，以及放大部分24與圖1所示的第一實(shí)施例相同。除了這些組成元件外，第三實(shí)施例的火焰探測(cè)裝置進(jìn)一步包括一個(gè)第二入口窗36，一個(gè)紅外窄帶通濾波器38，一個(gè)紅外傳感器40，一個(gè)頻率濾波器42，一個(gè)第二放大部分44，以及一個(gè)第二增益控制部分46。第二入口窗36使用藍(lán)寶石玻璃以防止灰塵、露珠等的侵襲。盡管為使描述更簡單，第二入口窗36和第一入口窗10分開配置，但是它們可以結(jié)合在一起成為如棱鏡那樣的光譜系統(tǒng)。
紅外窄帶通濾光器38可作為特定波長選擇濾光器，并使用包括火焰輻射的(光特有的)波長的CO2共振輻射波段的中心波長4.5μm帶通特性的濾光器。
紅外傳感器40是探測(cè)靈敏度在CO2共振輻射波段的中心波長4.5μm處的傳感器，并且能夠使用熱電傳感器等。值得注意的是，有紅外傳感器和紅外帶通濾光器40整體形成的情況。在這樣的實(shí)例中，紅外窄帶通濾光器38就不必要了。
一個(gè)來自紅外傳感器40的探測(cè)信號(hào)被輸入到頻率濾光器42，在其中火焰閃爍頻率波段被選擇和推斷。也就是由于存在火焰閃爍頻率，例如接近2-3Hz，就必須用例如允許2-3Hz通過的濾光器。
一個(gè)來自頻率濾光器42的輸出信號(hào)被放大部分44放大并被輸入到處理部分28。放大部分44配備增益控制部分46以調(diào)節(jié)頻率濾光器42輸出的火焰閃爍頻率波段中的引出信號(hào)的水平。
處理部分28處理CCD成像器22輸出的圖像信號(hào)并推斷火焰的時(shí)間上的擴(kuò)大和縮減。另一方面，對(duì)于頻率濾光器42引出的信號(hào)，如果由放大部分44獲得預(yù)定水平的信號(hào)，處理部分28就能夠判斷火焰閃爍頻率的探測(cè)。也就是如果通過紅外探測(cè)器40，頻率濾光器42，以及放大部分44獲得的探測(cè)信號(hào)，具有預(yù)定的水平，則CO2共振輻射波段中的紅外線就被提取并且火焰閃爍頻率就被推斷出來。因此，就能作出火焰判斷。進(jìn)一步，如果這種火焰判斷和基于時(shí)間上的火焰的擴(kuò)大和縮減的火焰判斷結(jié)合的話，就能以更高的精確度實(shí)現(xiàn)火焰的探測(cè)。
除了能夠通過結(jié)構(gòu)簡單價(jià)格便宜的CCD成像器22探測(cè)火焰，也可以通過使用結(jié)構(gòu)簡單的紅外線探測(cè)器40價(jià)格低廉地實(shí)現(xiàn)CO2共振輻射波段的紅外線的探測(cè)。因此，能以低廉的價(jià)格實(shí)現(xiàn)第三實(shí)施例的火焰探測(cè)裝置。
現(xiàn)參考圖6，圖中描述了包括被圖5的紅外探測(cè)器40探測(cè)到的火焰輻射的光特有的波長的CO2共振輻射波段中的光能的強(qiáng)度分布。在強(qiáng)度分布中，強(qiáng)度在CO2共振輻射波段的中心波長4.5μm處達(dá)到峰值并且在峰值兩側(cè)急劇下降。因此，如果抓住了這個(gè)波長峰值，就能可靠地進(jìn)行火焰判斷。
現(xiàn)在參考圖7，圖中描述了根據(jù)本發(fā)明的第四實(shí)施例構(gòu)造的火焰探測(cè)裝置。第四實(shí)施例的特點(diǎn)是CO2共振輻射波段中的紅外線的峰值強(qiáng)度用數(shù)個(gè)紅外傳感器探測(cè)。
在圖7中，CCD成像器22的一側(cè)的組成元件，如圖3的第三實(shí)施例一樣，與圖1的第一實(shí)施例相同。除了這些組成元件，三個(gè)紅外傳感器40a，40b，40c被配置在入口窗36的一側(cè)，以探測(cè)CO2共振輻射波段中的紅外線。三個(gè)紅外傳感器40a，40b，40c的每一個(gè)的前部入口窗都配以一個(gè)紅外窄帶通濾光器。如圖8中CO2共振輻射波段的波長光譜所示，第一紅外傳感器40a的濾光器具有一個(gè)例如是3.9μm波長的中心頻率λ1。第二紅外傳感器40b的濾光器具有一個(gè)是CO2共振輻射波段的中心波長4.5μm的中心頻率λ2。第三紅外傳感器40c的濾光器的中心波長λ3是5.0μm，比λ2(＝4.5μm)更長。因此，紅外傳感器40a-40c的紅外窄帶通濾光器能夠直接抓住峰值分布，其中CO2共振輻射波段的波長頻譜中的波長λ1為低水平，λ2為峰值水平，λ3為低水平。
紅外傳感器40a-40c的輸出分別被輸入到頻率濾光器42a，42b和42c。每個(gè)頻率濾波器都推斷一個(gè)火焰閃爍頻率，例如2-3Hz的頻率波段。頻率濾波器42a-42c的輸出被具有增益控制部分46a-46c的放大部分44a-44c放大并輸入到一個(gè)處理部分28。因此，處理部分28可以同時(shí)隨著探測(cè)來自放大部分44a-44c輸出的信號(hào)的火焰閃爍頻率，通過引出如圖8所示的CO2共振輻射波段中的峰值分布進(jìn)行火焰判斷。除了推斷火焰閃爍頻率和引出峰值分布外，可以利用從CCD成像器22輸出的圖像信號(hào)獲得的時(shí)間上的火焰擴(kuò)大和縮減的變化作出火焰判斷。
在圖7的第四實(shí)施例中，紅外傳感器40a-40c后跟隨著推斷火焰閃爍頻率的頻率濾波器42a-42c。但是，在僅通過引出如圖8所示的CO2共振輻射波段的峰值分布進(jìn)行火焰判斷的情況下，可以省略用于推斷火焰閃爍頻率的頻率濾波器42a-42c。另外，在第四實(shí)施例中，CCD成像器22被用于圖像處理并且只有紅外傳感器42a-42c被用于探測(cè)CO2共振輻射波段中的紅外線。因此，與用紅外成像器的情況相比較，第四實(shí)施例的火焰探測(cè)裝置能夠做到結(jié)構(gòu)簡單且價(jià)格便宜。
如上詳細(xì)所述，本發(fā)明具有下述優(yōu)點(diǎn)(1)在圖1的第一實(shí)施例中，90％或更多入射到CCD成像器22的光被ND濾光器(光衰減濾光器)12衰減，以使入射光的數(shù)量處于CCD成像器22的動(dòng)態(tài)范圍內(nèi)。因此，當(dāng)拍攝火焰時(shí)，就可防止在使用CCD成像器的傳統(tǒng)火焰探測(cè)裝置中發(fā)生的暈光，而且通過處理結(jié)構(gòu)簡單價(jià)格便宜的CCD成像器輸出的圖像信號(hào)能夠可靠地作出火焰判斷。
(2)在圖4的第二實(shí)施例中，90％或更多入射到紅外成像器32的紅外線被紅外帶通濾光器30衰減。因此，可獲得相應(yīng)于火焰輻射的紅外線的帶有增益水平值的圖像信號(hào)而最充分利用紅外成像器32的動(dòng)態(tài)范圍。另外，能夠容易地增強(qiáng)圖像信號(hào)的分辨率，并且高精確度地進(jìn)行感測(cè)火焰的圖像處理。
(3)在圖5的第三實(shí)施例中，除了基于由CCD成像器22探測(cè)火焰圖像的火焰判斷外，還用特定的帶通濾光器38和紅外傳感器40探測(cè)CO2共振輻射波段中的紅外線。因此，除了CCD成像器22的優(yōu)點(diǎn)外，通過直接探測(cè)CO2共振輻射波段中的紅外線，能夠以低廉的費(fèi)用很容易地增強(qiáng)火焰判斷的精確度。
(4)在圖7的第四實(shí)施例中，除了基于由CCD成像器22進(jìn)行的圖像處理的火焰判斷外，由數(shù)個(gè)特定帶通濾光器和紅外傳感器抓住CO2共振輻射波段的峰值強(qiáng)度分布。因此，能夠以更高的精確度進(jìn)行火焰判斷。
雖然本發(fā)明結(jié)合其最佳實(shí)施例進(jìn)行了描述，但并不被本文中的細(xì)節(jié)所限制。因?yàn)楸景l(fā)明可以在不脫離其實(shí)質(zhì)性特性的情況下以數(shù)種形式實(shí)現(xiàn)，本實(shí)施例因此是用于說明而非限制。由于本發(fā)明的范圍是由所附的權(quán)利要求確定而不是由前述描述決定，所有落入權(quán)利要求界限范圍或此界限范圍的同等物內(nèi)的變化均因此而被權(quán)利要求包括在內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種火焰探測(cè)裝置，以探測(cè)由失火引起的火焰，其特征在于，該裝置包括一個(gè)光衰減濾光器以衰減90％或更多來自所述火焰發(fā)射的波長在可見光到近紅外波段之間的光；一個(gè)成像器，以拍攝所述經(jīng)衰減的入射到其上的光的圖像，以及一個(gè)處理部分，以從所述成像器獲得的所述圖像中判斷所述火焰。
2.如權(quán)利要求1所述的火焰探測(cè)裝置，其特征在于，其中所述成像器包括一個(gè)電荷耦合器件(CCD)成像器。
3.如權(quán)利要求1所述的火焰探測(cè)裝置，其特征在于，其中所述光衰減濾光器包括一個(gè)中性密度(ND)濾光器以衰減90％或更多可見光到近紅外波段之間預(yù)定波長的光，以及一個(gè)可見光截?cái)酁V光器以截?cái)嗫梢姽獠ǘ沃蓄A(yù)定波長的光或更短波長的光。
4.如權(quán)利要求2所述的火焰探測(cè)裝置，其特征在于，其中所述光衰減濾光器包括一個(gè)中性密度(ND)濾光器以衰減90％或更多可見光到近紅外波段之間預(yù)定波長的光，以及一個(gè)可見光截?cái)酁V光器以截?cái)嗫梢姽獠ǘ沃蓄A(yù)定波長的光或更短波長的光。
5.一種火焰探測(cè)裝置，以探測(cè)由失火引起的火焰，其特征在于，該裝置包括一個(gè)紅外帶通濾光器，以過濾90％或更多所述火焰輻射發(fā)出的波長在紅外波段的光；一個(gè)紅外成像器，以拍攝所述經(jīng)衰減的入射到其上的光的圖像；以及一個(gè)處理部分，以從所述紅外成像器獲得的所述圖像判斷所述火焰。
6.一種火焰探測(cè)裝置，以探測(cè)由失火引起的火焰，其特征在于，該裝置包括一個(gè)光衰減濾光器，以衰減90％或者更多的由所述火焰輻射發(fā)出的波長在可見光到近紅外波段的光；一個(gè)成像器，以拍攝所述經(jīng)衰減的入射到其上的光的圖像；一個(gè)特定波長傳送濾光器，以傳送波長在二氧化碳共振輻射波段的光；一個(gè)紅外傳感器，以接收所述通過所述特定波長傳送濾光器傳送的光，并將接收到的光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；以及一個(gè)處理部分，以從由所述成像器獲得的所述圖像在時(shí)間上的擴(kuò)大和縮減的變化，以及從由紅外傳感器輸出的所述電信號(hào)獲得的閃爍頻率來判斷所述火焰。
7.如權(quán)利要求6所述的火焰探測(cè)裝置，其特征在于，其中所述成像器包括一種CCD成像器。
8.一種火焰探測(cè)裝置，以探測(cè)由失火引起的火焰，其特征在于，該裝置包括一個(gè)光衰減濾光器，以衰減90％或者更多的由所述火焰輻射發(fā)出的波長在可見光到近紅外波段的光；一個(gè)成像器，以拍攝所述經(jīng)衰減的入射到其上的光的圖像；一個(gè)第一紅外傳感器，配以一個(gè)傳送低于二氧化碳共振輻射的中心波長的第一波長的光的第一特定波長傳送濾光器，所述第一紅外傳感器可操作地接收通過所述第一特定波長傳送濾光器傳送的所述光，并將接受到的光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；一個(gè)第二紅外傳感器，配以一個(gè)傳送二氧化碳共振輻射的中心波長的第二波長的光的第二特定波長傳送濾光器，所述第二紅外傳感器可操作地接收通過所述第二特定波長傳送濾光器傳送的所述光，并將接受到的光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；一個(gè)第三紅外傳感器，配以一個(gè)傳送高于所述第二波長的第三波長的光的第三特定波長傳送濾光器，所述第三紅外傳感器可操作地接收通過所述第三特定波長傳送濾光器傳送的所述光，并將接收到的光轉(zhuǎn)換成電信號(hào)；以及一個(gè)處理部分，以從由所述成像器獲得的所述圖像在時(shí)間上的擴(kuò)大和縮減的變化，以及從由所述第一、第二和第三紅外傳感器輸出的所述電信號(hào)獲得的峰值分布來判斷火焰。
9.如權(quán)利要求1所述的火焰探測(cè)裝置，其特征在于，該裝置進(jìn)一步包括一個(gè)光圈機(jī)構(gòu)以調(diào)節(jié)入射光的數(shù)量。
10.如權(quán)利要求5所述的火焰探測(cè)裝置，其特征在于，該裝置進(jìn)一步包括一個(gè)光圈機(jī)構(gòu)以調(diào)節(jié)入射光的數(shù)量。
11.如權(quán)利要求6所述的火焰探測(cè)裝置，其特征在于，該裝置進(jìn)一步包括一個(gè)光圈機(jī)構(gòu)以調(diào)節(jié)入射光的數(shù)量。
12.如權(quán)利要求8所述的火焰探測(cè)裝置，其特征在于，該裝置進(jìn)一步包括一個(gè)光圈機(jī)構(gòu)以調(diào)節(jié)入射光的數(shù)量。
13.如權(quán)利要求1所述的火焰探測(cè)裝置，其特征在于，該裝置進(jìn)一步包括一個(gè)放大部分，以放大輸入到所述處理部分的信號(hào)；以及一個(gè)在所述放大部分中配置的增益控制部分。
14.如權(quán)利要求5所述的火焰探測(cè)裝置，其特征在于，該裝置進(jìn)一步包括一個(gè)放大部分，以放大輸入到所述處理部分的信號(hào)；以及一個(gè)在所述放大部分中配置的增益控制部分。
15.如權(quán)利要求6所述的一種火焰探測(cè)裝置，其特征在于，該裝置進(jìn)一步包括一個(gè)放大部分，以放大輸入到所述處理部分的信號(hào)；以及一個(gè)在所述放大部分中配置的增益控制部分。
16.如權(quán)利要求8所述的火焰探測(cè)裝置，其特征在于，該裝置進(jìn)一步包括一個(gè)放大部分，以放大輸入到所述處理部分的信號(hào)；以及一個(gè)在所述放大部分中配置的增益控制部分。
全文摘要
一種火焰探測(cè)裝置，用以探測(cè)由失火引起的火焰，該裝置包括一個(gè)光衰減濾光器以衰減90％或更多來自所述火焰發(fā)射的波長在可見光到近紅外波段之間的光。該火焰探測(cè)裝置進(jìn)一步包括一個(gè)成像器，以拍攝經(jīng)衰減的入射到其上的光的圖像，以及一個(gè)處理部分，以從成像器獲得的圖像判斷火焰。
文檔編號(hào)G08B17/12GK1432798SQ02143820
公開日2003年7月30日 申請(qǐng)日期2002年9月25日 優(yōu)先權(quán)日2002年1月11日
發(fā)明者松熊秀成, 根本雅彥, 島裕史 申請(qǐng)人:報(bào)知機(jī)株式會(huì)社