Abstract: A multi-spectral infrared flame detector based on infrared principle is presented. Based on the spectral characteristics of flame radiation, the detector uses the characteristics and the correlation of data received by these infrared sensors to achieve fire determination. In this paper, the infrared flame detection principle and practical methods of detection are introduced in detail, and hardware and software design schemes are given. The flame detector benefits from high sensitivity, fast response time, long detection range and is fit for hazardous environment.
Keywords: infrared;flame detector;sensor;optical radiation
0 引言
在石油、化工、燃气行业等易燃物存储、加工与运输，工业场所如仓库、喷漆车间，废品处理场，石油探井等高大空间或者露天场合，都需要安装性能可靠的、对火灾具有快速反应能力的火灾探测装置。点型火焰探测器由于具有反应时间快、探测距离远等优点，是这类场所的首选火灾探测装置。
火焰探测器通常使用红外辐射传感器、紫外辐射传感器、或者使用这两种传感器的组合，检测从火源发出的红外光，紫外光从而达到探测火灾的目的。红外火焰探测器多用于检测碳氢物化合物燃烧，紫外火焰探测器多用于检测金属与无机物火焰。传统的火焰探测器探测距离小，不适合室外或大空间场合。
本文介绍的多频红外火焰探测器利使用两只传感器探测火焰的辐射，两只传感器探测背景的辐射，采用微弱信号检测与多通道信号采集技术，根据各个传感器信号的特征与相互关系建立火焰特征库，只有当采集的数据符合火焰发生的特征时，探测器才发出火警信号，对日光、灯光、热源与电焊等干扰抑制性强，具有响应时间快，探测器距离远，环境适应性好的特点。下面介绍其检测原理与软硬件设计方案。
1 红外多频火焰探测器工作原理
红外辐射的物理本质是热辐射，物体温度越高，辐射的红外线就越多，辐射能量也就越强。火焰光谱从紫外光、可见光到红外光都有能量辐射。碳氢化合物燃烧时在红外波段内的2.7μm与4.35μm附近有一个峰值[1]，而太阳在这两个波段附近的辐射被空气中的CO2所吸收，因此使用安装窄带滤光片的中心波段在2.7μm附近的硫化铅传感器与中心波段在4. 35μm附近的热释电传感器作为火焰探测的传感器。2.7μm的硫化铅探测器对火焰信号灵敏度高，作为监测火焰强度趋势使用。在CO2峰值辐射波段4.35μm两侧各选择了一个参比波段，3.8μm与4.8μm。由于任意一个红外辐射源在这三个波段都有独自的光谱特征，因此比较这三个波段辐射强度之间的数学关系，就可将火焰和其他红外辐射源区别开来。由于红外多频火焰探测器很好地解决了传感器信号距火源距离的增加而衰减的矛盾，即各个传感器接受火焰信号辐射强度之间的数学关系不随信号的衰减而发生变化，因此结合相关检测技术对接收到的信号进行处理与分析，可以极大地提高了探测器的探测距离和灵敏度，其探测原理的先进性，保证红外多频火焰探测器抗干扰能力强，适用于室内和户外火灾探测。
2 红外多频火焰探测器软、硬件设计
2.1硬件系统设计
本文所述的红外多频火焰探测器硬件电路包括传感器、信号放大电路，增益调节器，微控制器，继电器，通讯接口等电路。传感器信号经可调增益带通放大电路放大后，由微控制器进行分析与判断，并通过通讯接口电路或者继电器等输出电路进行报警。硬件结构框图如图1所示。硬件设计的特点有：
1)采用一个程控增益放大器对带通滤波放大电路增益进行调整，当微控制器判断信号出现饱和时，减小放大倍数，成功解决了信号饱和[2]带来的误判。
2)内置温度传感器与振动传感器，检测环境对传感器的影响。当环境温度变化时，自动调整火焰特征判据参数;当发生振动时，自动进行发出故障信息。
3)用户可根据现场情况，通过通讯接口或校准接口修正EEPROM中的火焰特征数据。
4)时钟芯片能够记忆最近数次火焰发生时的相关数据，便于监控与分析。
2.2 软件设计
红外多频火焰探测器控制程序使用C语言编写，分为初始化，上电自检，A/D采样，数据分析与判断，通讯程序，报警等。软件流程图如图2所示。火焰除了其辐射光谱特征，另外一个显著的特征是其闪烁频率。有相关文献表明火焰固有的频率在12HZ[3]左右，受到现场风速与火势的大小，其通常频率在1-25HZ之间。当干扰与火焰信号同时发生时，情况会变得复杂，此时需要使用参比通道，鉴别出干扰的类型，根据干扰源的辐射特征，灵活的选择其中一个通道进行相关分析，识别出火焰。因此常用的火焰判断方法有：
1)阈值能量比较。
2)各个信号之间的比例与相关分析。
3)信号的频率、连续性分析。
4)火焰信号频谱特征分析。
考虑现场可能出现复杂情况，多频火焰探测器的火焰判据充分考虑以上几种情况，火焰模型特征包括阈值大小，比例关系，闪烁特征，频率特征，连续性，信号之间的相关系数[4]。当传感器接受的信号数据与火焰特征库定义的特征相同时发出报警。
3 测试结果
3.1 灵敏度
在户外将探测器固定在1.5米高处，设置不同灵敏度，对面积0.1平方的酒精火焰的探测距离满足国家标GB15631-2008规定的I级(25米)，II级(17米)，III级(12米)灵敏度。
3.2 探测视角
水平距离与垂直距离探测范围均大于九十度。
3.3抗干扰性
1)调制的白炽灯光与阳光照射下，探测器不误报，使用持续的白炽灯光与阳光照射探测不误报。
2)调制的热源干扰如人体，高温烙铁辐射不误报。
3)探测范围内有电焊辐射作业时不误报。
4) 使用3.6万伏高压对探测器电击时不误报。
4 结论
本文设计的红外多频火焰探测器，如图3所示。它基于火焰与干扰源的辐射特征，合理选择传感器获取火焰信号的与背景辐射数据，结合火焰信号的时域特征与频率特征，通过大量实验建立火焰特征数据库，对当符合火焰特征的数据发出报警，极大的提高探测器的可靠性与环境适应性，对大空间火灾探测的快速性与可靠性具有一定意义。
参考文献
[1]吴龙标，方俊，谢启源.火灾探测与信息处理[M].北京：化学工业出版社，2006.
[2]Javid J. Huseynov, Zvi Boger, Gary Shubinsky et al.Optical Flame Detection Using Large-Scale Artificial Neural Networks.IEEE[J].2005:1959-1964.
[3]安志伟，袁宏永，屈玉贵.火焰闪烁频率的测量研究[J].计算机应用，2000，05(20)：65-68.
[4]Ch.Kranx.A New Flame Detection Method for Two Chanels Infrared Flame Detection. IEEE[J].1995:209-213.
作者简介：张永超，男，讲师，1996年毕业于河南大学物理系，现工作于郑州测绘学校，一直从事电工电子类研究和教学工作。
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Design of Multi-Spectral Infrared Flame Detector
ZHANG Yong-chao【1】，Cai Zong-min【2】，QI Ze-gang【2】，Zhang Yong-huai【2】
(1.Zhengzhou Technological School of Surveying and Mapping，Henan Zhengzhou,450015,China;
2.Zhengzhou Winsen ElectroNIcs Technology Co., Ltd.，Henan Zhengzhou 450001,China)
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