许文进，桂坚斌，吴零越，薛雅心，龚 青

（上海电控研究所光电控制研发中心，上海 200092）

0 引言

近年来，石油、矿道、仓库等方面的火灾事件时有发生，严重威胁了人民的生命财产安全。随着国家和企业对于生产安全问题的不断重视，如何进行火警预警成了主要的问题[1]。

火警预警最主要的是对火灾进行及时可靠地探测。而现有的火焰探测方式主要有感烟、感温和感光3 种[2]。其中，感烟和感温探测受到环境气流影响较大，也需要火灾发展到一定的时期才能够探测到，实时性差，响应速度慢，漏报率高，不利于火灾的早期预警[3]。感光探测属于区域探测，响应速度快，灵敏度高，可以通过在空间区域内合理布局达到全方面检测，在火情发生早期就能探测到火警。

本文提出了多波段红外光学火焰探测器的设计，通过分析火焰探测原理选择探测波段，基于四通道红外火焰探测器设计了一个火焰探测器。其具备探测距离远，抗干扰能力强，环境适应性好，响应速度快的优势。

1 火焰探测原理

红外光学火焰探测器是通过探测火焰燃烧过程中辐射的红外光谱来识别火焰，但是不同的燃烧物燃烧时会产生不同的特征光谱。同时还存在着不同的干扰源，如人工光源、背景辐射源等。首先，需要分析火焰的光谱特征和干扰源的光谱特征，确定传感器的探测波段。通过大量实验从中获取火焰的信号和干扰源的信号特征，通过两者之间的强度和比例关系从而精准判断火焰和干扰源，达到较强的抗干扰能力。

物质在燃烧的时候，不仅能够产生烟雾和热量，同时也会产生较大的电磁辐射。一般烃类化合物燃烧会产生大量的CO2和H20，CO2气体的红外辐射光谱有3个重要的条状光带：2.65μm～2.8μm、4.15μm～4.45μm、13μm～17μm；水蒸汽的红外光谱也有3 个重要的条状光带：2.55μm～2.84μm、5.6μm～7.6μm、12μm～20μm[4,5]。

一般不同的燃烧物的燃烧温度不同，火焰辐射的光谱也有区别。酒精灯火焰的辐射光谱的峰值为2.7μm 和4.3μm；正庚烷火焰的辐射光谱的峰值为2.1μm、2.7μm 和4.3μm；汽油火焰的辐射光谱的峰值为2.7μm、3.8μm 和4.3μm[6]。对照这3 种常见的燃烧物的辐射光谱的峰值，选择4.3μm 为火焰判别的波段。而在日常的环境中也有一些热源会同时产生4.3μm 的辐射，如此便容易引起误报，为此加入了2.7μm、3.8μm 和5.3μm 的红外探测器。2.7μm、3.8μm 和5.3μm 这两种波段火焰辐射非常少，而其他的高温热源辐射非常多，这里通过2.7μm、3.8μm、4.3μm 和5.3μm 4 个红外探测器探测到的强度、比例关系等关系来实现火焰的识别，并且排除干扰源提高抗干扰能力。

2 火焰探测器的总体组成

多波段红外光学火焰探测器的总体组成如图1 所示。

图1 多波段红外光学火焰探测器的总体框图Fig.1 Overall block diagram of a multi band infrared optical flame detector

多波段红外光学火焰探测器主要由红外光电传感器、信号处理模块、数据存储模块、状态显示模块、RS485 通信模块、处理器模块、温度监控模块、污染检测模块、电源模块、声光报警模块、电源监测模块，以及模拟输出模块。

其中，以红外光电传感器为核心，其负责采集火焰辐射的红外信号和其他干扰辐射源的红外辐射信号，并且将相应的光信号转化为电信号。电信号经过信号处理模块滤波放大后，通过单片机的AD 口采集。数据存储模块主要是存储火焰探测器的时间、报警记录、故障状态等信息；电源模块主要为整个火焰探测器上的器件供电；处理器模块根据采样结果实时计算，并判断有无火警并进行相应的控制；状态显示模块LED 主要是可以从外观上识别火焰探测器是否正常工作、判断故障类型以及是否存在火警；温度监控模块实时采集环境温度，主要为软件算法中的温度补偿提供支撑；电源监测模块对火焰探测器的供电进行实时检测；污染检测模块会检测探测器的镜面状态是否存在污染；CAN 通信模块和上位机进行通信；模拟输出模块则在探测到火警时输出报警信号给上位机，声光报警模块则是在有火警信号时发出声光报警。

3 火焰探测器的各模块及功能分析

3.1 电源模块

火焰探测器中的电子元器件需采用5V 的电压供电，对于红外光电传感器而言，同样需要一个稳定的电源来保证信号的稳定性。特别对于远距离探测，信号幅度比较小，则需要良好的信噪比。为此，将24V 的电源利用DC-DC降压芯片稳压为8V，再将8V 通过LDO 转为5V 为整个火焰探测器供电。LDO 的纹波可达到μV 级，可为红外光电传感器提供稳定的电源保证信号的稳定。

3.2 红外光电传感器

针对第二节中对火焰探测原理的分析和探测波段的选择，选用四通道红外光电传感器作为火焰探测器件。其表面封装有4 个不同波段的窄带滤波片，分别是2.7μm、3.8μm、4.3μm 和5.3μm。光电传感器主要原理就是将光信号转化成电信号，当有火灾发生时，传感器接受到火焰的不同波段的红外辐射时，直接转化成电信号输出。该传感器具有较强的抗电磁干扰性，响应率高，响应速度快，既不需要调制光路，使用寿命长，安全等优点。

3.3 信号处理模块

由于红外光电传感器的输出信号是比较小的电压信号，信噪比不高，对后续的单片机的采样和火警判断算法造成影响，可能导致误报。信号预处理主要做电压跟随和阻抗匹配，再经过电压放大，同时滤除高频干扰，最后被单片机的AD 口采集用于后续的判断。信号处理模块的原理框图如图2 所示。

图2 信号处理模块的原理框图Fig.2 Schematic block diagram of signal processing module

3.4 状态显示模块LED

状态显示模块LED 主要是由两个LED 灯组成，均由单片机MCU 控制。一个为红灯，一个为绿灯。其中，绿灯为火焰探测器的状态显示等，主要状态有正常、单片机故障、镜面污染故障。火焰探测器正常时，绿灯设置为1s 闪一次；火焰探测器单片机故障时，绿灯常灭；火焰探测器镜面污染故障时，绿灯设置为400ms 闪一次。红灯为火警显示灯，只有在火焰探测器探测到火警时，红灯常亮。

3.5 温度监控模块

由于红外传感器在高温工作时其探测响应和探测灵敏度会下降[7]，一般在红外传感器里面集成制冷芯片或者在应用时将器件贴在制冷片上，以达到制冷效果，从而保证在高温工作时的红外传感器的灵敏度不受影响。但四通道红外光电传感器内部不含有制冷芯片，如若在外部加上制冷片，会增加火焰探测器的功耗同时增加成本。为此，在设计火焰探测器算法时，在算法中增加了灵敏度补偿算法，以消除温度对于红外传感器灵敏度的影响。

为了实现器件的灵敏度补偿，利用温度监控模块实时测试环境温度，通过前期对四通道红外光电传感器的温度及器件响应灵敏度的测试，拟合出温度和器件响应灵敏度的曲线。在算法中，根据温度监控模块测试的环境温度，做出相应的补偿。

3.6 污染检测模块

火焰探测器可用于装甲车、无人值守仓库、矿道仓库等环境。受到烟尘等环境影响，在火焰探测器的镜面上会积累灰尘，从而影响火焰探测器的探测性能导致漏报。为此，在火焰探测器上设计了污染检测模块，在污染程度会影响探测性能时，上报污染故障，提示清理。污染检测模块采用漫反射原理来实现污染检测功能，污染检测模块由一个红外线发射光源和一个红外线接收管组合而成。污染检测模的工作原理如图3 所示。

图3 光电开关工作原理图Fig.3 Working principle diagram of photoelectric switch

红外线发射管可以发射红外信号，红外线接收管用于检测光强的变化，实现对所有能反射光线的物体的检测。需要选用红外发射器峰值波长小于2μm，不能够在火焰探测的波段范围内，不会对火焰探测器产生影响。红外线接收管可以将探测波段范围内的光线强度转换为信号值，光强越大，则输出信号值越大。红外发射管向外发射红外信号，当器件前方无遮挡物时，红外接收管只能接收环境背景中的红外信号；当发射的红外信号遇到能反射光线的遮挡物时会被反射，继而被红外线接收管接收，接收管输出信号会发生变化。根据接收管输出信号的变化大小，可以实现对镜面污染的检测。

3.7 RS485通信模块

RS485 通信模块主要是和上位机进行通讯，采用标准ModBus 协议，满足大部分的工业需求。在火焰探测器不同的状态给上位机上报不同的信息，火焰探测器状态正常时，给上位机上报0X00；火焰探测器有故障时，给上位机上报0X01；火焰探测器有火警时，给上位机上报0X02。

3.8 模拟输出模块

输出采用标准的4mA ～20mA 的模拟输出，根据不同的火焰探测器的状态输出不同的电流结果，具体的模拟输出见表1。

表1 模拟输出表Table 1 Analog output table

4 火焰探测器的防误报设计

火焰探测器针对不同的使用环境，有不同的防误报要求，而常见的干扰光源主要有太阳光、日光灯、闪光灯、浴霸和热风枪。本论文所设计的多波段红外光学火焰探测器，针对上述5 种常见的误报光源做防误报设计。将火焰探测器置于上述5 种干扰光源前，可以测得多波段红外光学火焰探测器中4 个波段对于这5 种干扰光源的平均电压增量，将4 个波段对于5 种干扰源和2m 火盆火的增量进行对比，为防误报算法提供数据支撑，见表2。

表2 4个波段对于5种干扰源和2m火盆火的增量对比Table 2 Incremental comparison of 4 bands for 5 interference sources and 2m brazier fire

从表2 可以看出，不同的光源对于不同的波段的响应是不一样的。对于火焰而言4.3μm 是其特征波段，响应增量最大；而对于太阳光5.3μm 的响应增量最大；日光灯和热风枪中的红外强度较小，4 个波段的响应增量较小；闪光灯和浴霸中2.7μm 的响应增量最大。为此，在防误报算法中通过设置4.3μm 的增量阈值，同时计算4.3μm 的增量和其它波段增量的比值来进行干扰源的防误报。

5 火焰探测器对火焰响应和常规干扰源的测试

5.1 火焰探测器实物

多波段红外光学火焰探测器实物如图4 所示，光学火焰探测器的表面有两个LED 灯、四通道红外传感器和污染检测传感器。

图4 多波段红外光学火焰探测器实物Fig.4 Physical object of multi band infrared optical flame detector

5.2 火焰探测器对火焰的响应

将火焰探测器放置在距离标准火盆0.4m、1m、2m 和3m 处，进行测试。MCU 采集到的4 个通道的信号数据比较发现，四通道传感器4.3μm 波段信号幅度比较明显，2.7μm 和3.8μm 会出现较小的信号。5.3μm 则是几乎没有信号，从这4 个波段的信号增量、比值等关系可以判断出此为火焰，输出火警信号。同时为了保证火焰探测器的稳定性，对0.4m、1m、2m 和3m 处标准火盆火进行了50 次的重复实验。实验结果见表3。

表3 火焰探测器对不同距离火盆火的响应实验Table 3 Response experiments of flame detectors to different distance brazier fires

5.3 火焰探测器对常规干扰源的防误报实验

将火焰探测器放置在距离干扰源实验平台0.4m 处进行测试，实验结果见表4。实验结果表明，火焰探测器不会对太阳光、白炽灯、热风枪等光源产生误报，具有很好的抗干扰能力。

表4 火焰探测器对常规干扰源的防误报实验Table 4 Anti false alarm experiment of flame detectors against conventional interference sources

6 结论

基于四通道红外传感器的多波段红外光学火焰探测器，通过波段选择和软件算法能够实现3m 处标准火盆火探测。实验表明，对于3m 火盆火的漏报率仅为2%，可实现常规干扰光源的防误报，具备较强的抗干扰能力，有效地解决了紫外探测距离短以及单红外火焰探测器抗干扰能力差的弊端，具有探测距离远，抗干扰能力强，环境适应性能力好，响应速度快的优势。多波段红外光学火焰探测器在无人仓库、矿道、特种车辆等方面具有广阔的应用前景。