一种防误报光谱火焰探测器的制作方法

本实用新型涉及火焰探测技术领域。更具体地，涉及一种防误报光谱火焰探测器。

背景技术：

火灾探测器是消防火灾自动报警系统中，对现场进行探查，发现火灾的设备，用于火警报警及启动火灾抑制措施。火灾探测器是火灾自动报警系统的“感觉器官”，它的作用是监视环境中有没有火灾的发生，一旦有了火情，就将火灾的特征物理量，如温度、烟雾、气体和辐射光强等转换成电信号，并立即动作向火灾报警控制器发送报警信号。目前国内外主要火灾探测器类型有感烟火灾探测器、感温火灾探测器、气体型火灾探测器和光谱火灾探测器。其中感烟火灾探测器、感温火灾探测器和气体型火灾探测器由于其探测机理限制，对实际火灾响应时间过长，甚至由于探测参量不能够到达探测器而出现漏报现象。由于光谱火灾探测器具有响应速度快、探测距离远和环境适应性好等特点，所以目前一般都采用光谱火灾探测器进行火灾探测。

光谱火灾探测器一般指光谱火焰探测器。任何燃料在燃烧时，都会不同程度地向外辐射可见光和红外线等光波。燃料不同，辐射出的光波段就不同。燃烧条件不同，火焰辐射光波在各波段上的可检测性也不同。实际中，碳氢化合物火灾发生时所产生的明火，具有其特有的光谱特性。火源释放的能量大部分能量集中在红外波段且不同波长的红外辐射能量不同。红外段4.4微米附近出现的曲线凸起部分是被称为CO₂共鸣的CO₂原子团发光光谱，它比火焰中其它原子、分子或基团所发出的线状或带状光谱具有绝对大的辐射强度。如图1所示，据火焰光谱分析结果，火焰光谱以中心波长4.4微米的波峰最为明显，因其能量幅值最高，有利于提高探测器灵敏度，而且阳光在这个波段有一个较强的吸收峰，普通灯光在4.4微米波长处辐射量也非常微弱可以忽略。所以一般选择4.4微米作为探测波段有利于增强探测器的抗干扰能力，提高可靠性。

但仅仅采用4.4微米红外探测波段，很容易被电加热器等高温热体干扰，或在电弧光、太阳光等背景辐射条件下出现误报。因此，需要一种能够有效降低燃烧火焰探测器误报率，提高报警准确度的防误报光谱火焰探测器。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于克服上述缺陷，提供一种能够有效降低燃烧火焰探测器误报率，提高报警准确度的防误报光谱火焰探测器。

为达到上述目的，本实用新型采用下述技术方案：

一种防误报光谱火焰探测器，该探测器包括辐射感测单元和判断单元，其中：

辐射感测单元包括用于感测第一波长的辐射并输出第一信号的第一辐射传感器和用于感测第二波长的辐射并输出第二信号的第二辐射传感器，第一波长为不同于待测火焰特征光谱波长范围的波长，第二波长为待测火焰特征波长，即待测火焰的光谱中包括第二波长，同时待测火焰的光谱中不包括第一波长。第一和第二辐射传感器用于感测特征波长的辐射信号并将该辐射信号转化为电信号输出。辐射信号的强度与电信号的幅值线性正相关，即电信号的幅值用于反映对应辐射信号的强度。

判断单元，用于根据来自第一辐射传感器的第一信号和来自第二辐射传感器的第二信号，判断是否存在燃烧火焰。

优选地，当存在第一信号时，判断单元判断不存在燃烧火焰。因为待测火焰的光谱中不包括第一波长，第一波长用于对待测信号进行判伪。当存在第一信号时，说明待测信号不是燃烧火焰，判断单元判断不存在燃烧火焰。

优选地，当存在第一信号且信号的强度大于第一阈值时，判断单元判断不存在燃烧火焰。实际中，干扰信号的存在判断需要一定的阈值条件。只有满足存在第一信号且信号的强度大于第一阈值时，才认为第一信号是确切存在，说明待测信号不是燃烧火焰，判断单元判断不存在燃烧火焰。若感测到的第一信号的信号强度小于第一阈值，则认为该第一信号并不能用于排除干扰信号的干扰，即不能说明该待测信号是否为燃烧火焰，火焰探测器需要进行进一步地判断。

通过设置第一阈值，保证了第一信号感测的准确性，排除了微弱信号被误认为第一信号而导致的不报警现象，提高了火焰探测器的灵敏度。

优选地，当存在第二信号且不存在第一信号时，判断单元判断存在燃烧火焰，并输出报警信号。待测火焰的光谱中包括第二波长，同时待测火焰的光谱中不包括第一波长，若火焰探测器感测到第二信号且没有感测到第一信号，则说明该待测信号辐射的光波中存在与燃烧火焰光谱中相同波长的光波，同时不存在与第二辐射传感器选定的燃烧火焰光谱中没有的光波，进一步可以认为，该待测信号为燃烧火焰，判断单元判断存在燃烧火焰，并输出报警信号。

优选地，当第二信号的强度大于第二阈值时，判断单元判断存在燃烧火焰，并输出报警信号。第二波长为待测火焰特征波长，若存在燃烧火焰，则第二辐射传感器能够感测到第二波长的辐射且该辐射具有一定强度。通过第二阈值的设定，能够对第二波长的辐射进行筛选，只有满足上述幅值要求的辐射，判断单元才判断存在燃烧火焰并输出报警信号。能有效避免微弱存在的第二信号引起火焰探测器的误报，降低误报率。

若同时存在干扰信号与燃烧火焰，由于感测到第一波长或感测到幅值大于第一阈值的第一波长，判断单元会做出不存在燃烧火焰的判断，火焰探测器对燃烧火焰漏报。通过设定第二阈值，当第二信号的强度大于第二阈值时，不管是否感测到第一波长或感测到幅值大于第一阈值的第一波长，判断单元判断存在燃烧火焰，并输出报警信号，保证了火焰探测器的探测准确率。

优选地，当第二信号的信号强度大于第三阈值且来自第一信号的信号强度小于第四阈值时，判断单元判断存在燃烧火焰，并输出报警信号。同时对第一信号和第二信号的阈值进行设定，能够保证火焰探测器有较高的探测准确度和较低的误报率。

优选地，探测器进一步包括报警电路，该报警电路根据来自判断单元的报警信号进行报警。报警方式可以是声音、光或者其组合的形式。

本实用新型的有益效果如下：

本实用新型的防误报光谱火焰探测器，基于感测的第一波长和第二波长，，将火焰信号和各种干扰信号的光谱进行有效的区分，进一步通过判断条件和对应阈值的设定，达到精确判断燃烧火焰，有效降低燃烧火焰探测器误报率，提高报警准确度的目的。

附图说明

下面结合附图对本实用新型的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出碳氢化合物燃烧火焰辐射光谱图。

图2示出实施例1中防误报光谱火焰探测器结构原理图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本实用新型，下面结合优选实施例和附图对本实用新型做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本实用新型的保护范围。

实施例1

如图2所示，一种防误报光谱火焰探测器，该探测器包括辐射感测单元和判断单元，其中：辐射感测单元包括用于感测第一波长的辐射并输出第一信号的第一辐射传感器和用于感测第二波长的辐射并输出第二信号的第二辐射传感器，第一波长为不同于待测火焰特征光谱波长范围的波长，第二波长为待测火焰特征波长，即待测火焰的光谱中包括第二波长，同时待测火焰的光谱中不包括第一波长。第一和第二辐射传感器用于感测特征波长的辐射信号并将该辐射信号转化为电信号输出。辐射信号的强度与电信号的幅值线性正相关，即电信号的幅值用于反映对应辐射信号的强度。判断单元，用于根据来自第一辐射传感器的第一信号和来自第二辐射传感器的第二信号，判断是否存在燃烧火焰。

进行判断时，当存在第一信号时，判断单元判断不存在燃烧火焰。因为待测火焰的光谱中不包括第一波长，第一波长用于对待测信号进行判伪。当存在第一信号时，说明待测信号不是燃烧火焰，判断单元判断不存在燃烧火焰。

实施例2

如图2所示，一种防误报光谱火焰探测器，该探测器包括辐射感测单元和判断单元，其中：辐射感测单元包括用于感测第一波长的辐射并输出第一信号的第一辐射传感器和用于感测第二波长的辐射并输出第二信号的第二辐射传感器，第一波长为不同于待测火焰特征光谱波长范围的波长，第二波长为待测火焰特征波长，即待测火焰的光谱中包括第二波长，同时待测火焰的光谱中不包括第一波长。第一和第二辐射传感器用于感测特征波长的辐射信号并将该辐射信号转化为电信号输出。辐射信号的强度与电信号的幅值线性正相关，即电信号的幅值用于反映对应辐射信号的强度。判断单元，用于根据来自第一辐射传感器的第一信号和来自第二辐射传感器的第二信号，判断是否存在燃烧火焰。

进行判断时，当存在第一信号且信号的强度大于第一阈值时，判断单元判断不存在燃烧火焰。实际中，干扰信号的存在判断需要一定的阈值条件。只有满足存在第一信号且信号的强度大于第一阈值时，才认为第一信号是确切存在，说明待测信号不是燃烧火焰，判断单元判断不存在燃烧火焰。若感测到的第一信号的信号强度小于第一阈值，则认为该第一信号并不能用于排除干扰信号的干扰，即不能说明该待测信号是否为燃烧火焰，火焰探测器需要进行进一步地判断。

通过设置第一阈值，保证了第一信号感测的准确性，排除了微弱信号被误认为第一信号而导致的不报警现象，提高了火焰探测器的灵敏度。

实施例3

如图2所示，一种防误报光谱火焰探测器，该探测器包括辐射感测单元和判断单元，其中：辐射感测单元包括用于感测第一波长的辐射并输出第一信号的第一辐射传感器和用于感测第二波长的辐射并输出第二信号的第二辐射传感器，第一波长为不同于待测火焰特征光谱波长范围的波长，第二波长为待测火焰特征波长，即待测火焰的光谱中包括第二波长，同时待测火焰的光谱中不包括第一波长。第一和第二辐射传感器用于感测特征波长的辐射信号并将该辐射信号转化为电信号输出。辐射信号的强度与电信号的幅值线性正相关，即电信号的幅值用于反映对应辐射信号的强度。判断单元，用于根据来自第一辐射传感器的第一信号和来自第二辐射传感器的第二信号，判断是否存在燃烧火焰。

进行判断时，当存在第二信号且不存在第一信号时，判断单元判断存在燃烧火焰，并输出报警信号。待测火焰的光谱中包括第二波长，同时待测火焰的光谱中不包括第一波长，若火焰探测器感测到第二信号且没有感测到第一信号，则说明该待测信号辐射的光波中存在与燃烧火焰光谱中相同波长的光波，同时不存在与第二辐射传感器选定的燃烧火焰光谱中没有的光波，进一步可以认为，该待测信号为燃烧火焰，判断单元判断存在燃烧火焰，并输出报警信号。

实施例4

如图2所示，一种防误报光谱火焰探测器，该探测器包括辐射感测单元和判断单元，其中：辐射感测单元包括用于感测第一波长的辐射并输出第一信号的第一辐射传感器和用于感测第二波长的辐射并输出第二信号的第二辐射传感器，第一波长为不同于待测火焰特征光谱波长范围的波长，第二波长为待测火焰特征波长，即待测火焰的光谱中包括第二波长，同时待测火焰的光谱中不包括第一波长。第一和第二辐射传感器用于感测特征波长的辐射信号并将该辐射信号转化为电信号输出。辐射信号的强度与电信号的幅值线性正相关，即电信号的幅值用于反映对应辐射信号的强度。判断单元，用于根据来自第一辐射传感器的第一信号和来自第二辐射传感器的第二信号，判断是否存在燃烧火焰。

当第二信号的强度大于第二阈值时，判断单元判断存在燃烧火焰，并输出报警信号。第二波长为待测火焰特征波长，若存在燃烧火焰，则第二辐射传感器能够感测到第二波长的辐射且该辐射具有一定强度。通过第二阈值的设定，能够对第二波长的辐射进行筛选，只有满足上述幅值要求的辐射，判断单元才判断存在燃烧火焰并输出报警信号。能有效避免微弱存在的第二信号引起火焰探测器的误报，降低误报率。

若同时存在干扰信号与燃烧火焰，由于感测到第一波长或感测到幅值大于第一阈值的第一波长，判断单元会做出不存在燃烧火焰的判断，火焰探测器对燃烧火焰漏报。通过设定第二阈值，当第二信号的强度大于第二阈值时，不管是否感测到第一波长或感测到幅值大于第一阈值的第一波长，判断单元判断存在燃烧火焰，并输出报警信号，保证了火焰探测器的探测准确率。

实施例5

如图2所示，一种防误报光谱火焰探测器，该探测器包括辐射感测单元和判断单元，其中：辐射感测单元包括用于感测第一波长的辐射并输出第一信号的第一辐射传感器和用于感测第二波长的辐射并输出第二信号的第二辐射传感器，第一波长为不同于待测火焰特征光谱波长范围的波长，第二波长为待测火焰特征波长，即待测火焰的光谱中包括第二波长，同时待测火焰的光谱中不包括第一波长。第一和第二辐射传感器用于感测特征波长的辐射信号并将该辐射信号转化为电信号输出。辐射信号的强度与电信号的幅值线性正相关，即电信号的幅值用于反映对应辐射信号的强度。判断单元，用于根据来自第一辐射传感器的第一信号和来自第二辐射传感器的第二信号，判断是否存在燃烧火焰。

进行判断时，当第二信号的信号强度大于第三阈值且来自第一信号的信号强度小于第四阈值时，判断单元判断存在燃烧火焰，并输出报警信号。同时对第一信号和第二信号的阈值进行设定，能够保证火焰探测器有较高的探测准确度和较低的误报率。

实验表明，本实施例中防误报光谱火焰探测器对以下伪信号具有极强的免疫能力，误报率为零：

1、直射或反射的太阳光；

2、距离200米处功率为100瓦的车前大光灯；

3、距离300米处步枪射击火光；

4、距离400米处功率为500瓦的热风机的热辐射；

5、距离500米处功率为200瓦的红外聚光灯辐射；

6、距离500米处电流强度为200安的电弧光。

在上述各个实施例中，该探测器进一步包括信号处理电路，该信号处理电路对第一辐射传感器输出的第一信号和第二辐射传感器输出的第二信号进行阻抗匹配、放大和滤波处理。

传统的红外传感器放大电路一般采用运算放大器对传感器的电信号进行放大和处理，由于红外传感器的输出阻抗比较高，达到了10⁵数量级，对运算放大器的输入阻抗要求非常高，对运算放大器选型、采购和成本造成了许多不便；如果运算放大器的输入阻抗不够高，也就是说放大器的输入阻抗和传感器的输出阻抗不匹配，会导致传感器输出信号幅度衰减，影响的传感器的探测整体性能。同时，红外传感器的输出信号非常小，为微伏信号，为满足单片机的采样要求，必须把传感器的毫伏信号放大两千倍左右，单片机才能正确采样，过大的放大倍数，要求放大电路的噪声要非常低，增加了电路的设计难度，也降低了探测器的可靠性，同时过大的放大倍数，容易引入噪声，这样电路的信噪比很难控制，不利于生产和调试。

本实用新型中，放大电路可以选用共集电极放大电路或分压式偏置共发射极放大电路。为了提高放大电路的输入阻抗，在放大电路中加入一个自举电路，能有效的提高放大电路的输入阻抗。同时，由于放大电路的输出阻抗较大，所以放大器输出端采用跟随器输出设计，能有效降低放大器的输出阻抗。本实用新型中，明火火焰的一个重要特征是其辐射能量有闪烁效应，闪烁频率虽受风等周围环境的影响，但是基本在0.5Hz到30Hz范围之内。所以，本实用新型中采用截止频率为30Hz的巴特沃斯低通滤波器，能有效提高探测效率。

在实际应用中，本实用新型的双光谱火焰探测器采用电路模块化设计，以降低产品的工艺安装要求，使探测器抗电磁干扰能力强，可靠性高。

本实用新型中使用了32位数据处理专用单片机MSP430FE4793。其运行频率高、运算能力和处理能力强；且可嵌入运行多任务操作系统，实现对两路传感器信号的同步采样和同步分析，增强了产品的稳定性和可靠性。该单片机自带两路独立的高速16位A/D模数转换器，分辨率可以达到65536，同时该两路独立A/D转换器的输入电压范围为±0.6V，相对满度输出5V的放大电路来说，放大倍数小了8倍左右，只需要放大250倍左右就足够，很大程度上降低了放大器的设计难度和成本，同时降低了放大电路的信噪比。

显然，本实用新型的上述实施例仅仅是为清楚地说明本实用新型所作的举例，而并非是对本实用新型的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本实用新型的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型的保护范围之列。