專利名稱：雙波長紅外火焰探測器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及火災(zāi)預(yù)警系統(tǒng)領(lǐng)域，特別涉及火焰探測裝置領(lǐng)域，具體是指一種雙波長紅外火焰探測器。
背景技術(shù)：
太陽、火焰、人體以及其它熱物體，都會輻射不同頻譜、不同強度的輻射能量。例如到達地球表面的太陽光線基本上就屬于全光譜(包含紫外、中紅外、遠紅外)的輻射光線，請參閱圖1所示，其中區(qū)域I為可見光，區(qū)域II為紅外輻射，區(qū)域III為到達地球表面的太陽輻射，在輻射光譜中，11段為紫外探測波段，12段為紅外探測波段，13段為CO2峰值波段?；馂?zāi)發(fā)生時產(chǎn)生的火焰，輻射出的紅外線主要集中在中紅外頻譜范圍內(nèi)。
請參閱圖2所示，紅外火焰探測器使用的紅外傳感器，其中包括窄帶濾光片22和紅外線傳感功能電路23，將不同紅外輻射能量轉(zhuǎn)換成為不同強度的電信號，圖中21為輸入的紅外輻射，24為輸出的電信號，因而紅外火焰探測器根據(jù)傳感器檢測到的電信號來識別是否有明火存在，發(fā)生火災(zāi)報警信號?；谶@樣的工作原理，紅外火焰探測器具有以下的特性(1)被動探測如果沒有輻射紅外線的物體存在，紅外火焰探測器沒有任何的響應(yīng)。同理，如果紅外火焰探測器沒有主動紅外輻射裝置，紅外探測器就難以實現(xiàn)污染檢測。
(2)探測距離隨探測角度的變化而變化從圖3可以看出，同一物體發(fā)出的紅外輻射能量是相同的，但是若處于不同的輻射角度，到達紅外傳感敏感源的能量是不同的，其關(guān)系相當(dāng)于幾何上的余弦函數(shù)(COS)關(guān)系，例如當(dāng)輻射角度為0度(垂直輻射)時若輻射能量為A，則輻射角度為60度(斜射)時輻射能量為cos60°×A＝A/2。
請參閱圖4所示，所有的紅外探測器的監(jiān)視范圍均是拋物線錐體而不是等圓錐體。
在現(xiàn)有技術(shù)中，普通常規(guī)的紅外火焰探測器是使用單紅外探測設(shè)計，導(dǎo)致整體產(chǎn)品的抗干擾性不強，容易受到環(huán)境各種干擾光源的影響導(dǎo)致誤報；同時，傳統(tǒng)的紅外火焰探測器使用的紅外傳感器接收的中心波長不在火焰的峰值波長上，帶寬較寬，不能正確的接收火焰中發(fā)射出來的紅外信號，不能正確反應(yīng)火災(zāi)發(fā)生的情況；在對環(huán)境的適應(yīng)能力上，自然光、陽光、燈光、電焊等干擾源對傳統(tǒng)紅外火焰探測器會造成很大的影響，所以普通的紅外火焰?zhèn)鞲衅鲗κ褂铆h(huán)境的要求很高，不能很好的滿足用戶的各種要求；而且由于紅外火焰?zhèn)鞲衅鲀?nèi)部的采樣電阻很大，紅外傳感器不宜在震動、晃動的環(huán)境下使用，在這樣環(huán)境下使用的紅外火焰探測器只能犧牲探測器的靈敏度和探測距離來滿足使用要求；同時，普通紅外火焰探測器的探測視角一般只能達到80度的探測視角，保護面積??；不能形成一個余弦關(guān)系的視角圓錐；不僅如此，一般的紅外火焰探測器只能探測到25米以內(nèi)的一個標準火源；當(dāng)距離達到25米探測距離的時候，探測器的靈敏度就會降低很多；無法探測到50米的標準火焰；同時普通紅外火焰探測器靈敏度低，容易由于環(huán)境非火焰因素導(dǎo)致探測器誤報警；當(dāng)火源的距離超出探測器的探測保護距離時，探測器無法對火災(zāi)做出及時的報警；普通紅外火焰探測器結(jié)構(gòu)上無法滿足防爆防護要求，無法在特殊場合的使用。
實用新型內(nèi)容本實用新型的目的是克服了上述現(xiàn)有技術(shù)中的缺點，提供一種能夠準確進行火焰探測和精確報警、抗干擾能力和環(huán)境適應(yīng)能力較強、探測視角相對較大、探測靈敏度高的雙波長紅外火焰探測器。
為了實現(xiàn)上述的目的，本實用新型的雙波長紅外火焰探測器具有如下構(gòu)成該雙波長紅外火焰探測器，包括殼體、嵌裝于殼體上的窄帶濾光片、窄帶濾光片后殼體內(nèi)部的紅外線傳感功能電路，其主要特點是，所述的紅外線傳感功能電路包括二路具有不同的接收波段的紅外線傳感信號處理電路和一個中央處理器，每一路紅外線傳感信號處理電路均包括依次相連接的紅外傳感信號匹配電路單元、低噪聲前置放大器、多環(huán)有源選頻放大器、交流可調(diào)增益放大器、AD采樣和單片機接口電路，所述的單片機接口電路和所述的中央處理器相連接。
所述的紅外傳感信號匹配電路單元包括紅外線傳感器接收單元和與之相連接的自舉電路單元，所述的紅外線傳感器接收單元由場效應(yīng)管、串聯(lián)連接于該場效應(yīng)管柵極的傳感元和耦合電容、與該傳感元和耦合電容相并聯(lián)的輸入偏置電阻組成，所述的自舉電路單元跨接于該場效應(yīng)管的漏極與源極之間。
所述的傳感元為鉭酸鋰薄片靈敏元。
所述的兩個紅外線傳感器接收單元所接收的紅外線波長分別為3.8μm和4.3μm。
所述的低噪聲前置放大器為級聯(lián)的多級放大器，其中第一級放大器為PF5301-1場效應(yīng)管放大器。
所述的多環(huán)有源選頻放大器為三階有源帶通濾波器，且該帶通濾波器的中心頻率為10Hz，帶寬為2.3Hz，增益為2.8倍。
所述的交流可調(diào)增益放大器的放大增益為20～100倍。
所述的AD采樣和單片機接口電路包括一參考電壓可調(diào)式差動放大器，所述的交流可調(diào)增益放大器和參考電壓可調(diào)式差動放大器的輸出端均與所述的中央處理器的采樣輸入端相連接，該中央處理器的PWM輸出端與所述的參考電壓可調(diào)式差動放大器的輸入端相連接。
采用了該實用新型的雙波長紅外火焰探測器，由于其具有兩個不同紅外接收波段的傳感器，從而能夠最大限度地接收火焰發(fā)出的輻射能，最低限度地接收非火災(zāi)干擾源，通過檢測頻譜范圍在3.5至5.0微米范圍、振蕩頻率在5至25赫茲的火焰輻射能，并對兩個傳感器采集信號的變化比率和對應(yīng)關(guān)系進行數(shù)據(jù)分析和運算處理，從而僅對火焰特征頻譜范圍內(nèi)的輻射發(fā)出報警，具備了非常高的防誤報警能力，克服了探測靈敏度與誤報警的矛盾，既具有極高的火災(zāi)探測靈敏度，又具有傳統(tǒng)火焰探測器所不具備的非火災(zāi)干擾源識別能力；同時本實用新型的探測器克服了紅外傳感器不宜在震動、晃動的環(huán)境下使用的缺陷，使其靈敏度和探測器距離大大提高；而且該探測器的探測視場角可以達到120度的探測范圍，保護面積大，探測保護距離和探測靈敏度高，實現(xiàn)了精確報警，滿足了防爆和防護要求；不僅如此，在生產(chǎn)工藝要求上，本探測器的電路模塊化設(shè)計，降低了產(chǎn)品的工藝安裝要求，并使得探測器抗電磁干擾能力強，可靠性高，而且安裝簡單快速，維護和維修方便。


圖1為碳氫類化合物燃燒的輻射光譜示意圖。
圖2為紅外傳感器工作原理示意圖。
圖3為當(dāng)光線為傾斜角度輻射紅外傳感器情況下的示意圖。
圖4為紅外火焰探測器的監(jiān)視范圍示意圖。
圖5為本實用新型的紅外線傳感信號處理電路的功能模塊示意圖。
圖6為本實用新型的紅外線傳感器接收單元的電路原理圖。
圖7為本實用新型的紅外傳感信號匹配電路單元的電路原理圖。
圖8為本實用新型的低噪聲前置放大器的電路原理圖。
圖9為本實用新型的多環(huán)有源選頻放大器的電路原理圖。
圖10為本實用新型的交流可調(diào)增益放大器的電路原理圖。
圖11為本實用新型的AD采樣和單片機接口電路的工作原理圖。
圖12為本實用新型的參考電壓可調(diào)式差動放大器的電路原理圖。
圖13為本實用新型的電源供電部分的電路原理圖。
圖14為本實用新型的繼電器驅(qū)動電路的原理圖。
圖15為本實用新型的中央處理器電路的原理圖。
圖16為本實用新型的智能總線接口電路的原理圖。
圖17為本實用新型的雙波長紅外火焰探測器對火焰的響應(yīng)曲線示意圖。
圖18為本實用新型的雙波長紅外火焰探測器對熱物體的響應(yīng)曲線示意圖。
圖19a、圖19b分別為本實用新型的雙波長紅外火焰探測器的兩種安裝方式示意圖。
圖20為本實用新型的雙波長紅外火焰探測器在隧道中安裝使用的示意圖。
具體實施方式
為了能夠更清楚地理解本實用新型的技術(shù)內(nèi)容，特舉以下實施例詳細說明。
請參閱圖5所示，該雙波長紅外火焰探測器，包括殼體、嵌裝于殼體上的窄帶濾光片、窄帶濾光片后殼體內(nèi)部的紅外線傳感功能電路，其中，所述的紅外線傳感功能電路包括二路具有不同的接收波段的紅外線傳感信號處理電路和一個中央處理器，每一路紅外線傳感信號處理電路均包括依次相連接的紅外傳感信號匹配電路單元1、低噪聲前置放大器2、多環(huán)有源選頻放大器3、交流可調(diào)增益放大器4、AD采樣和單片機接口電路5，所述的AD采樣和單片機接口電路5和所述的中央處理器相連接。在實際使用當(dāng)中，所述的二路紅外線傳感信號處理電路的參數(shù)是一致的。
再請參閱圖6和圖7所示，所述的紅外傳感信號匹配電路單元1包括紅外線傳感器接收單元S1和與之相連接的自舉電路單元，所述的紅外線傳感器接收單元由場效應(yīng)管、串聯(lián)連接于該場效應(yīng)管柵極G的傳感元Cd和耦合電容Ca、與該傳感元Cd和耦合電容Ca相并聯(lián)的輸入偏置電阻Ri組成，所述的傳感元Cd為鉭酸鋰薄片靈敏元；所述的自舉電路單元3DJ2H跨接于該場效應(yīng)管的漏極D與源極S之間。
同時，所述的兩個紅外線傳感器接收單元所接收的紅外線波長分別為3.8μm和4.3μm，這是因為火焰的中心頻率是4.3μm，而3.8μm的傳感器不對火焰信號相應(yīng)；但兩個傳感器對熱物體(非火焰信號)的相應(yīng)強度是一樣的。
同時，本實用新型的探測器的紅外頻譜是通過嵌入在中央處理器CPU內(nèi)部的軟件來選擇的，也就是文中提到的人工智能算法，電路只是把傳感器的信號進行采樣和整形處理。
其中的人工智能算法包括(1)火焰特征頻率算法，實現(xiàn)對紅外傳感器采樣到火焰信號進行分析和計算火焰的頻率，因為火焰的頻率范圍在5～25Hz的范圍內(nèi)跳動，所以算法只分析5～25Hz的傳感器信號。
(2)火焰變化率算法。
(3)兩路傳感器信號對比關(guān)系算法，因為3.8微米的傳感器不對火焰信號反應(yīng)，對火焰信號反應(yīng)的傳感器是4.3微米的傳感器，通過兩個傳感器的相對信號的比較，可以正確檢測到火災(zāi)。
在實際使用當(dāng)中，Cd為鉭酸鋰薄片靈敏元，為電容性信號源，其直流阻抗在1013歐數(shù)量級。G為低噪聲J-FET，Ri為G的輸入偏置電阻，數(shù)量級為2×1011歐左右。如果Cd與J-FET直接耦合，則傳感器的電壓響應(yīng)頻率將遠大于火焰的特征頻率(5～25Hz)，所以要插入Ca電容耦合，抑制干擾的串入。又因G的結(jié)電容及傳感器中寄生的分布電容，使G的輸入端存在一個非實體的等效輸入電容Ci，與輸入電阻Ri組成了一個達到秒級的RC電容時間常數(shù)，因此，匹配級電路的設(shè)計應(yīng)盡量減小Ci的數(shù)值，所以電路中必須加入一個自舉電路單元來盡可能減小Ci的數(shù)值，其中自舉電路是利用反饋使輸入電阻的兩端近似為等電位，減小向輸入回路索取電流，從而提高輸入阻抗、降低輸入電容Ci的電路，該電路中使用結(jié)型場效應(yīng)管3DJ2H，把紅外傳感器的輸出反饋到效應(yīng)管3DJ2H的輸入端，紅外線傳感器接收單元S1接收到火焰信號的時候，信號反饋到3DJ2H的輸入端，場效應(yīng)管3DJ2H強制拉高紅外線傳感器接收單元S1的陽極電壓，從而減小了對下一級的輸入回路索取電流，提高了輸入阻抗，降低了輸入電容。因此，自舉電路常應(yīng)用于傳感器的輸出阻抗很高的測量放大電路中。如電容式、壓電式、熱釋電(紅外傳感器屬于熱釋電傳感器)傳感器的測量放大電路。
再請參與圖8所示，所述的低噪聲前置放大器2為級聯(lián)的多級放大器，其中第一級放大器為PF5301-1場效應(yīng)管放大器。
在實際使用當(dāng)中，對于多級放大器，級聯(lián)網(wǎng)絡(luò)噪聲主要來自第一級噪聲，因此做好第一級低噪聲放大器使至關(guān)重要的，它將決定能否良好的發(fā)揮傳感器原有的性能。通常在現(xiàn)有技術(shù)中，大多數(shù)的低噪聲前置放大器設(shè)計中，第一級多用J-FET擔(dān)當(dāng)，而本實用新型中使用的J-FET型號為PF5301-1的場效應(yīng)管，具有良好的工作穩(wěn)定性和低噪聲的特點。
再請參閱圖9所示，所述的多環(huán)有源選頻放大器3為三階有源帶通濾波器3，主要根據(jù)火焰的閃爍頻率，中心頻率在10Hz左右，因此根據(jù)這個參數(shù)，本實用新型中設(shè)定帶通濾波器3的中心頻率為10Hz，帶寬為2.3Hz的范圍，增益為2.8倍。
再請參閱圖10所示，所述的交流可調(diào)增益放大器4的放大增益為20～100倍。在實際使用當(dāng)中，由于該級無特殊要求，傳感器經(jīng)前置放大器和選頻放大器放大后，其輸出信號的噪聲增益和后續(xù)數(shù)字電路可識別處理無法滿足，因此尚需要再放大20～100倍，可以由普通的可調(diào)增益放大器4來完成這個功能。
再請參閱圖11和12所示，所述的AD采樣和單片機接口電路5包括一參考電壓可調(diào)式差動放大器51，所述的交流可調(diào)增益放大器4和參考電壓可調(diào)式差動放大器51的輸出端均與所述的中央處理器的采樣輸入端(I1+和I1-；I2+和I2-)相連接，該中央處理器的PWM輸出端與所述的參考電壓可調(diào)式差動放大器41的輸入端相連接。
在實際使用當(dāng)中，由于中央處理器CPU的AD采樣輸入端使用的是差動放大器輸入，同時傳感器的直流電壓輸出是隨環(huán)境溫度、環(huán)境光的強度等環(huán)境因素而變化，所以需要對采樣輸出信號進行跟蹤和調(diào)整。
除此之外，本實用新型的雙波長紅外火焰探測器還具有如下創(chuàng)新的設(shè)計1.電源供電部分電源部分使用高效率的開關(guān)電源轉(zhuǎn)換模塊(DC-DC)，轉(zhuǎn)換效率可以達到95％以上，輸入電壓可以在18～30V，使探測器對供電電源的要求不高，適應(yīng)實際使用的要求。
請參閱圖13所示，其具有如下特點(1)輸入使用防止用戶電源反接電路，當(dāng)電源的極性接反時，探測器不工作，也不影響到其他探測器的正常工作；(2)使用可恢復(fù)保險管F1(型號時MF-R020，允許通過的電流為200mA)，當(dāng)探測器內(nèi)部故障，導(dǎo)致內(nèi)部電源短路或者使用電路超過200mA，可恢復(fù)保險管自動斷開和電源的連接，不會影響到整改系統(tǒng)的正常運行。
(3)電源轉(zhuǎn)換器件使用美國國家半導(dǎo)體公司的LM2575系列DC-DC轉(zhuǎn)換芯片，工作穩(wěn)定，效率高。
2.繼電器驅(qū)動方式再請參閱圖14所示，其中的電路特點如下(1)使用高靈敏度的歐姆龍繼電器，型號G5V-2-H的24V繼電器，觸點允許的容量較大(2A/30VDC)，動作電流低(動作電流為24V/10mA)。
(2)增加繼電器誤動作控制(CLR)，和RELC1、RELC2的兩個繼電器控制端組成了一個單非三輸入的與門，探測器剛剛上電的時候，CPU的輸出口狀態(tài)不穩(wěn)定，但要么全是高電平或者全是低電平，這樣繼電器在上電的時候是不會誤動作的。
3.中央處理器(CPU)的使用和電路再請參閱圖15所示，其中的電路特點如下(1)使用16位處理能力的工業(yè)級微處理器(CPU)，工作頻率可以達到66MHz。
(2)CPU自帶16位模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器(A/D轉(zhuǎn)換器)，通過程序控制，可以實現(xiàn)24位的采樣精度，實現(xiàn)辦法是通過兩次采樣疊加，每次采樣的精度是12位，本實用新型的探測器對傳感器的信號采樣是使用24位的采樣，保證CPU讀到的傳感器信號的精度高。
(3)該CPU可以實現(xiàn)在線軟件調(diào)試，電路中預(yù)留了調(diào)試接口。
4.智能總線接口電路再請參閱圖16所示，其中的電路特點如下(1)實現(xiàn)探測器和火災(zāi)報警控制器的智能連接，是火災(zāi)報警控制器可以通過智能總線的通訊協(xié)議，監(jiān)視探測器的運行狀態(tài)。
(2)如果該電路模塊不焊接，探測器將是一個只有開關(guān)量輸出(繼電器輸出)的普通型探測器。
本實用新型的雙紅外火焰探測器工作原理如下雙波長紅外火焰探測器通過探測碳氫化合物燃燒產(chǎn)生的不同波長的紅外輻射能量，通過不同的信號處理通道，在中紅外光譜區(qū)對火焰信號和背景干擾信號的輻射變化進行響應(yīng)、運算和分析，實現(xiàn)火焰的快速響應(yīng)并抑制誤報警。
圖1為碳氫類化合物燃燒的輻射光譜圖，從圖中可以看出，火源釋放的能量橫跨了紫外、可見光和紅外等電磁輻射波段，且大部分能量集中在紅外波段、不同波長的紅外輻射能量不同。紅外段4.3微米附近出現(xiàn)的曲線凸起部分是被稱為CO2共鳴的CO2原子團發(fā)光光譜，它比火焰中其它原子、分子或基團所發(fā)出的線狀或帶狀光譜具有絕對大的輻射強度。紅外段3.8微米附近凹下的部分是CO2輻射強度最弱的光譜，用以識別熱物體發(fā)出的紅外輻射。
火災(zāi)火焰的一個重要特征是其輻射能量有閃爍效應(yīng)。閃爍頻率雖受風(fēng)等周圍環(huán)境的影響，但是基本在0.5Hz到30Hz范圍之內(nèi)。而熱物體發(fā)出的紅外輻射光譜既不同于火焰發(fā)出的輻射光譜，又不具有火焰的閃爍特性。因此，雙波長紅外火焰探測器通過對特征波長的紅外輻射的能量及閃爍性來識別火焰，實現(xiàn)火焰的快速響應(yīng)，并非常有效地抑制誤報警。
請參閱圖17所示，其為雙波長紅外火焰探測器對火焰的響應(yīng)曲線示意圖，其中曲線61為探測器對火焰輻射特征光譜的響應(yīng)曲線，曲線62為探測器對火焰發(fā)出的熱輻射響應(yīng)曲線。探測器能夠?qū)崿F(xiàn)火焰的快速響應(yīng)和報警。
再請參閱圖18所示，其為探測器對熱物體的響應(yīng)曲線示意圖，其中曲線71為探測器對熱物體發(fā)出特征輻射響應(yīng)曲線，曲線72為火焰輻射特征光譜的響應(yīng)曲線，二者同步響應(yīng)。探測器能夠有效地抑制非火焰報警。
其技術(shù)參數(shù)如下表所示

在實際應(yīng)用的場合，本實用新型的探測器具有如下優(yōu)點(1)距離長、靈敏度高探測器的探測距離的軸線最遠探測距離可長達60米。(在0.7m*0.7m汽油火下)。
(2)監(jiān)視角度大、監(jiān)視范圍廣探測器具有120度的視角，配合最遠60米的監(jiān)視距離，監(jiān)視范圍廣。
(3)防誤報警能力強探測器對電焊、日光、人工光源、熱輻射、電磁干擾、機械振動等均具有極強的抗干擾性。
(4)自適應(yīng)、自檢測功能可靠的故障自診斷，自動根據(jù)探測窗口污染情況調(diào)節(jié)探測靈敏度，污染低于50％時探測距離無變化。
(5)防護等級高防塵、防水、防爆，適用于各種環(huán)境惡劣使用場所。
(6)安裝使用方便、維護成本低探測器具有火警繼電器、故障繼電器輸出接口，可方便地配合各種火災(zāi)報警系統(tǒng)的使用；具有非常靈活的視角調(diào)節(jié)方式，可實現(xiàn)180度范圍內(nèi)的任意角度調(diào)節(jié)；可直接用酒精清洗外監(jiān)視窗口。
本實用新型的雙波長紅外火焰探測器的適用范圍如下(1)適用于無煙液體和氣體火災(zāi)以及產(chǎn)生煙的明火火災(zāi)探測，諸如含碳材料的明火燃燒(木材、塑料、酒精、油類產(chǎn)品、氣體等)，不適用于對某些化學(xué)物質(zhì)(如磷、鈉、鎂、硫、氫等物質(zhì))燃燒的探測。
(2)其適用場所通常包括但不局限于●公路隧道、鐵路隧道●共同溝●電廠●軍需品、爆炸物倉庫●硅烷儲藏庫●化學(xué)制品裝載區(qū)●油、氣、石化產(chǎn)品生產(chǎn)廠●危險品倉庫再請參閱圖19a、19b所示，其中圖19a為在側(cè)面墻的安裝示意圖，圖19b為在頂面墻的安裝示意圖。安裝過程中的基本原則如下探測器應(yīng)該對警戒區(qū)內(nèi)各可能發(fā)生的火災(zāi)均保持直接入射，盡量避免間接入射(反射)。
圖中的81為調(diào)節(jié)探測器左右擺角方向的螺釘，82為調(diào)節(jié)上下仰角的螺釘，方向調(diào)節(jié)好后需要把這兩組螺釘固定擰緊，這樣才能確保安裝牢固和定位精確。
同時，本實用新型的雙波段火焰探測器接線方法如下

黃/白——故障繼電器的無源常閉觸點輸出，負載能力為2A/30VDC藍/綠——火警繼電器的無源常開觸點輸出，負載能力為2A/30VDC黑——+24V可復(fù)位供電電源負線紅——+24V可復(fù)位供電電源正線其布線要求為所有信號線均采用Rvs-2×1.5mm線，信號電纜要走單獨纜架與動力電纜隔開。
再請參閱圖20所示，其為本實用新型的雙波長紅外火焰探測器在隧道中安裝使用的具體例子。
隧道火災(zāi)往往由與汽車相撞、車輛裝載物品燃燒或爆炸、電力電氣線路短路等事故引發(fā)，其火災(zāi)特點是起火速度快、明火事故多于陰燃火。
由于隧道環(huán)境密閉、交通量大、人員密集，逃生和救援工作相當(dāng)困難，若一旦發(fā)生火災(zāi)后不能迅速報警和及時處理，將導(dǎo)致交通堵塞、重大人員傷亡和財產(chǎn)損失。
任何火災(zāi)探測方案，首先需要考慮的是選用什么樣的火災(zāi)探測方式，才能夠迅速、準確地實現(xiàn)火災(zāi)探測及火災(zāi)報警。鑒于隧道火災(zāi)的特點，目前隧道火災(zāi)探測使用較多的火災(zāi)探測方案是火焰探測、光纖(或感溫電纜)感溫探測、空氣管式火災(zāi)探測。
由于隧道往往具有距離長、分散、通訊相對不便利等特點，除了火災(zāi)探測的方案選擇外，還需要著重考慮的問題是火災(zāi)報警控制器總線傳輸距離、火災(zāi)報警控制主機之間的聯(lián)網(wǎng)方式、通訊方式。
光纖(或感溫電纜)感溫探測方式、空氣管式火災(zāi)探測都屬于線型感溫探測方式，其基本原理都是根據(jù)火災(zāi)發(fā)生后產(chǎn)生的熱氣流或熱煙霧上升到隧道頂部后，引起隧道頂部的溫度變化，然后根據(jù)溫度變化量(溫差探測)或溫度變化值(定溫探測)來實現(xiàn)火災(zāi)探測和火災(zāi)報警。
隧道由于終年陰冷且保持一定風(fēng)速(2～10米/秒)，給感溫探測機理帶來不穩(wěn)定性和滯后性。同樣規(guī)?；馂?zāi)產(chǎn)生的熱氣流或熱煙霧，在環(huán)境溫度低的情況下，溫度上升慢；在環(huán)境溫度高的情況下，溫度上升快。在風(fēng)速高的情況下，溫度上升慢；風(fēng)速低的情況下，溫度上升快。這樣，如果火災(zāi)探測的靈敏度設(shè)置過高(溫差小或定溫值低)，則容易出現(xiàn)誤報警；反之，若靈敏度設(shè)置過低(溫差大或定溫值高)，則容易出現(xiàn)報警大幅度滯后與火災(zāi)，甚至不能報警。
相比之下，火焰探測方式具有響應(yīng)速度快、靈敏度高、保護面積大、不受環(huán)境變化的影響，目前是隧道火災(zāi)探測中最為成熟和有效的解決方案。
在隧道中，通常是由于汽車事故引發(fā)火災(zāi)，而且引發(fā)的火災(zāi)往往直接產(chǎn)生明火(汽油泄漏燃燒)，因此通常使用紅外火焰探測器與手動火災(zāi)報警按鈕相結(jié)合的方式，實現(xiàn)火災(zāi)自動報警以及交通管制等自動控制。
隧道火災(zāi)探測系統(tǒng)的構(gòu)成方案通常為(1)在隧道口的管理室內(nèi)設(shè)置火災(zāi)報警控制主機，在隧道中每間隔50米的距離，設(shè)置一只火焰探測器，通過火焰探測實現(xiàn)火災(zāi)自動報警；每間隔50米同時設(shè)置一只手動報警按鈕和一只聲光報警器，用于火災(zāi)手動報警，并發(fā)出聲音、閃光報警信號。
(2)若隧道較長(超過1500米)，通?；馂?zāi)報警控制主機的總線長度不能超過1500米，此時應(yīng)采用總線中繼器延長總線距離，或者另行設(shè)置一臺火災(zāi)報警控制主機，多臺火災(zāi)報警控制主機之間進行聯(lián)網(wǎng)。
(3)若多個隧道構(gòu)成隧道群，在中央控制室或管理中心，應(yīng)將所有報警控制器的信息反映到中央控制室，此時宜采用長距離聯(lián)網(wǎng)方式(如光纖)將所有報警控制主機進行聯(lián)網(wǎng)。
(4)根據(jù)本實用新型的紅外火焰探測器的探測原理可知，紅外火焰探測器的監(jiān)視范圍為拋物線錐體形，監(jiān)視范圍與最大探測距離、探測角度有關(guān)。另外，由于紅外火焰探測器是被動式探測原理，必須當(dāng)火焰處于有效監(jiān)視范圍情況下才能實現(xiàn)火災(zāi)探測。因此，在實際應(yīng)用中，選擇恰當(dāng)?shù)陌惭b方式，使得紅外火焰探測器有效對準監(jiān)視區(qū)域，防止障礙物遮擋，變得至關(guān)重要，否則不能達到探測效果。
因此需要選擇恰當(dāng)?shù)陌惭b角度，避免探測盲區(qū)(1)隧道具有長度大，高度、寬度小的特點(高度通常不超過10米、寬度通常不超過20米)。紅外火焰探測器的監(jiān)視范圍為拋物線錐體且軸線方向探測距離最長，因此，在安裝時應(yīng)將紅外火焰探測器的軸線方向正對(或背對)隧道的通行方向，這樣，使得紅外火焰探測器的有效監(jiān)視范圍覆蓋隧道的探測區(qū)域，避免探測盲區(qū)。
(2)假設(shè)隧道寬度為A米，隧道高度為B米，紅外火焰探測器的安裝間距為50米。探測器的安裝角度為水平安裝角度＝arc tan(B/50)，垂直安裝角度＝arc tan(A/50)。
(3)探測器具有長達60米的軸線探測距離，因此，只要按照規(guī)定的安裝角度，完全能夠避免探測盲區(qū)。
同時應(yīng)當(dāng)選擇恰當(dāng)?shù)陌惭b高度，避免因障礙物引起的探測盲區(qū)(1)隧道火災(zāi)通常由車輛事故或故障引發(fā)，事故車輛容易對早期火焰形成遮擋，影響火災(zāi)的早期探測。
(2)鑒于本實用新型的紅外火焰探測器的監(jiān)視范圍為拋物線錐體形狀，因此，為避免障礙物的遮擋，應(yīng)盡量提高火焰探測器的安裝高度，以俯視狀態(tài)監(jiān)視探測區(qū)域，能夠最大限度地減少障礙物造成的探測盲區(qū)。
(3)考慮到施工的便利性，建議將探測器的安裝位置為隧道壁距隧道頂部20-30厘米處。
(4)考慮到在某些隧道應(yīng)用中，客戶可能采用預(yù)埋安裝方式，將紅外火焰探測器、手動報警按鈕、聲光報警器集中安裝到一個預(yù)埋箱中。探測器也提供了這種安裝方式的解決方案，即選用探測器隧道應(yīng)用組件的方式進行安裝。
采用了上述的雙波長紅外火焰探測器，由于其具有兩個不同紅外接收波段的紅外線傳感信號處理電路，從而能夠最大限度地接收火焰發(fā)出的輻射能，最低限度地接收非火災(zāi)干擾源；結(jié)合專有的雙波長紅外探測電路及軟件算法，檢測頻譜范圍在3.5至5.0微米范圍、振蕩頻率在5至25赫茲的火焰輻射能，通過運算處理能力極強的處理器，對兩個傳感器采集信號的變化比率和對應(yīng)關(guān)系進行數(shù)據(jù)分析和運算處理，只對火焰特征頻譜范圍內(nèi)的輻射發(fā)出報警，具有非常高的防誤報警能力；通過采用雙波長紅外探測(DIR)技術(shù)克服了探測靈敏度與誤報警的矛盾，既具有極高的火災(zāi)探測靈敏度，又具有傳統(tǒng)火焰探測器所不具備的非火災(zāi)干擾源識別能力；同時本實用新型的探測器克服了紅外傳感器不宜在震動、晃動的環(huán)境下使用的缺陷，使其靈敏度和探測器距離大大提高；而且該探測器的探測視場角可以達到120度的探測范圍，保護面積大，經(jīng)過特殊處理的紅外傳感器窄帶濾光片，使得探測器視角滿足余弦關(guān)系的視角圓錐，同時探測保護距離和探測靈敏度高，實現(xiàn)了精確報警，滿足了防爆和防護要求；不僅如此，在生產(chǎn)工藝要求上，本探測器的電路模塊化設(shè)計，降低了產(chǎn)品的工藝安裝要求，并使得探測器抗電磁干擾能力強，可靠性高，而且安裝簡單快速，維護和維修方便。
在此說明書中，本實用新型已參照其特定的實施例作了描述。但是，很顯然仍可以作出各種修改和變換而不背離本實用新型的精神和范圍。因此，說明書和附圖應(yīng)被認為是說明性的而非限制性的。
權(quán)利要求1.一種雙波長紅外火焰探測器，包括殼體、嵌裝于殼體上的窄帶濾光片、窄帶濾光片后殼體內(nèi)部的紅外線傳感功能電路，其特征在于，所述的紅外線傳感功能電路包括二路具有不同的接收波段的紅外線傳感信號處理電路和一中央處理器，每一路紅外線傳感信號處理電路均包括依次相連接的紅外傳感信號匹配電路單元、低噪聲前置放大器、多環(huán)有源選頻放大器、交流可調(diào)增益放大器、AD采樣和單片機接口電路，所述的單片機接口電路和所述的中央處理器相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長紅外火焰探測器，其特征在于，所述的紅外傳感信號匹配電路單元包括紅外線傳感器接收單元和與之相連接的自舉電路單元，所述的紅外線傳感器接收單元由場效應(yīng)管、串聯(lián)連接于該場效應(yīng)管柵極的傳感元和耦合電容、與該傳感元和耦合電容相并聯(lián)的輸入偏置電阻組成，所述的自舉電路單元跨接于該場效應(yīng)管的漏極與源極之間。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的雙波長紅外火焰探測器，其特征在于，所述的傳感元為鉭酸鋰薄片靈敏元。
4.根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的雙波長紅外火焰探測器，其特征在于，所述的兩個紅外線傳感器接收單元所接收的紅外線波長分別為3.8μm和4.3μm。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長紅外火焰探測器，其特征在于，所述的低噪聲前置放大器為級聯(lián)的多級放大器，其中第一級放大器為PF5301-1場效應(yīng)管放大器。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長紅外火焰探測器，其特征在于，所述的多環(huán)有源選頻放大器為三階有源帶通濾波器，且該帶通濾波器的中心頻率為10Hz，帶寬為2.3Hz，增益為2.8倍。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長紅外火焰探測器，其特征在于，所述的交流可調(diào)增益放大器的放大增益為20～100倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的雙波長紅外火焰探測器，其特征在于，所述的AD采樣和單片機接口電路包括一參考電壓可調(diào)式差動放大器，所述的交流可調(diào)增益放大器和參考電壓可調(diào)式差動放大器的輸出端均與所述的中央處理器的采樣輸入端相連接，該中央處理器的PWM輸出端與所述的參考電壓可調(diào)式差動放大器的輸入端相連接。
專利摘要本實用新型涉及一種雙波長紅外火焰探測器，包括殼體、嵌裝于殼體上的窄帶濾光片、窄帶濾光片后殼體內(nèi)部的紅外線傳感功能電路，其中紅外線傳感功能電路包括二路具有不同接收波段的紅外線傳感信號處理電路和一個中央處理器，每一路紅外線傳感信號處理電路均包括依次相連接的紅外傳感信號匹配電路單元、低噪聲前置放大器、多環(huán)有源選頻放大器、交流可調(diào)增益放大器、AD采樣和單片機接口電路，單片機接口電路和中央處理器相連接。采用該種結(jié)構(gòu)的雙波長紅外火焰探測器，具備了非常高的防誤報警能力，靈敏度和探測器距離大大提高，保護面積大，滿足了防爆和防護要求，同時工藝安裝要求低，抗電磁干擾能力強，可靠性高，安裝簡單快速，維護和維修方便。
文檔編號G08B17/12GK2932335SQ20062004079
公開日2007年8月8日 申請日期2006年4月4日 優(yōu)先權(quán)日2006年4月4日
發(fā)明者張 杰 申請人:上海安譽智能科技有限公司