专利名称：三波长红外火焰探测器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及消防设备领域，特别涉及火焰探测器领域，具体是指一种三波长 红外火焰探测器。
背景技术：
火焰探测器是常用的消防设备，用于火警报警及启动自动喷淋装置。红外火焰探 测器使用的红外传感器，其通过将不同波长明火辐射的红外能量转换成为不同强度的电信 号，红外火焰探测器根据传感器检测到的电信号来识别是否有明火存在；通过特定的电路 对红外传感器产生的电信号进行阻抗匹配、放大、滤波等方法处理，单片机采集到红外传感 器的信号，结合相应的火灾软件算法，准确判断火灾的发生，并发出火灾报警信号。火灾发生时，明火火焰辐射的红外线主要集中在中红外频谱范围内。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。如图1所示，火源释放的能量横跨了紫 外、可见光和红外等电磁辐射波段，且大部分能量集中在红外波段、不同波长的红外辐射能 量不同。红外段4. 3微米附近出现的曲线凸起部分是被称为(X)2共鸣的(X)2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。红 外段3. 8和5. 0微米附近凹下的部分是(X)2辐射强度最弱的光谱，用以识别热物体发出的 红外辐射。明火火焰的另外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。而热物体发出的红外辐射光谱既不同于 火焰发出的辐射光谱，又不具有火焰的闪烁特性。因此，红外火焰探测器通过对火焰的特征波长红外辐射的能量及闪烁性来识别火 焰，实现火焰的快速响应，并有效地抑制误报警。传统的三红外火焰探测器一般采用4. 3微米波长红外传感器作为主探测通道，参 考波长为3. 8微米红外传感器，又因为火焰燃烧过程中的另外一个波峰为2. 7微米(此波 峰比4. 3微米的幅度低很多)，所以采用2. 7微米波长红外传感器作为辅助探测波长。其 缺点在于由于发生明火火灾时，4. 3微米红外传感器信号比3. 8微米红外传感器信号大， 火焰探测器一般利用这一差值作为报警的前提条件，而低温物体(如人体)的红外辐射中 心波长为7. 5微米左右，若探测器受到低温物体的热辐射干扰，会导致4. 3微米红外传感器 信号比3. 8微米红外传感器信号大许多，会导致火焰探测器误报警。同时，在火焰燃烧过程 中，2. 7微米的峰值波长幅度比较小，为满足单片机能准确采用的该通道的信号，必须把该 通道电路的放大倍数提高，由于红外传感器是高阻抗输入器件，容易收到外界干扰，而放大 电路的放大倍数过大，会直接导致信噪比降低非常多，对探测器的稳定性和可靠性造成了 危害。另外，由于水蒸气的吸收光谱的峰值也是在2. 7微米左右，当探测器受到水蒸气干扰 时，水蒸气会将大部分火焰燃烧过程中辐射出来的2. 7微米波长的辐射吸收掉，直接导致 探测器的2. 7微米红外传感器接收到的信号极其小，探测器会发生漏报的现象。同时，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 IO5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。

实用新型内容本实用新型的目的是克服了上述现有技术中的缺点，提供一种能尽量避免漏报现 象发生，传感器放大电路有效控制电路信噪比，保证感应信号传输的质量，结构简单，成本 低廉，且应用范围较为广泛的三波长红外火焰探测器。为了实现上述的目的，本实用新型的三波长红外火焰探测器具有如下构成该三波长红外火焰探测器的主要特点是，所述的三波长红外火焰探测器包括探测 波长不同的三路红外感应电路，以及与所述的三路红外感应电路相连接的单片机，所述的 红外感应电路均包括红外传感器、阻抗匹配和放大电路以及滤波电路，所述的红外传感器 的输出端顺序通过所述的阻抗匹配和放大电路和滤波电路连接所述的单片机，所述的三路 红外感应电路分别包括4. 3微米波长红外传感器、3. 8微米波长红外传感器和5. 0微米波长 红外传感器。该三波长红外火焰探测器中，所述的阻抗匹配和放大电路为二级放大电路，所述 的二级放大电路中，上级放大电路的电压输出端连接下级放大电路的电压输入端。该三波长红外火焰探测器中，所述的二级放大电路为二级结型场效应晶体管放大 电路，上级结型场效应晶体管放大电路的电压输出端连接下级结型场效应晶体管放大电路 的电压输入端。该三波长红外火焰探测器中，所述的二级结型场效应晶体管放大电路之间还包括 有输出跟随电路，所述的输出跟随电路的电压输入端连接所述的上级结型场效应晶体管放 大电路的电压输出端，所述的输出跟随电路的电压输出端连接所述的下级结型场效应晶体 管放大电路的电压输入端。该三波长红外火焰探测器中，所述的滤波电路为多阶低通滤波电路。所述的各阶 低通滤波电路均具有截止频率为30Hz的低通滤波器。该三波长红外火焰探测器中，所述的单片机为32位高速单片机，所述的32位高速 单片机具有三路16位模数转换器。所述的三路16位模数转换器的输入端分别连接所述的 三路红外感应电路的输出端。采用了该实用新型的三波长红外火焰探测器，由于其三路红外感应电路分别包括
4.3微米波长红外传感器、3. 8微米波长红外传感器和5. 0微米波长红外传感器。其利用
5.0微米波长红外传感器作为参考波长，该波长为火焰燃烧过程中的红外辐射波长的谷值， 其相对于峰值波长4. 3微米具有很大的落差，从而可以减少误报的发生，提高火焰探测器 的精确度；同时，其可对作为主探测器通道的4. 3微米波长红外传感器的本底信号进行滤除，排除低温物体热辐射干扰，从而保证探测器能正确探测到低温物体热辐射信号，提升该 三波长红外火焰探测器的整体可靠性。

图1为碳氢化合物燃烧辐射光谱图。图2为本实用新型的三波长红外火焰探测器的结构示意图。图3为本实用新型的三波长红外火焰探测器中红外传感器内部电路结构示意图。图4为本实用新型的三波长红外火焰探测器中红外传感器电路模块结构示意图。图5为本实用新型的三波长红外火焰探测器中阻抗匹配和放大电路的电路结构 示意图。图6为本实用新型的三波长红外火焰探测器中的阻抗匹配和放大电路中输出跟 随电路的电路结构示意图。图7为本实用新型的三波长红外火焰探测器中多阶低通滤波电路的电路结构示 意图。图8为本实用新型的三波长红外火焰探测器中单片机的电路结构示意图。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本实用新型的技术内容，特举以下实施例详细说明。请参阅图2所示，为本实用新型的波长红外火焰探测器的结构示意图。该三波长红外火焰探测器包括探测波长不同的三路红外感应电路，以及与所述的 三路红外感应电路相连接的单片机，所述的红外感应电路均包括红外传感器、阻抗匹配和 放大电路以及滤波电路，所述的红外传感器的输出端顺序通过所述的阻抗匹配和放大电路 和滤波电路连接所述的单片机，所述的三路红外感应电路分别包括4. 3微米波长红外传感 器、3. 8微米波长红外传感器和5. 0微米波长红外传感器。在该实施方式中，所述的单片机 为32位高速单片机，所述的32位高速单片机具有三路16位模数转换器，所述的三路16位 模数转换器的输入端分别连接所述的三路红外感应电路的输出端。在一种较优选的实施方式中，所述的阻抗匹配和放大电路为二级放大电路，所述 的二级放大电路中，上级放大电路的电压输出端连接下级放大电路的电压输入端。在一种更优选的实施方式中，所述的二级放大电路为二级结型场效应晶体管放大 电路，上级结型场效应晶体管放大电路的电压输出端连接下级结型场效应晶体管放大电路 的电压输入端。在一种进一步优选的实施方式中，所述的二级结型场效应晶体管放大电路之间还 包括有输出跟随电路，所述的输出跟随电路的电压输入端连接所述的上级结型场效应晶体 管放大电路的电压输出端，所述的输出跟随电路的电压输出端连接所述的下级结型场效应 晶体管放大电路的电压输入端。在另一种较优选的实施方式中，所述的滤波电路为多阶低通滤波电路，所述的各 阶低通滤波电路均具有截止频率为30Hz的低通滤波器。在实际应用中，本实用新型的三波长红外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。
5[0033]本实用新型的三波长红外火焰探测器包括红外传感器电路模块，红外传感器阻抗 匹配和放大电路模块和单片机模块。其中，如图3所示，红外传感器一般用钽酸锂薄片作为灵敏元，为电容性信号源， 其直流阻抗在IO13欧数量级。红外传感器的输出一般使用低噪声J场效应管，而灵敏元的 采样电阻数量级为2X1011欧左右，同时该采样电阻也可以用做F场效应管的偏置电阻，Cd 为钽酸锂灵敏元、G为F场效应管、Ri为灵敏元采样电阻。因J场效应管的结电容及传感器中寄生的分布电容，使J场效应管的输入端存在 一个非实体的等效输入电容Ci，与偏置电阻组成了一个达到秒级的RC电容时间常数，因 此，匹配级电路的设计应尽量减小Ci的数值，所以电路中必须加入一个自举电路单元来尽 可能减小Ci的数值，其中自举电路是利用反馈使输入电阻的两端近似为等电位，减小向输 入回路索取电流，从而提高输入阻抗、降低输入电容Ci的电路。如图4所示，该红外传感器电路模块中使用SST201结型场效应管，把红外传感 器的输出反馈到效应管结型场效应管的输入端，红外线传感器接收到火焰信号的时候，信 号反馈到结型场效应管的输入端，场效应管结型场效应管强制拉高红外线传感器的阳极电 压，从而减小了对下一级的输入回路索取电流，提高了输入阻抗，降低了输入电容。本实用新型中的三波长红外传感器中，只使用4. 3微米红外传感器作为主探测器 波长，舍弃辅助探测器波长，这样探测器的针对性就很强，利用火焰辐射频谱的主辐射峰值 波长作为火焰是否存在的主要判断依据。同时，利用3. 8微米红外传感器作为其中一个参 考波长，该波长红外传感器主要目的，一是该波长为火焰燃烧过程中的红外辐射波长为谷 值，相对峰值4. 3微米具有很大的落差；二是利用该波长进行滤除高温物体干扰，保证探测 器能正确探测到高温物体热辐射信号，通过软件方式，可作为主探测器通道4. 3为传感器 的本底信号进行滤除，排除高温物体热辐射干扰。利用5.0微米红外传感器作为另外一个 参考波长，该波长红外传感器主要目的，一是该波长为火焰燃烧过程中的红外辐射波长为 谷值，相对峰值4. 3微米具有很大的落差；二是利用该波长进行滤除低温物体干扰，保证探 测器能正确探测到低温物体热辐射信号，通过软件方式，可作为主探测器通道4. 3为传感 器的本底信号进行滤除排，除低温物体热辐射干扰。通过这两个参考波长，结合主探测器波 长，使探测器可以适应存在不同温度红外辐射干扰的场合，提高了产品的适应性、稳定性和 可靠性。本实用新型的这三个通道红外传感器的波长都比较临近，使得探测器收到同一温 度红外辐射时，三通道红外传感器的信号响应幅度基本一致，电路设计可以三路参数一致， 降低设计风险，同时给生产和调试带来了很多便利。红外传感器的输出阻抗比较高，达到了 IO5数量级，对放大器的输入阻抗要求非常 高，如果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。因此，在红外传感器阻抗匹配和放大电路模块中，传感器阻抗匹配电路采用超低 噪声J场效应管进行匹配和放大，J场效应管具有输入阻抗高(可以达到IO8数量级)，且 噪声非常低的特点。如图5所示，本实用新型的设计使用了 J场效应管放大电路，并采用了 两级放大，级间负反馈的方式，稳定放大器的放大倍数(约220倍)，增强放大电路的频率响 应特性，从而提高了电路的稳定性和可靠性。由于场效应管放大电路的输出阻抗比较高，在放大末端采用跟随器输出设计，降低了放大器的输出阻抗，给下一级放大器的设计降低了 要求。输出跟随电路的结构如图6所示。在单片机对传感器信号进行采样前，本实用新型 还设计使用了如图7所示的多阶低通滤波器，所述的低通滤波器的截止频率FO为30Hz，滤 除非火灾因素的信号影响，提高产品的可靠性。本实用新型的单片机模块使用了 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，实现对三路传感器信号 的同步采样和同步分析，增强了产品的稳定性和可靠性。如图8所示，该单片机自带三路独 立的高速16位A/D模数转换器，分辨率可以达到65536，同时该三路独立A/D转换器的输入 电压范围为士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，同时对降低放大电路的信 噪比带来很大的好处。采用了该实用新型的三波长红外火焰探测器，由于其三路红外感应电路分别包括
4.3微米波长红外传感器、3. 8微米波长红外传感器和5. 0微米波长红外传感器。其利用
5.0微米波长红外传感器作为参考波长，该波长为火焰燃烧过程中的红外辐射波长的谷值， 其相对于峰值波长4. 3微米具有很大的落差，从而可以减少误报的发生，提高火焰探测器 的精确度；同时，其可对作为主探测器通道的4. 3微米波长红外传感器的本底信号进行滤 除，排除低温物体热辐射干扰，从而保证探测器能正确探测到低温物体热辐射信号，提升该 三波长红外火焰探测器的整体可靠性。在此说明书中，本实用新型已参照其特定的实施例作了描述。但是，很显然仍可以 作出各种修改和变换而不背离本实用新型的精神和范围。因此，说明书和附图应被认为是 说明性的而非限制性的。
权利要求1.一种三波长红外火焰探测器，其特征在于，所述的三波长红外火焰探测器包括探测 波长不同的三路红外感应电路，以及与所述的三路红外感应电路相连接的单片机，所述的 红外感应电路均包括红外传感器、阻抗匹配和放大电路以及滤波电路，所述的红外传感器 的输出端顺序通过所述的阻抗匹配和放大电路和滤波电路连接所述的单片机，所述的三路 红外感应电路分别包括4. 3微米波长红外传感器、3. 8微米波长红外传感器和5. 0微米波长 红外传感器。
2.根据权利要求1所述的三波长红外火焰探测器，其特征在于，所述的阻抗匹配和放 大电路为二级放大电路，所述的二级放大电路中，上级放大电路的电压输出端连接下级放 大电路的电压输入端。
3.根据权利要求2所述的三波长红外火焰探测器，其特征在于，所述的二级放大电路 为二级结型场效应晶体管放大电路，上级结型场效应晶体管放大电路的电压输出端连接下 级结型场效应晶体管放大电路的电压输入端。
4.根据权利要求3所述的三波长红外火焰探测器，其特征在于，所述的二级结型场效 应晶体管放大电路之间还包括有输出跟随电路，所述的输出跟随电路的电压输入端连接所 述的上级结型场效应晶体管放大电路的电压输出端，所述的输出跟随电路的电压输出端连 接所述的下级结型场效应晶体管放大电路的电压输入端。
5.根据权利要求1所述的三波长红外火焰探测器，其特征在于，所述的滤波电路为多 阶低通滤波电路。
6.根据权利要求5所述的三波长红外火焰探测器，其特征在于，所述的各阶低通滤波 电路均具有截止频率为30Hz的低通滤波器。
7.根据权利要求1所述的三波长红外火焰探测器，其特征在于，所述的单片机为32位 高速单片机，所述的32位高速单片机具有三路16位模数转换器。
8.根据权利要求7所述的三波长红外火焰探测器，其特征在于，所述的三路16位模数 转换器的输入端分别连接所述的三路红外感应电路的输出端。
专利摘要本实用新型涉及一种三波长红外火焰探测器，其包括探测波长不同的三路红外感应电路，以及与所述的三路红外感应电路相连接的单片机，所述的红外感应电路均包括顺序连接的红外传感器、阻抗匹配和放大电路以及滤波电路，滤波电路连接所述的单片机，所述的三路红外感应电路分别包括4.3微米波长红外传感器、3.8微米波长红外传感器和5.0微米波长红外传感器。采用了该结构的三波长红外火焰探测器，由于其利用5.0微米波长红外传感器作为参考波长，其相对于峰值波长4.3微米具有很大的落差，从而可以减少误报的发生，提高火焰探测器的精确度；同时，可以排除低温物体热辐射干扰，提升焰探测器的整体可靠性。
文档编号G01J5/10GK201867924SQ20102060777
公开日2011年6月15日 申请日期2010年11月15日 优先权日2010年11月15日
发明者张 杰, 於回, 莫慈 申请人:上海翼捷工业安防技术有限公司