专利名称：红外紫外复合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，具体是指一种红外紫 外复合火焰探测器。
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。传统的两波长红外火焰探测器一般只使用一个4. 3微米波长红外传感器作为红 外探测通道，并结合紫外传感器探测进行火灾探测和报警。其缺点在于只使用一个红外传 感器进行探测，由于没有参考波长进行信号的比对，单波长红外很容易受到外界红外辐射 干扰，虽然结合了紫外传感器作为另外一个火警判断依据，但红外传感器一旦受外界辐射 干扰，很容易造成探测器不报警或误报警。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�。⒎� 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误报漏 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红外紫外复合火焰探测器。为了实现上述的目的，本实用新型的红外紫外复合火焰探测器具有如下构成该红外紫外复合火焰探测器的主要特点是，其包括红外感应电路、紫外感应电路， 以及与所述的红外感应电路和紫外感应电路均相连接的单片机。该红外紫外复合火焰探测器中，所述的红外感应电路包括主波长红外感应子电路 和参考波长红外感应子电路，所述的主波长红外感应子电路和参考波长红外感应子电路均 相连接的所述的单片机，所述的主波长红外感应子电路和参考波长红外感应子电路均包括 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，所述的主波长红外感应子电路的 红外传感器为4. 3微米波长红外传感器，所述的参考波长红外感应子电路的红外传感器为 5. 0微米波长红外传感器。该红外紫外复合火焰探测器中，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。该红外紫外复合火焰探测器中，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。该红外紫外复合火焰探测器中，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。该红外紫外复合火焰探测器中，所述的滤波电路为多阶低通滤波电路。该红外紫外复合火焰探测器中，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。该红外紫外复合火焰探测器中，所述的紫外感应电路包括紫外传感器、高压脉冲 驱动电路和紫外脉冲接收电路，所述的单片机具有脉冲探测信号输出端和感应信号输入 端，所述的紫外传感器通过所述的高压脉冲驱动电路连接所述的单片机的脉冲探测信号输 出端，所述的紫外传感器通过所述的紫外脉冲接收电路连接所述的单片机的感应信号输入端。该红外紫外复合火焰探测器中，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I6位模数转换器。该红外紫外复合火焰探测器中，所述的三路16位模数转换器的输入端分别连接 所述的红外感应电路和紫外感应电路的输出端。采用了该实用新型的红外紫外复合火焰探测器，由于其红外感应电路包括主波长 红外感应子电路和参考波长红外感应子电路，且主波长红外感应子电路的红外传感器为 4. 3微米波长红外传感器，参考波长红外感应子电路的红外传感器为5. 0微米波长红外传感器。由于5. 0微米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，提升该红外紫外复合火焰探测 器的整体可靠性。
图1为碳氢化合物燃烧辐射光谱图。图2为本实用新型的红外紫外复合火焰探测器的结构示意图。图3为本实用新型的红外紫外复合火焰探测器中红外传感器内部电路结构示意 图。图4为本实用新型的红外紫外复合火焰探测器中红外传感器电路�？榻峁故疽� 图。图5为本实用新型的红外紫外复合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为本实用新型的红外紫外复合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为本实用新型的红外紫外复合火焰探测器中多阶低通滤波电路的电路结构 示意图。图8为本实用新型的红外紫外复合火焰探测器中紫外感应电路的电路结构示意 图。图9为本实用新型的红外紫外复合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，为本实用新型的红外紫外复合火焰探测器的结构示意图。该红外紫外复合火焰探测器包括红外感应电路、紫外感应电路，以及与所述的红 外感应电路和紫外感应电路均相连接的单片机。所述的红外感应电路包括主波长红外感应 子电路和参考波长红外感应子电路，所述的主波长红外感应子电路和参考波长红外感应子 电路均相连接的所述的单片机，所述的主波长红外感应子电路和参考波长红外感应子电路 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，所述的主波长红外感应子 电路的红外传感器为4. 3微米波长红外传感器，所述的参考波长红外感应子电路的红外传 感器为5. 0微米波长红外传感器。在该实施方式中，所述的紫外感应电路包括紫外传感器、 高压脉冲驱动电路和紫外脉冲接收电路，所述的单片机具有脉冲探测信号输出端和感应信 号输入端，所述的紫外传感器通过所述的高压脉冲驱动电路连接所述的单片机的脉冲探测 信号输出端，所述的紫外传感器通过所述的紫外脉冲接收电路连接所述的单片机的感应信 号输入端。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红外感应电路和紫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，本实用新型的红外紫外复合火焰探测器采用电路�？榛杓疲� 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。本实用新型的红外紫外复合火焰探测器包括红外感应电路、紫外感应电路，以及 与所述的红外感应电路和紫外感应电路均相连接的单片机。所述的红外感应电路中包括红 外传感器电路�？楹秃焱獯衅髯杩蛊ヅ浜头糯蟮缏纺？椤Ｆ渲校缤�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�？橹惺褂肧ST201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。本实用新型中的红外感应电路中，使用4. 3微米红外传感器作为主探测器波长， 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5.0微米红外传感器作为参考波长，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。通过参考波长与主波长的结合，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。本实用新型的这两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，双通道红外传感器的信号响应幅度基本一致，电路设计可以两路参数一致， 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�？橹校衅髯杩蛊ヅ涞缏凡捎贸� 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。本实用新型中的紫外感应电路包括紫外传感器、高压脉冲驱动电路和紫外脉冲接 收电路。如图8所示，为该紫外感应电路的电路图。其中UlB为触发脉冲输出控制器，Tl为 升压变压器，UVl为紫外传感器，UlA为紫外脉冲接收器。本实用新型的单片机�？槭褂昧� 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。如图9所示，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红外紫外复合火焰探测器，由于其红外感应电路包括主波长 红外感应子电路和参考波长红外感应子电路，且主波长红外感应子电路的红外传感器为 4. 3微米波长红外传感器，参考波长红外感应子电路的红外传感器为5. 0微米波长红外传 感器。由于5. 0微米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，提升该红外紫外复合火焰探测 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1.一种红外紫外复合火焰探测器，其特征在于，所述的红外紫外复合火焰探测器包括 红外感应电路、紫外感应电路，以及与所述的红外感应电路和紫外感应电路均相连接的单 片机。
2.根据权利要求1所述的红外紫外复合火焰探测器，其特征在于，所述的红外感应电 路包括主波长红外感应子电路和参考波长红外感应子电路，所述的主波长红外感应子电路 和参考波长红外感应子电路均相连接的所述的单片机，所述的主波长红外感应子电路和参 考波长红外感应子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 述的主波长红外感应子电路的红外传感器为4. 3微米波长红外传感器，所述的参考波长红 外感应子电路的红外传感器为5. 0微米波长红外传感器。
3.根据权利要求2所述的红外紫外复合火焰探测器，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。
4.根据权利要求3所述的红外紫外复合火焰探测器，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。
5.根据权利要求4所述的红外紫外复合火焰探测器，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。
6.根据权利要求2所述的红外紫外复合火焰探测器，其特征在于，所述的滤波电路为 多阶低通滤波电路。
7.根据权利要求6所述的红外紫外复合火焰探测器，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。
8.根据权利要求1所述的红外紫外复合火焰探测器，其特征在于，所述的紫外感应电 路包括紫外传感器、高压脉冲驱动电路和紫外脉冲接收电路，所述的单片机具有脉冲探测 信号输出端和感应信号输入端，所述的紫外传感器通过所述的高压脉冲驱动电路连接所述 的单片机的脉冲探测信号输出端，所述的紫外传感器通过所述的紫外脉冲接收电路连接所 述的单片机的感应信号输入端。
9.根据权利要求1所述的红外紫外复合火焰探测器，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。
10.根据权利要求9所述的红外紫外复合火焰探测器，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红外感应电路和紫外感应电路的输出端。
专利摘要本实用新型涉及一种红外紫外复合火焰探测器，包括红外感应电路、紫外感应电路和单片机，其中，红外感应电路包括采用4.3微米波长红外传感器的主波长红外感应子电路和采用5.0微米波长红外传感器的参考波长红外感应子电路。采用该种结构的红外紫外复合火焰探测器，由于5.0微米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，提升该红外紫外复合火焰探测器的整体可靠性。
文档编号G01J5/06GK201844880SQ20102060787
公开日2011年5月25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
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20年生产经验，实力工厂，精工品质，质量有保障
