摘要：为了能够在早期发现的火灾，人们研究出了火焰探测器，并在多年发展中，衍生出了多波段红外火焰探测器系统。基于此，本文首先探究多波段红外火焰探测器系统运行原理，进而提出产品的开发方案。
关键词：多波段；红外火焰探测器；开发；原理
引言
在过去火灾探测器作为预防火灾的重要工具，但由于感应范围小、精度不高，因此无法满足当今工业火灾预防需求。随着科学技术不断发展，新型火灾探测器也不断出现，可以满足大范围火灾探测需求，得到了行业和国家的高度重视。多波段红外火焰探测器系统可以同时获取火焰光谱中红外线、紫外线辐射判定是否发生火灾，从而保证火灾探测的及时性。如今的多波段红外火焰探测器不仅适用于无烟液体、气体火灾，还能够适用于易燃易爆场所和大空间建筑火灾探测，综合效益非常高。可见，加强多波段红外火焰探测器系统研究有着重要意义。
1.多波段红外火焰探测器系统运行原理
1.1紫外、红外、可见光
火焰是燃烧中的一种表现形式，而想要实现燃烧必须要有燃料、氧气化学反应，并释放出热能。火有几种存在形式，包括烟雾、热（红外）、可见光、火焰（紫外）。燃烧中会产生非常活跃的燃烧连锁反应，除了烟雾之外，其他火焰形式都属于光谱辐射领域。红外辐射作为一种热辐射，温度越高就会产生更多的红外线；紫外线产生量和火焰大小有直接关系，火焰越大紫外线越多。
1.2火焰辐射光
材料不同也会导致碳氢化合物燃烧火焰辐射光谱不同。无论是可见光还是红外、紫外线光都有能量辐射，其中辐射能量最大的就是红外线，这也是火焰非常热，表面呈现为红色的原因。火焰红外波段4.3μm附近可以得到辐射峰值，也就是“二氧化碳原子团发光光谱”，是火焰特有的一种形式，比其他频段辐射性能强得多。
1.3多波段红外火焰探测器工作原理
多波段红外火焰探测器就是检测火焰释放的能量峰值，除了对4.3μm波段进行检测外，还要有一个对比峰值，为4.0μm峰值波段，二者参考即可判定火焰情况。在主传感器受到了电磁、温湿度干扰时，参考传感器会由于主传感器在相同环境，所以会受到相同的干扰信号。而除了火焰信号时，参考波段传感器所获取的信号较小，所以参考4.0μm波段更多是为了排除干扰问题。在实际使用中，由于很多高温物体都会释放红外线，如保白炽灯、太阳、生产设备等，这些因素都是影响传感器检测的干扰因素，所以凭借单一参考传感器无法区分出多个干扰源，容易出现误警报问题。
为了可以更加精准的判断火源，可以采用多个参考传感器的方式识别火焰，部分厂家对5.0μm频段进行检测，该频段相应波长要比火焰信号更长，结合波长较短的传感器，即可判定是否存在火源情况。利用光敏传感器（对火焰光变化做出快速反应，并且可以将光信号转变为电信号的设备）、红外热释放电传感器（通过辐射红外光照射材料导致材料电学性质产生变化、产生热电动势的设备），红外传感器作为一种被动检测温度的设备，结合热释电效应，一旦目标和背景温差较大，则很有可能出现了火灾隐患。热释电传感器具有红外光谱范围广，不受敏感度影响探测红外波长，有非常大的探测角度，在实际应用中非常可靠，可有效探测火焰释放信号。
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2.多波段红外火焰探测器系统产品方案设计
2.1确定主传感器探测红外波长范围
判定是否产生了火焰的主要信号是4.3μm波长红外尖峰信号，该信号会受到客观环境影响产生衰减问题。窄频传感器由于频带窄，所接受的红外辐射能不足1%，所以必须要选择宽频带传感器，提高红外辐射接收量。理论上说，人们生活环境中的火焰是不完全燃烧状态，会生成很多的一氧化碳气体、二氧化碳气体要少一些。而一氧化碳气体红外线峰值在4.6μm。宽频带传感器能够检测到一氧化碳峰值。因此多波段红外火焰探测器主传感器探测红外波长在4-5μm范围内为最佳。
2.2误报警设计
2.2.1误报原因
焰探测器中内一个红外光敏元件、一个紫外光敏元件报警器原理是通过两个光敏元件同时对外部环境中的光谱进行分析，在外部环境的光信号达到两个光敏元件的报警值时探测器产生动作报警。光敏元件技术及相应探测器内部软件算法较易出现误报情况；发生误报的红外火焰探测器所处位置为变压器区域，在高温高湿的环境或高电磁环境下光敏元件受到外部环境干扰也会有产生误动作的几率。
2.2.2误报设计
为了探测到4.3μm能量峰值，要有一个参比传感器进行数值对比，凸显出峰值信息，这是火焰特有的峰值形式。非火焰信号与火焰信号有着明显差异。火焰辐射峰值和背景红外辐射强度有一定关系。为了能够检测到探测器距离、灵敏度，还要有一个宽频红外探测器对背景红外辐射进行检测，也就是设置第三个传感器。这样三个传感器检测即可检测到三个频段，这些频段都有火焰特征。结合不同传感器对相同信号做出反应，这样即可在众多干扰信号当中获取火焰信号，从而降低误报警等现象。
在设计当中，需要将檀色器安装到区域最高度2倍位置，在探测器有效范围内不得出现阻挡，并定期进行维护。探测器安装时可以向下倾斜30-45°，既能向上看也能向下看，并减少镜面污染可能。对区域可能发生火灾的地方都要保证探测器直线入射，避免出现反射或间接入射。为了避免盲区，通常在对面交流安装另一个探测器，不仅可以减少误报几率，还可以在一个探测器故障时提供备用。此外，在探测器范围内尽可能减少错误误警报源。
2.3多波段红外火焰探测器系统结构设计
多波段红外火焰探测器系统当中主要包括支架、外壳、窗口玻璃、各类传感器、信号处理电路、放大电路、输出电路、时钟电路、通讯电路等。窗口玻璃不仅可以透射出火焰辐射的红外线，同时也要达到防爆标准窗口玻璃标准。通过系统的数据运算、A/D转换等控制功能确定信号处理电路运行参数；接受控制器操控通讯电路，可以将历史信息、探测器状态等信息输出、共享；通信电路负责传递信息和指令，上位机下发指令即可调整探测器运行参数，如灵敏度建等；热释电传感器将不同波段红外线转变为电信号，在放大电路中放大信号，滤波电路将多余的干扰屏蔽，之后微控制器判定、分析各个模块参数信息，三个传感器同时得到火焰信号之后就会通过通信电路发送火焰信号，实现火灾报警。
结束语
综上所述，随着我国科学技术不断发展，为了能够保障火灾探测及时性、降低误警报几率，本文提出了多波段红外火焰探测器产品研发方案，该方案采用了三个传感器对应三个红外辐射峰值，排除客观因素干扰从而减少误报警几率。此外，方案中还加入了非火灾警报，通知工作人员及时排除故障，保证多波段红外火焰探测器运行的有效性，充分发挥火灾防护功能。
参考文献：
[1]胡幸江. 多波段红外火焰探测器系统研究与产品开发[D]. 浙江大学，2013.
[2]郭小芳. 三波段红外火焰探测器研究及方案设计[J]. 消防技术与产品信息，2013（8）：77-79.
[3]袁积德. 三波段红外火焰探测器的研究与开发[D]. 浙江大学，2012
论文作者:周焱亮,王霄
论文发表刊物:《防护工程》2019年9期
论文发表时间:2019/8/13
标签：火焰论文; 探测器论文; 波段论文; 传感器论文; 信号论文; 火灾论文; 峰值论文; 《防护工程》2019年9期论文;