CN106128009A - 一种用于火焰探测的紫外便携式数字化通用报警模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于火焰探测的紫外便携式数字化通用报警模块，系统包括：紫外镜头，镜筒，电路板容器，SiC紫外单元探测器，探测器固定垫片，光信号数字转换电路，LED指示灯，数字‑电源接口。本发明的优点在于：输出信号全数字化，抗干扰能力强，对UVC波段光强信号的探测精度达fW量级；通用性强，数字SPI接口没有驱动频率下限要求；采用SiC紫外光伏型探测器，不需要滤光片，光学结构简单；外型小巧轻便，各部件方便更换装配；微功耗，可以由电池供电；可用LED作为指示灯独立工作，也可连接下位机作实时火势监控，能够作为标准用于其他火焰探测器的定标。

Description

一种用于火焰探测的紫外便携式数字化通用报警模块

技术领域

本发明涉及一种火焰探测报警器，特别涉及一种用于火焰探测的紫外便携式数字化通用报警模块。

技术背景

紫外UVC探测器的敏感波段在太阳大气日盲区，因此又被称为日盲探测器。

对于自然火焰探测，温度较低，燃料为有机物，通常利用火焰辐射的光谱峰值在红外区域的光谱特性，用红外探测器探测。但对微弱类黑体辐射目标(如火焰)探测时，虽然传统的可见红外波段探测器对目标有更高的光电转换效率，但是探测结果容易受到日光干扰，探测本底随季节、天气、探测时间、地理环境等变化，对于环境波动范围内的微弱信号不容易选择目标的响应阈值，限制了发现微弱火焰的能力。

通过研究可知，在空气中，火焰边缘会形成低温等离子体，造成氮气、氧气的电离，其过程会释放高于温度辐射的紫外光，理论上可以利用紫外日盲波段探测到自然火焰。而且日盲探测器能够最大程度抑制背景杂散光，增加探测装置的稳定性与信噪比。

然而火焰的紫外波段强度很弱，需要探测器的光电转换效率很高，或者后级有很大的放大倍数，才能对火焰有足够测量精度和信号甄别能力。对于前者，工业上一种采用光电倍增管，其分辨率能达到光子级，但探测器体积大、功耗大；另一种采用开关二极管，其灵敏度高，体积小，例如滨松的火焰紫外探测器系列产品，但正因为其开关特性，工作电压高，且功能只限于发现，而不能 对火焰强度做细致监控。对于后者，利用UVC光伏型紫外探测器，通过低噪电路设计，能够适应低光强的探测设计要求，且探测器本身工作不需要供电、线性度好、体积小，能够满足便携式、长时间续航的工程需求。

一般来说，微弱信号受外部电磁干扰是限制探测器灵敏度的主要因素，因此需要冗余的屏蔽。所以高精度、长距离、设备体积小的微弱信号探测一般很难同时兼顾，这也限制了便携式紫外探测装置探测精度的原因。

而且市面上的数字化紫外火焰探测装置，都是将数据处理电路放在装置内作为独立系统使用，这样做，即使控制芯片处在待机状态也很难实现微功耗长续航的要求。特别是近年来各大工业领域企业都倾向于模块化自己的控制平台，方便没有技术背景的操作人员来按照实际需求组合使用。此外如今的探测装置一般也不会只作为信息获取目的存在，而更多的在于与其他模块的联动满足更复杂的应用，因此低功耗、简洁的模块化设计更符合工业应用需求。

国内尚没有紫外探测模块的相关发明专利。专利号201220426864.6、专利号201320328585.0、专利号201320566896.0三种实用新型各自公开了一种紫外火焰的探测装置，实现了低噪声读出，但他们都受到探测器的限制，光路设计和电压要求都比较高，操作装配复杂，不适于便携式使用，而且三种都是独立系统设备设计，无法满足通用性要求。

发明内容

为提高紫外火焰探测装置的灵敏性、便携性、通用性和远距传输的要求，本发明提出一种探测器模块化设计，实现基于SiC紫外单元探测器的便携式数字化通用报警模块。该装置由SiC紫外单元探测器、紫外镜头、镜筒及电路板容器、信号处理电路板、LED指示灯、数字电源接口组成。有功耗低、灵敏度高、便于携带的特点。

装置外型如附图1所示，装置结构图如附图2所示，装置外型工程视图如附图3所示。电路印制板设计如附图4所示，是探测模块的系统核心，用于将紫外UVC光信号转换为数字信号和警示信号。

一种用于火焰探测的紫外便携式数字化通用报警模块包括紫外镜头1，镜筒2，电路板容器3，SiC紫外单元探测器4，固定垫片5，硬件电路板6，LED指示灯7，电路板容器底盖8，数字-电源接口9，其中：

所述的紫外镜头1有增透膜，对可见光有很好的光截止特性，焦距小于镜筒2长度，尾部有外安装螺纹；

所述的镜筒2，材料为铝合金，圆柱通孔形，两端开内螺纹，除两端螺纹处以外，其余部分均作绝缘处理；

所述的电路板容器3，材料为铝合金，圆柱通孔形，一端开外螺纹，螺纹侧的端面开孔，两侧有半圆弧安装孔空，除两端螺纹处以外，其余部分均作绝缘处理；

所述的SiC紫外单元探测器4为紫外SiC单元光伏型探测器，敏感波段为UVC；

所述的固定垫片5，材料为聚酰亚胺树脂，垫片两侧开安装孔；

所述的硬件电路板6，包含线性电源电路、电流电压转换电路、信号放大滤波电路、偏置电压调节电路，差分比较电路、模数转换电路和外围信号电源接口，采用高密度布板，微功耗设计，电路板圆形，直径小于30mm；所述的线性电源电路采用Ti公司微功耗稳压器芯片LP2950-N；所述的电流电压转换电路、信号放大滤波电路和偏置电压调节电路采用Ti公司CMOS四路微功耗运算放大器芯片LMC6044；所述的差分比较电路采用microchip公司推挽输出微功耗芯片MCP6541；所述的模数转换电路采用Ti公司低功耗8位串行AD芯片 TLC548；

所述的LED指示灯7，为红光LED，其驱动电压5V；

所述的电路板容器底盖8，材料铝合金，圆形，两侧开螺钉安装孔，偏中心处开LED指示灯7位孔，中心处开数字-电源接口9位孔；

所述的数字-电源接口9，采用电池供电或采用下位机电源接口供电。电源接口与数字接口之间接地屏蔽；

SiC紫外单元探测器4、LED指示灯7、数字-电源接口9与硬件电路板6的相应电气接口连接；SiC紫外单元探测器4通过固定垫片5安装于电路板容器3正面；硬件电路板6安装于电路板容器3反面，其零电位与硬件电路板6的零电位连通。LED指示灯7置于电路板容器底盖8的偏心孔内，数字-电源接口9穿过电路板容器底盖8的中心孔，用螺钉固定于电路板容器3上；紫外镜头1、镜筒2、电路板容器3通过螺纹旋紧安装。

所述的SiC紫外单元探测器4为sglux公司SG01XL-C5光电二极管探测器。

本发明装置的优点是：

1.结构简单、体积小、重量轻，电路采用高密度布板设计；结构整体由镜头、镜身、容器三部件组成，便于装配、更换、携带，可根据不同探测需求和条件，更换探测器和镜头，调整火焰探测能力；

2.微功耗设计，独立工作时可用电池供电，巡航数日，也可直接连接上位机供电；

3.全数字设计，能够最大程度降低干扰，实现探测结果远距离传输，修改电路电阻参数，能够在2米内发现烛光，通过定标，能分辨在视场范围内fW量级光强信号，因此也可以用于标定其他火焰探测装置；

4.选用UVC波段用于火焰探测，能全天候正常工作不易受到环境影响；

5.SiC紫外单元探测器对紫外光截止特性好，不需要滤光片，光学结构简单；

6.本装置可独立用作火焰迫近警示装置，也可作为辐射计模块使用。设计采用TLC548作为模数转换芯片为串行接口，可以根据实际情况接入驱动信号，用计算机对编程对探测结果实时采集、监控；

7.通用性强，TLC548芯片的SPI接口对时序频率没有最低要求，驱动频率低于kHz的计算机软件频率，也可以到达最大2Mhz的串行通信频率；

8.与下位机分离，一方面节省体积和功耗，另一方面作为独立紫外探测模块设计，能使工作不依赖于控制芯片，适应于不同的工况。

附图说明

图1是火焰探测模块外观。

图2是火焰探测模块部件；其中：

1-紫外镜头 2-镜筒 3-电路板容器

4-紫外单元探测器 5-固定垫片 6-硬件电路板

7-LED指示灯 8-电路板容器底盖 9-数字-电源接口。

图3是紫外探测模块工程视图，其中：

D：主体直径 L：主体长度 W:主体宽度。

图4是硬件电路板图，其中图(a)为正面图，图(b)是反面图；其中：

4-1-电源接口 4-2-数字和LED接口 4-3-探测器接口

4-4-电流电压转换、放大、调偏置电路 4-5-差分比较电路

4-6-模数转换电路 4-7-线性电源电路。

图5是硬件电路原理图。

具体实施方式

下面结合附图予以详细描述，以便能更好地说明本发明的结构特征和功能特点，而不是限定本发明的保护范围。

所述模块尺寸参数如下：

D＝φ36mm；L＝92mm；W＝50mm；

模块重量不超过200g。

工作原理为：通过数字-电源接口9的电源接口，经过硬件电路板的线性电源模块提供工作电压；火焰光通过紫外镜头1聚焦到紫外单元探测器4，将火焰的UVC波段光转换为光电流信号，输入硬件电路板6通过信号放大滤波模块对光电信号放大，信号超过比较器预设阈值时能驱动LED指示灯7，用于火焰报警的指示；模数转换模块在数字-电源接口9的数字接口驱动下，能够将放大的电压信号转换为数字信号，经数字-电源接口输出；

使用方式为：对于不同的镜头焦距、探测器尺寸，可以通过调整镜筒与电路板容器间的安装距离，使探测器处在镜头焦面上，由于目标通常离探测器很远，认为这个距离等于镜头焦距，光校具体方法是：给模块供电，从下位机(单片机、DSP等)控制板接口接入数字接口与探测模块连通，根据TLC548的工作时序要求给驱动信号，借助控制板的通信接口，与计算机相连，通过界面程序，可获得实时的紫外辐射强度数据。将模块接入下位机作实时监控工作，观测标准紫外光源如氘灯，在观测相对位置不变情况下，旋松或旋紧镜筒，使输出结果达到最大时，探测器与镜头相对位置最佳，固定该相对位置。以上紫外火焰探测模块光校完成。

在安装与光校完成后，只要给数字-电源接口中的电源接口提供超过5V的电压，模块就能独立工作。当火焰中的紫外光强超过某预设值时，模块的LED 灯就会亮起，反之则会暗。可以用电池供电，微功耗设计使其能续航数天。该探测模块接入下位机的数字控制接口，在经过火势与码值定标后，能够在计算机上实时显示火势强度信息。由于其高灵敏性，本装置可以用作标准探测器应用于消防设备检测技术领域，特别应用于对其他紫外火焰探测器的定标和检修。

以下就本专利申明的探测器模块的电阻参数选择方法作简要说明。由于该模块全数字化，可以忽略外部干扰对信噪比衰减的影响，因此只需要考虑信号处理电路和探测器自身噪声和幅度。

本探测器模块所用硬件电路板的电路原理图见附图5，输入源为SG01XL–C5紫外UVC单元探测器，采用电池供电,装置电流电压转换的等效跨阻为电路中调零部分参数R₃＝R₁₂、R₂＝R₁₃。由于运放有效信号是0-5V，tlc548为8位串行AD，这意味着该装置能探测到的最小光电流为：

$I=\frac{5\[V\]}{2^8}\·\frac{1}{R}$

当R₁＝1GΩ，R₅＝1kΩ，R₆＝1MΩ，R₃＝1kΩ，R₂＝50kΩ可以获得R＝1[GΩ]×1001×50的跨阻增益，即最小电流为

$I=\frac{5\[V\]}{2^8}\·\frac{1}{1\×1001\×50\[G\mathrm{\Ω}\]}=0.39\[fA\]$

紫外单元探测器的最大光电转换效率为0.12A/W，暗电流25.3fA，一般要求信号要和暗电流相当才能被探测，也就是说该装置作为辐射计，最小可以探测到210.8fW,分辨3.2fW量级的光信号，使远距离探测微弱火焰信号成为可能，这反映了该装置作为警报器的高灵敏度。

从噪声上分析，通过仿真软件可得电路输出RMS噪声为2.23mV。其中考虑了探测器噪声电流密度I_n与暗电流I_d＝25.3关系为和LMC6044运放噪声。对比所用AD芯片tlc548动态范围5V、8位分辨率，其分辨率为19.5mV，模拟信号噪声峰峰值为6倍RMS噪声约12mV，小于AD的等效电压分辨率。可见改参数设计能够充分利用了AD的码值性能。

Claims (2)

1.一种用于火焰探测的紫外便携式数字化通用报警模块，包括紫外镜头(1)，镜筒(2)，电路板容器(3)，SiC紫外单元探测器(4)，固定垫片(5)，硬件电路板(6)，LED指示灯(7)，电路板容器底盖(8)，数字-电源接口(9)，其特征在于：

所述的紫外镜头(1)有增透膜，对可见光有很好的光截止特性，焦距小于镜筒(2)长度，尾部有外安装螺纹；

所述的镜筒(2)，材料为铝合金，圆柱通孔形，两端开内螺纹，除两端螺纹处以外，其余部分均作绝缘处理；

所述的电路板容器(3)，材料为铝合金，圆柱通孔形，一端开外螺纹，螺纹侧的端面开孔，两侧有半圆弧安装孔空，除两端螺纹处以外，其余部分均作绝缘处理；

所述的SiC紫外单元探测器(4)为紫外SiC单元光伏型探测器，敏感波段为UVC；

所述的固定垫片(5)，材料为聚酰亚胺树脂，垫片两侧开安装孔；

所述的硬件电路板(6)，包含线性电源电路、电流电压转换电路、信号放大滤波电路、偏置电压调节电路，差分比较电路、模数转换电路和外围信号电源接口，采用高密度布板，微功耗设计，电路板圆形，直径小于30mm；所述的线性电源电路采用Ti公司微功耗稳压器芯片LP2950-N；所述的电流电压转换电路、信号放大滤波电路和偏置电压调节电路采用Ti公司CMOS四路微功耗运算放大器芯片LMC6044；所述的差分比较电路采用microchip公司推挽输出微功耗芯片MCP6541；所述的模数转换电路采用Ti公司低功耗8位串行AD芯片TLC548；

所述的LED指示灯(7)，为红光LED，其驱动电压5V；

所述的电路板容器底盖(8)，材料铝合金，圆形，两侧开螺钉安装孔，偏中心处开LED指示灯(7)位孔，中心处开数字-电源接口(9)位孔；

所述的数字-电源接口(9)，采用电池供电或采用下位机电源接口供电。电源接口与数字接口之间接地屏蔽；

探测器(4)、LED指示灯(7)、数字-电源接口(9)与硬件电路板(6)的相应电气接口连接；探测器(4)通过固定垫片(5)安装于电路板容器(3)正面；硬件电路板(6)安装于电路板容器(3)反面，其零电位与硬件电路板(6)的零电位连通。LED指示灯(7)置于电路板容器底盖(8)的偏心孔内，数字-电源接口(9)穿过电路板容器底盖(8)的中心孔，用螺钉固定于电路板容器(3)上；紫外镜头(1)、镜筒(2)、电路板容器(3)通过螺纹旋紧安装。

2.如权利要求1所述的一种用于火焰探测的紫外便携式数字化通用报警模块，其特征在于，所述的SiC紫外单元探测器(4)为sglux公司SG01XL-C5光电二极管探测器。