CN106908152B - 一体式红外火焰探测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体式红外火焰探测装置，其包括水平探测器、垂直探测器和电路板，电路板上设置有CPU；水平探测器包括双凸透镜、用于探测近距离区域的第一红外传感器和用于探测远距离区域的第二红外传感器，双凸透镜设置于第二红外传感器的前端，垂直探测器具有第三红外传感器；第一红外传感器、第二红外传感器和第三红外传感器共同焊接固定在电路板上且它们的输出端分别连接于CPU的相应输入端；双凸透镜固定于电路板上。本发明中，水平探测器、垂直探测器和双凸透镜集成在同一个电路板，探测器的角度可通过调整电路板的安装角度来实现，克服了现有技术中采用金属外壳固定探测器所带来的调整不便的问题，探测器的调整变得简单，安装方便、调试简单，且不容易受到外界的干扰。

Description

一体式红外火焰探测装置

技术领域

本发明涉及消防设备，具体是涉及一体式红外火焰探测装置。

背景技术

现有自动消防水炮上所用的红外火焰探测装置，一般采用传统的分离式的探测装置，对于大型消防水炮而言，由于探测距离要求比较远，为了保证探测视角足够大，需要设置两个探测装置，即，水平探测装置和垂直探测装置，水平探测装置有二个红外传感器，一个探测近距离区域，一个探测远距离区域，探测远距离区域的红外传感器前端安装了一个双凸透镜，实现光学放大。对于垂直探测装置，内部集成了一个红外传感器和一个双凸透镜。其水平探测装置和垂直探测装置独立安装，各自有一块电路板，且水平探测装置和垂直探测装置的红外传感器均与各自的电路板分离，采用这种设计方式存在以下不足：

1、红外传感器与电路板分离，红外传感器通过导线连接到电路板，由于红外传感器接收到的火焰闪烁信号，其信号幅度十分微弱，通过导线进行信号传输比较容易受到环境干扰的影响，此外，导线本身会导致信号衰减。

2、红外传感器比较容易受到震动影响。由于红外传感器与电路板通过导线连接，炮体的运转时，导线连同红外传感器会受到振动的影响。

3、红外传感器属于敏感器件，极容易受到外界因素的影响，对探测装置安装高求比较高。安装时一般不能接触外壳，而分离式探测装置的红外传感器的安装固定通过金属外壳完成的，因此，给安装调试带来了一定的困难。

4、对消防炮系统而言，安装角度也有严格的要求，角度通过金属外壳保证，调整比较繁琐。

5、由于两块电路板是分离的，每一块板有独立的CPU，两块电路板信息交互需要额外的端口。

发明内容

本发明的目的是提供一种方便安装调试的一体式红外火焰探测装置。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一体式红外火焰探测装置，包括水平探测器、垂直探测器和电路板，所述电路板上设置有CPU和电源电路，由所述电源电路为整个探测装置提供工作电源；所述水平探测器包括双凸透镜、用于探测近距离区域的第一红外传感器和用于探测远距离区域的第二红外传感器，所述双凸透镜设置于所述第二红外传感器的前端，所述垂直探测器具有第三红外传感器；所述第一红外传感器、所述第二红外传感器和所述第三红外传感器共同焊接固定在所述电路板上且它们的输出端分别连接于所述CPU的相应输入端；所述双凸透镜固定于所述电路板上。

所述双凸透镜允许通过的红外波长范围为4.0um-4.5um。

所述双凸透镜的前端中部衔接设置有夹缝，此夹缝的宽度等于或略小于所述第二红外传感器的传感窗口。

所述第一红外传感器、所述第二红外传感器和所述第三红外传感器的输出端与所述CPU的输入端之间分别设置有数字信号处理电路，此数字信号处理电路包括阻抗匹配与信号预处理电路，以及滤波放大电路，所述阻抗匹配与信号预处理电路的输入端连接所述第一红外传感器、所述第二红外传感器或所述第三红外传感器的输出端，所述阻抗匹配与信号预处理电路的输出端连接所述滤波放大电路的输入端，所述滤波放大电路的输出端即为所述数字信号处理电路的输出端。

所述阻抗匹配与信号预处理电路包括红外传感器的接线端子JS1和电压跟随器U1A，接线端子JS1的电源端与地线之间并联有极性电容C1和非极性电容C2；接线端子JS1的信号输出端连接至电压跟随器U1A的同相输入端，且接线端子JS1的信号输出端与地线之间连接有阻值与相应的红外传感器相匹配的匹配电阻R1；电压跟随器U1A的反相输入端与电压跟随器U1A的输出端相连接。

所述滤波放大电路包括由运放U1B、电阻R2、电阻R3、电容C5和电容C6构成的第一滤波放大电路，由运放U1D、电阻R5、电阻R6、电容C11和电容C12构成的第二滤波放大电路，以及数字信号处理器；

电阻R3与电容C5相并联于运放U1B的反相输入端与运放U1B的输出端之间，用以滤除高频信号；电阻R2和电容C6串联于接地线与运放U1B的反相输入端之间，用以滤除包括直流信号的极低频的信号；

电阻R5与电容C11相并联于运放U1D的反相输入端与运放U1D的输出端之间，用以滤除高频信号；电阻R6和电容C12串联于接地线与运放U1D的反相输入端之间，用以滤除包括直流信号的极低频的信号；

运放U1B的同相输入端连接电压跟随器U1A的输出端，运放U1B的输出端通过电容C10连接于运放U1D的同相输入端，运放U1D的输出端连接数字信号处理器的输入端，数字信号处理器的输出端即为所述数字信号处理电路的输出端。

所述运放U1B和所述运放U1D采用OPA4348四路运算放大器，此OPA4348四路运算放大器采用单电源供电，所述运放U1B的同相输入端和所述运放U1D的同相输入端分别叠加有对地VCC/2的偏置电压。

所述电源电路上设有电阻分压网络，通过此电阻分压网络得到两个所述偏置电压。

采用上述方案后，本发明的一体式红外火焰探测装置，与现有技术相比，具有如下有益效果：

1、水平探测器、垂直探测器和双凸透镜集成在同一个电路板，探测器的角度可通过调整电路板的安装角度来实现，克服了现有技术中采用金属外壳固定探测器所带来的调整不便的问题，探测器的调整变得简单，安装方便、调试简单，不容易受到外界的干扰；

2、红外传感器与电路板的连接通过焊接实现，不容易受到震动的影响；

3、水平探测器和垂直探测器集成在同一个电路板，同一个消防水炮上只有一个探测装置，结构较为简单，体积较小，不会影响消防水炮整体的外观。

4、水平探测和垂直探测集成在一起，探测误差小；

5、两个探测器由同一个CPU控制，信息交互相对简单，不需要额外的端口。

6、本发明在接线端子JS1的信号输出端连接有阻抗匹配与信号预处理电路，通过阻抗匹配来提高输出信号的幅值，并通过电压跟随器更多的提取红外传感器产生的微弱电信号，同时，能够提高整个探测电路的可靠性，为后续的滤波放大电路奠定了一定的基础。

7、本发明中，滤波放大电路采用两级放大和带通滤波，将传感器输入的微弱信号进行有源滤波放大，通过模拟电路的带通滤波电路滤除电路中的高频信号和极低频的信号(包括直流信号)。然后通过DSP(数字信号处理器)采样后进行数字滤波。由于模拟滤波滤除了信号中的高频分量，因此可以降低DSP的采样频率，从而减少系统的运算量。同时，模拟滤波由于阶次比较低，通带到阻带的过渡段比较宽，且由于火焰信号的频率比较低，因此有用信号可以尽可能无衰减的通过。

附图说明

图1为红外传感器的监视范围示意图；

图2为本发明中利用夹缝调整探测器的探测视角的原理示意图；

图3为本发明的电路原理框图；

图4为图3中数字信号处理电路的电路原理框图；

图5为图4中阻抗匹配与信号预处理电路的电路原理图；

图6为图4中滤波放大电路中的模拟滤波放大电路的电路原理图；

图7为本发明中运放电源偏置电路的电路原理图；

图8为本发明中红外传感器和双凸透镜的安装位置示意图。

具体实施方式

本发明的一体式红外火焰探测装置，如图8所示，包括水平探测器、垂直探测器和电路板3，所述电路板3上设置有CPU和电源电路，由所述电源电路为整个探测装置提供工作电源；所述水平探测器包括双凸透镜11、用于探测近距离区域的第一红外传感器12和用于探测远距离区域的第二红外传感器13，所述双凸透镜11设置于所述第二红外传感器13的前端，所述垂直探测器具有第三红外传感器21；所述第一红外传感器12、所述第二红外传感器14和所述第三红外传感器21共同焊接固定在所述电路板3上。所述双凸透镜11固定于所述电路板3上。

本发明中，第一红外传感器12、第二红外传感器14和第三红外传感器21均采用热释电红外传感器。热释电红外传感器以火焰中4.3μm左右的窄带CO2辐射光谱为检测目标，具有准确度高、稳定性好的优点，但传感器信号通过放大和滤波后一般也只能探测30m左右的标准火焰，当距离达到30m的时候，探测器就会有明显误报，而且，探测器的监视范围是抛物线锥体而不是等圆锥体，探测器的探测距离随探测角度的变化而变化，如图1所示。

为了提高探测距离，本发明特别设置了双凸透镜11，双凸透镜11允许通过的红外波长范围为4.0um-4.5um，从而可使更多有用的红外光聚焦于第二红外传感器13，而把无用光通过光学滤波挡在外面，大幅度提高检测的灵敏度和可靠性。

本发明中，还通过设置夹缝来确保某一方向的光线可以进入第二红外传感器13来实现火焰定向检测。如图2所示，在双凸透镜11的前端中部衔接设置有夹缝14(可通过两片不透光平板面对面平行布置来获得夹缝14)。

探测器设计当中，夹缝设计是很重要一部分，夹缝参数的设计是否合理影响到整个探测装置的性能。在没有夹缝的情况下，探测器监视范围是一个锥体，由于探测器视角太大，无法进行火源的准确定位。如果火焰探测装置在某一个平面具有很小的视角，在另一个平面具有很大的视角，在此基础上配合云台或机械手等机电设备，即可完成全方位定向火焰检测。为了减小探测器某个方位的探测视角，可以通过减小夹缝的宽度或通过加长夹缝的长度来实现。由于夹缝不能太窄，否则进入到红外传感器的信号就减弱，探测距离就会缩短，因此，夹缝设计的思路是在夹缝宽度和长度取值上达到一个折中。

在实际当中，水平方向视角没办法达到0度，而是以某个视角刚好能够探测到最大保护半径处的一定宽度的火源来取值的。没有夹缝的条件下，视角主要由双凸透镜来确定，当双凸透镜的前端加上夹缝以后，由于受到夹缝的遮挡，使得装上夹缝以后视角比原来没有装夹缝要小。当探测视角与透镜的视角相等时，夹缝长度与夹缝宽度存在着下面的函数关系：

其中：

θ为探测视角，r_s为第二红外传感器镜面半径；

f为双凸透镜焦距，b为夹缝宽度；

l为夹缝长度与双凸透镜厚度一半的和，可近似为夹缝长度。

如果夹缝长度在此基础上继续加长或宽度继续缩小，探测视角将小于双凸透镜的视角，这时探测视角的大小主要由夹缝14的尺寸来决定。如图2所示，根据三角形相似定理，可以得到下面式子：

其中：

b为夹缝宽度，l为夹缝长度；

B为最大保护半径处火源4的宽度，L为系统最大保护半径。

L，B为已知量，夹缝宽度b和夹缝长度l是未知量。

由于红外传感器的窗口通常就是5mm半径的圆形或圆角矩形，一般情况下，为使红外传感器的窗口都能感应到火焰信号，夹缝宽度应大于或等于红外传感器窗口的宽度，但是夹缝宽度的增加会使夹缝的长度变得很长，因此，设计过程中，在放大倍数足够情况下通常使夹缝宽度等于或略小于红外传感器窗口，夹缝宽度一般取3mm～5mm，把夹缝宽度代入上面式(2)，即可求得夹缝的长度。

本发明中的电路是用于微弱信号的放大处理，对电源电路的设计有比较高的要求，通常情况下要求电源电路具备精度高、稳定性能好、输出纹波低等优点。同时，考虑产品组装一致性，线路板的面积要尽量小。综合这几方面的因素，最后确定本发明的电源电路采用小型微功率DC-DC电源模块。型号为yaohua-KDY24D0303，电源模块的功率1W，输入电压24VDC，输出电压3.3VDC。KDY系列产品属隔离宽电压输入稳压输出系列，体积小，适应小型电子产品的设计需求，适用于蓄电池供电及长距离供电电路，特别适用于对电压稳定度要求较高的电路和对噪声敏感的电路，输入、输出端均无需外接任何滤波及其它辅助电路。

如图3所示，所述第一红外传感器12、所述第二红外传感器13和所述第三红外传感器21的输出端分别通过数字处理电路连接于所述CPU的相应输入端。数字信号处理电路主要实现对火焰模拟信号进行采样、滤波放大，最后给出火焰有无的信号。如图4所示，此数字信号处理电路包括阻抗匹配与信号预处理电路，以及滤波放大电路，所述阻抗匹配与信号预处理电路的输入端连接所述第一红外传感器12、所述第二红外传感器13或所述第三红外传感器14的输出端，所述阻抗匹配与信号预处理电路的输出端连接所述滤波放大电路的输入端，所述滤波放大电路的输出端即为所述数字信号处理电路的输出端。

如图5所示，所述阻抗匹配与信号预处理电路包括红外传感器的接线端子JS1和电压跟随器U1A，接线端子JS1的第一个引脚(电源端)接VCC，VCC与地线之间并联有极性电容C1和非极性电容C2，这两个电容作为去耦电容，不仅可以起到蓄能的作用，还可以起去除高频噪声，提高电路的稳定性；接线端子JS1的第二个引脚为红外传感器的信号输出端，此信号输出端与地线之间连接有阻值与相应的红外传感器相匹配的匹配电阻R1，本实施例中，按红外传感器的说明，要求电阻R1的阻值为47K左右，这样可以提高输出信号的幅值。为了尽可能多的获取红外传感器检测的微弱信号，所述信号输出端连接至电压跟随器U1A的同相输入端，电压跟随器U1A的反相输入端与电压跟随器U1A的输出端相连接。电压跟随器具有输入阻抗高而输出阻抗低的显著特性，常常使用电压跟随器来承上启下，起到缓冲作用。通过图5所示的电路，可以更多的提取红外传感器产生的微弱电信号，同时，能够提高整个探测电路的可靠性，为后续的滤波放大电路奠定了一定的基础。

如图6所示，所述滤波放大电路包括由运放U1B、电阻R2、电阻R3、电容C5和电容C6构成的第一滤波放大电路，由运放U1D、电阻R5、电阻R6、电容C11和电容C12构成的第二滤波放大电路，以及数字信号处理器；

电阻R3与电容C5相并联于运放U1B的反相输入端与运放U1B的输出端之间，用以滤除高频信号；电阻R2和电容C6串联于接地线与运放U1B的反相输入端之间，用以滤除包括直流信号的极低频的信号；

电阻R5与电容C11相并联于运放U1D的反相输入端与运放U1D的输出端之间，用以滤除高频信号；电阻R6和电容C12串联于接地线与运放U1D的反相输入端之间；

运放U1B的同相输入端连接电压跟随器U1A的输出端，运放U1B的输出端通过电容C10连接于运放U1D的同相输入端，运放U1D的输出端连接数字信号处理器的输入端，数字信号处理器的输出端即为所述数字信号处理电路的输出端。

红外传感器输出的电信号，分为直流分量和交流分量，直流分量相对于交流分量一般是较大的，并且有用的变化信号存在于交流分量中，所以，我们不希望对直流分量放大，因此，放大量前端用隔直处理，图5与图6电路中的电容C4和电容C10都是起隔直作用。由于信号微弱，运放部分实现信号预处理，即两级放大和带通滤波，将红外传感器输入的微弱信号进行有源滤波放大，模拟电路的带通滤波电路可以滤除电路中的高频信号，设计思想是采用模拟带通滤波电路来滤除电路中高于200Hz左右和低于1Hz的信号，其中与电阻R3并联的电容C5主要是滤除高频信号，而与电阻R2串联的电容C6是为了滤除极低频的信号(包括直流信号)。最后通过DSP(数字信号处理器)采样后进行数字滤波，实现对红外传感器输出信号的数字处理。

由于模拟滤波滤除了信号中的高频分量，因此可以降低数字信号处理器的采样频率，从而减少系统的运算量。同时，模拟滤波由于阶次比较低，通带到阻带的过渡段比较宽，且由于火焰信号的频率比较低，因此有用信号可以尽可能无衰减的通过。

本实施例中，所述运放U1A、所述运放U1B和所述运放U1D采用OPA4348四路运算放大器，所述运放U1B的同相输入端和所述运放U1D的同相输入端分别叠加有对地VCC/2的偏置电压Vref1和Vref1。

此OPA4348四路运算放大器采用单电源供电，单电源供电时运放只能放大对地电压为正或为负的直流信号。当输入信号对地为交流时，输出波形严重失真。为了获得不失真的交流放大波形，必须给运放的输入信号叠加对地VCC/2的偏置电压，从而得到对地电压大于零的直流信号。但是采用电阻分压的形式必须考虑电源纹波对电路产生的影响，采样这种偏置方式可能会给电路引入噪声。本实施例中，考虑到选择的电源本身就很稳定，因此，采用电阻分压网络无疑是最廉价、最简单的办法。电阻分压方法的电路原理图如图7所示。分别通过用2个100KΩ的电阻组成分压网络，形成两个VCC/2的偏置电压Vref1和Vref1，该方法不仅简单而且成本低。

本发明中，各红外传感器和双凸透镜的安装位置如图8所示，电路板3为不规则多边形，双凸透镜11、第一红外传感器12和第三红外传感器21分别固定安装在电路板3的不同侧边上，且双凸透镜11朝向探测器的窗口侧，第二红外传感器13与双凸透镜11同轴设置且位于双凸透镜11的后端。第一红外传感器12与水平方向夹角45度左右，第二红外传感器13与水平方向夹角在75度左右。第三红外传感器21与水平方向平行。第一红外传感器12和第二红外传感器13配合炮体水平旋转实现水平方向扫描定位，第三红外传感器21配合炮体俯仰旋转实现垂直方向的扫描定位。三个传感器采用这种安装方式可以保证灭火装置在保护区域内没有探测盲区，又能实现火源位置的具体定位。

Claims (8)

1.一体式红外火焰探测装置，包括水平探测器、垂直探测器和电路板，所述电路板上设置有CPU和电源电路，由所述电源电路为整个探测装置提供工作电源；所述水平探测器包括双凸透镜、用于探测近距离区域的第一红外传感器和用于探测远距离区域的第二红外传感器，所述双凸透镜设置于所述第二红外传感器的前端，所述垂直探测器具有第三红外传感器；其特征在于：所述第一红外传感器、所述第二红外传感器和所述第三红外传感器共同焊接固定在所述电路板上且它们的输出端分别连接于所述CPU的相应输入端；所述双凸透镜固定于所述电路板上。

2.根据权利要求1所述的一体式红外火焰探测装置，其特征在于：所述双凸透镜允许通过的红外波长范围为4.0um-4.5um。

3.根据权利要求1所述的一体式红外火焰探测装置，其特征在于：所述双凸透镜的前端中部衔接设置有夹缝，此夹缝的宽度等于或略小于所述第二红外传感器的传感窗口。

4.根据权利要求1所述的一体式红外火焰探测装置，其特征在于：所述第一红外传感器、所述第二红外传感器和所述第三红外传感器的输出端与所述CPU的输入端之间分别设置有数字信号处理电路，此数字信号处理电路包括阻抗匹配与信号预处理电路，以及滤波放大电路，所述阻抗匹配与信号预处理电路的输入端连接所述第一红外传感器、所述第二红外传感器或所述第三红外传感器的输出端，所述阻抗匹配与信号预处理电路的输出端连接所述滤波放大电路的输入端，所述滤波放大电路的输出端即为所述数字信号处理电路的输出端。

5.根据权利要求4所述的一体式红外火焰探测装置，其特征在于：所述阻抗匹配与信号预处理电路包括红外传感器的接线端子JS1和电压跟随器U1A，接线端子JS1的电源端与地线之间并联有极性电容C1和非极性电容C2；接线端子JS1的信号输出端连接至电压跟随器U1A的同相输入端，且接线端子JS1的信号输出端与地线之间连接有阻值与相应的红外传感器相匹配的匹配电阻R1；电压跟随器U1A的反相输入端与电压跟随器U1A的输出端相连接。

6.根据权利要求4所述的一体式红外火焰探测装置，其特征在于：所述滤波放大电路包括由运放U1B、电阻R2、电阻R3、电容C5和电容C6构成的第一滤波放大电路，由运放U1D、电阻R5、电阻R6、电容C11和电容C12构成的第二滤波放大电路，以及数字信号处理器；

电阻R3与电容C5相并联于运放U1B的反相输入端与运放U1B的输出端之间，用以滤除高频信号；电阻R2和电容C6串联于接地线与运放U1B的反相输入端之间，用以滤除包括直流信号的极低频的信号；

电阻R5与电容C11相并联于运放U1D的反相输入端与运放U1D的输出端之间，用以滤除高频信号；电阻R6和电容C12串联于接地线与运放U1D的反相输入端之间，用以滤除包括直流信号的极低频的信号；

运放U1B的同相输入端连接电压跟随器U1A的输出端，运放U1B的输出端通过电容C10连接于运放U1D的同相输入端，运放U1D的输出端连接数字信号处理器的输入端，数字信号处理器的输出端即为所述数字信号处理电路的输出端。

7.根据权利要求6所述的一体式红外火焰探测装置，其特征在于：所述运放U1B和所述运放U1D采用OPA4348四路运算放大器，此OPA4348四路运算放大器采用单电源供电，所述运放U1B的同相输入端和所述运放U1D的同相输入端分别叠加有对地VCC/2的偏置电压。

8.根据权利要求7所述的一体式红外火焰探测装置，其特征在于：所述电源电路上设有电阻分压网络，通过此电阻分压网络得到两个所述偏置电压。

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