CN106932104A - 一种双元火焰探测传感器 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种双元火焰探测传感器，包括：底座；封装管帽，其安装于底座，并且由封装管帽与底座形成气密密封腔体；第一红外滤波片，其使第一波长的光通过；第二红外滤波片，其使第二波长的光通过；第一红外探测器，其设置于底座，位于气密密封腔体内，用于接收第一波长的光，并输出第一探测信号；第二红外探测器，其设置于底座，位于气密密封腔体内，用于接收第二波长的光，并输出第二探测信号，其中，第一波长的光的波长范围比第二波长的光的波长范围宽，第一探测信号反映探测对象的温度，第二探测信号反映探测对象是否包括燃烧产物。根据本申请，能提高火焰探测的灵敏度、信噪比，降低误报率和响应时间。

Description

一种双元火焰探测传感器

技术领域

本申请涉及传感器技术领域，尤其涉及一种双元火焰探测传感器。

背景技术

火焰的辐射具有离散光谱的气体辐射和伴有连续光谱的固体辐射，其波长在0.1-10μm或更宽的范围，为了避免其他信号的干扰，常利用波长＜300nm的紫外线，或者火焰中特有的波长在4.26μm附近的二氧化碳辐射光谱作为探测信号。紫外线传感器只对185～260nm狭窄范围内的紫外线进行响应，而对其它频谱范围的光线不敏感，利用它可以对火焰中的紫外线进行检测。到达大气层下地面的太阳光和以非透紫材料作为玻壳的电光源发出的光波长均大于300nm，故火焰探测所使用的220m-280nm中紫外波段属太阳光谱盲区(日盲区)。

但对于传统的紫外光电管器件，由于结构设计和制备工艺的限制，其噪声和灵敏度是一对互相矛盾的参数。一般而言，需将灵敏度控制在一个合适的水平，过高的灵敏度对器件的低噪声指标是十分困难的，因为灵敏度和噪声信号都是由光敏管发出，传统的检测器会将两种信号同时放大，所以其灵敏度比较差，检测距离小，不能抗雷电的干扰，存在一定的误报率。

其次，国标中对于点型紫外火焰探测器的响应规定30s均可接受，但由于科技的进步，虽然市场上的火焰探测报警产品的响应时间性均能满足这个时间范围，但对于实际应用和安防要求而言，仅在秒(s)这个数量级上响应是远远不足的。

基于以上两点，需要基于现有或新发展的探测原理方法，与其它学科技术交叉，探寻灵敏度高、信噪比大、误报率小、响应更快的新型火焰探测传感器。

近年来，红外探测技术在军用和民用领域飞速发展，各种红外探测器的市场需求也日益增加。热电堆红外探测器以其灵敏度高、响应时间快、成本低、制作工艺简单、无需加偏置电压和无1/f噪声等特点被广泛应用于各种红外探测系统。

MEMS(微机电系统)热电堆红外探测器利用塞贝克效应，在硅片表面设计热结和冷结。在热结区域有红外吸收层，负责吸收需要探测物体的红外辐射(通常在8-14μm波长范围)，红外吸收层由于吸收红外辐射而产生热量传导给热结，热结与处于硅基上与环境温度相同的冷结产生一个温度差，利用塞贝克效应，在MEMS热电堆红外探测器的两个电极上产生电动势差，通过检测电动势差的大小可以探测到需要探测物体的红外辐射量的大小，进而结合探测物体发射率、光学系统、热转换效率等参数给出探测物体的表面温度。

通常，MEMS热电堆红外探测器制作完成后需要进行真空或低压气体封装，以减少空气对探测器红外吸收层的热对流干扰，提高探测器的灵敏度和稳定性。传统红外探测器封装形式大多为TO封装，其封装形式的侧视图和俯视图请见图1和图2，该封装方法将一个红外探测器放置并固定在封装管壳底部1，在上面密封一个带有红外滤波片的金属管壳2，该红外滤波片负责过滤各种不需要的光学波段，封装管壳底部1和金属管壳2构成气密密封腔体，腔体内抽真空或者填充低压气体，背面引出连接红外探测器电极的引脚3用于测试。

应该注意，上面对技术背景的介绍只是为了方便对本申请的技术方案进行清楚、完整的说明，并方便本领域技术人员的理解而阐述的。不能仅仅因为这些方案在本申请的背景技术部分进行了阐述而认为上述技术方案为本领域技术人员所公知。

发明内容

本申请提供一种基于MEMS热电堆红外探测器的火焰探测传感器，通过改变现有技术中MEMS热电堆红外探测器的滤波和封装形式，使其能够用于火焰探测，有效解决了目前火焰探测器在灵敏度、信噪比、误报率和响应时间等方面存在的问题，有成为新一代火焰探测传感器的光明前景。

根据本申请实施例的一个方面，提供一种双元火焰探测传感器，该传感器包括：

底座；

封装管帽，其安装于所述底座，并且由所述封装管帽与所述底座形成气密密封腔体；

第一红外滤波片，其使第一波长的光通过；

第二红外滤波片，其使第二波长的光通过；

第一红外探测器，其设置于所述底座，位于所述气密密封腔体内，用于接收所述第一波长的光，并输出第一探测信号；以及

第二红外探测器，其设置于所述底座，位于所述气密密封腔体内，用于接收所述第二波长的光，并输出第二探测信号，其中，所述第一波长的光的波长范围比所述第二波长的光的波长范围宽，所述第一探测信号反映探测对象的温度，所述第二探测信号反映探测对象是否包括燃烧产物。

根据本申请实施例的另一方面，其中，所述第一波长的光的强度与环境温度对应，所述第二波长的光的波长与所述燃烧产物的类型对应。

根据本申请实施例的另一方面，其中，所述第一波长的光的波长范围是8μm～14μm。

根据本申请实施例的另一方面，其中，所述第二波长的光的波长范围以4.26μm为中心。

根据本申请实施例的另一方面，其中，所述燃烧产物包括二氧化碳。

根据本申请实施例的另一方面，其中，所述第一红外探测器和所述第二红外探测器均是热电堆红外探测器。

根据本申请实施例的另一方面，提供一种火焰探测装置，该火焰探测装置具有判断单元，以及如上述实施例的任一方面所述的双元火焰探测传感器，其中，所述判断单元根据所述第一探测信号和所述第二探测信号，判断是否探测到火焰。

根据本申请实施例的另一方面，其中，当所述第一探测信号大于第一阈值，且第二探测信号大于第二阈值时，所述判断单元判断为探测到火焰。

本申请的有益效果在于：利用MEMS微加工技术制得热电堆红外探测器，将至少两颗即双元热电堆红外探测器通过TO封装的方法集成在两个不同红外透过波长的滤波片上，可实现一种低成本、高灵敏度、大信噪比、低误报率、快速响应时间的火焰探测传感器。

参照后文的说明和附图，详细公开了本申请的特定实施方式，指明了本申请的原理可以被采用的方式。应该理解，本申请的实施方式在范围上并不因而受到限制。在所附权利要求的精神和条款的范围内，本申请的实施方式包括许多改变、修改和等同。

针对一种实施方式描述和/或示出的特征可以以相同或类似的方式在一个或更多个其它实施方式中使用，与其它实施方式中的特征相组合，或替代其它实施方式中的特征。

应该强调，术语“包括/包含”在本文使用时指特征、整件、步骤或组件的存在，但并不排除一个或更多个其它特征、整件、步骤或组件的存在或附加。

附图说明

所包括的附图用来提供对本申请实施例的进一步的理解，其构成了说明书的一部分，用于例示本申请的实施方式，并与文字描述一起来阐释本申请的原理。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1是现有的红外探测器封装后的侧视图；

图2是现有的红外探测器封装后的俯视图；

图3是本申请的双元火焰探测传感器的侧视图；

图4是本申请的双元火焰探测传感器的俯视图；

图5是第一红外滤波片的透过率曲线示意图；

图6是第二红外滤波片的透过率曲线示意图。

具体实施方式

参照附图，通过下面的说明书，本申请的前述以及其它特征将变得明显。在说明书和附图中，具体公开了本申请的特定实施方式，其表明了其中可以采用本申请的原则的部分实施方式，应了解的是，本申请不限于所描述的实施方式，相反，本申请包括落入所附权利要求的范围内的全部修改、变型以及等同物。

在本申请中，为了说明方便，将底座的设置有第一红外探测器和第二红外探测器的面称为“上表面”，将底座的与该“上表面”相对的面称为“下表面”，由此，“上”方向是指从“下表面”指向“上表面”的方向，“下”方向与“上”方向相反，并且，将“上”方向与“下”方向统称为“纵向”，将与所述底座的“上表面”平行的方向称为“横向”。需要说明的是，在本申请中，“上”和“下”的设定是相对而言，仅是为了说明方便，并不代表具体使用或制造该火焰探测传感器的方位。

实施例1

本申请实施例1提供一种双元火焰探测传感器。

图3是该传感器的侧视图，图4是该传感器的顶视图。如图3、图4所示，该传感器包括底座11、封装管帽12、第一红外滤波片13、第二红外滤波片14、第一红外探测器15、以及第二红外探测器16。

其中，封装管帽12安装于所述底座11，并且由所述封装管帽与所述底座形成气密密封腔体17；第一红外滤波片13使第一波长的光通过；第二红外滤波片14使第二波长的光通过；第一红外探测器15设置于所述底座11，位于所述气密密封腔体17内，用于接收所述第一波长的光，并输出第一探测信号；第二红外探测器16设置于所述底座11，位于所述气密密封腔体17内，用于接收所述第二波长的光，并输出第二探测信号，

在本实施例中，第一波长的光的波长范围可以比第二波长的光的波长范围宽，并且，第一探测信号可以反映探测对象的温度，第二探测信号可以反映探测对象是否包括燃烧产物。

根据本实施例，在一个气密密封腔体内封装至少两颗红外探测器，用以接收不同波长范围的光，由此，既能探测对象的温度，又能探测燃烧产物，为准确探测火焰提供了更多的判断依据，所以，能够降低火焰探测的误报率，并提高灵敏度；并且，第一和第二红外探测器的性噪比高、响应时间短，使得该火焰探测传感器的性噪比提高、响应时间缩短。

在本实施例中，第一波长的光的波长范围较宽，因此，第一红外探测器能够吸收较多的红外波，当探测对象的温度变化时，第一波长的光的强度发生变化，并使得第一红外探测器输出的第一探测信号也随之变化。

例如，第一波长的光的波长范围可以是8μm～14μm，图5是第一红外滤波片13的透过率曲线示意图，其中，横轴表示波长，纵轴表示该第一红外滤波片13的透射率。经过第一红外滤波片滤波后得到的该第一波长范围8μm～14μm对应火焰所辐射出的连续光谱，并且，是大气下的三个红外窗口之一，即该波段下的红外辐射不易被大气的环境所吸收、散射等现象干扰，因此，对该波段的红外光进行探测，既能灵敏地检测到探测对象的温度，又能具有较强的抗干扰特性。

在本实施例中，该第二波长的光的波长范围较窄，该第二波长可以与燃烧产物的类型对应，由此，基于第二红外探测器16对该第二波长的探测结果所生成的第二探测信号，能够反映探测对象中是否包括燃烧产物。

例如，燃烧产物中通常包含有二氧化碳(CO2)，二氧化碳的辐射光谱在4.26μm附近，因此，该第二波长的光的波长范围可以是以4.26μm为中心，图6是第二红外滤波片14的透过率曲线示意图，其中，横轴表示波长，纵轴表示该第二红外滤波片14的透射率。经过第二红外滤波片滤波后所得到的第二波长范围以4.26μm为中心，通过对该波段的辐射进行检测，能够准确探测作为燃烧产物的二氧化碳，从而为判断是否产生火焰提供依据。

需要说明的是，本实施例的燃烧产物并不限于二氧化碳，在一些特殊物品的燃烧过程中，会产生特定的燃烧产物，该第二波长也可以是该特定的燃烧产物所辐射出的光，由此，第二红外滤波片14使该第二波长的光通过，并由第二红外探测器16对该第二波长的光进行探测，由此，能够检测特殊物品的燃烧。

在本实施例中，该第一红外探测器15和第二红外探测器16可以均是热电堆红外探测器，该热电堆红外探测器可以是由MEMS技术制造，基于MEMS技术制备的热电堆红外探测器的信噪比可达10⁸数量级，噪声的影响几乎可以忽略，其响应时间一般为15ms，与传统火焰探测器相比，性噪比大幅提高，性能时间也大幅缩短。关于热电堆红外探测器的具体结构和制造方法，可以参考现有技术，本实施例不再赘述。

在本实施例中，该第一红外探测器15和第二红外探测器16可以分别位于第一红外滤波片13和第二红外滤波片14的正下方，由此，从而接收透过第一红外滤波片13和第二红外滤波片14的光。

在本实施例中，该双元火焰探测传感器的输出有两个，一个是MEMS热电堆红外探测器15产生的对8-14μm波段进行探测的第一探测信号，其形式为直流电压，与火焰温度(开尔文温度)的四次方成正比；另一个是的MEMS热电堆红外探测器16产生的对以4.26μm为中心的波段的第二探测信号，其形式也为直流电压，同样是与火焰温度(开尔文温度)的四次方成正比。使用时可以配合外部电路，分别设置探测器15和探测器16的输出阈值，只有当探测器15和探测器16的输出都超过阈值时，才会报警。这样的好处是可以避免传统火焰探测器所无法避免的各种误报情况，如：探测非火焰的高温物体产生误报、探测区域内非火焰造成的CO2浓度过高情况、所处环境紫外光较强情况下误报等等。

本实施例的该双元火焰探测传感器工作时，如遇突然火灾等情况，由于火焰的辐射波长在0.1-10μm或更长，故双元火焰探测器的两个滤波片波长都覆盖在其中，通过滤波片截止和透过波长的不同，火焰的辐射射入MEMS热电堆红外探测器的波长也不同。滤波片13选择透过8～14μm波长的红外波，滤波片14选择透过4.26μm附近波长的红外波。其中，滤波片13所透过的波长主要被用于检测探测范围内环境温度的变化，由于该波段范围较宽，其对应的MEMS热电堆红外探测器15能够吸收较多的红外波，从而当遇到火灾发生时会有很大的灵敏度变化。并且该波段是大气下的三个红外窗口之一，即该波段下的红外辐射不易被大气的环境所吸收、散射等现象干扰。滤波片14所透过的波长用于检测火焰特有的4.26μm波段附近CO2的辐射光谱，该滤波片下的MEMS热电堆红外探测器16仅吸收4.26μm波段的红外辐射，用于排除其余外界环境造成的干扰，最大化减少了双元火焰探测传感器的误报率。

在本实施例中，底座11可以是金属底座，封装管帽12可以是金属管帽，在底座11和封装管帽12之间形成的气密密封腔体17内可以填充有一些低压气体如He、N2、Ne、Ar、Kr等，关于底座11和封装管帽12的形状、材料以及二者之间的连接方式，可以参考现有技术，本实施例不再赘述。

在本实施例中，如图3所示，该双元火焰探测传感器还可以具有引脚18，该引脚18可以与第一红外探测器13和第二红外探测器14电连接，将第一探测信号和第二探测信号通过引脚18传出。

本实施例的双元火焰探测传感器在组装时，可以将两颗MEMS热电堆红外探测器15、16的引脚固定在双元火焰探测器金属TO底座11上，并分左右两侧处于相应位置，待引脚烘烤固化后，通过金线绑定的方法将两颗MEMS热电堆红外探测器15、16的引脚同金属TO底座3的四个引脚18相连，从而实现电连接关系。接下来通过储能焊的方法与双元火焰探测器金属管帽12相互气密密封并与外界空气热隔离，在此过程中会填充一些低压气体如He、N2、Ne、Ar、Kr等，用于降低热电堆探测器吸收层与其表面空气的热对流以及增加产品的可靠性和稳定性。集成在金属管帽12上的两个红外滤波片13、14用来选择透过热电堆探测器15、16所需要的红外工作波长并与两颗MEMS热电堆红外探测器15、16分别中心对准。在本发明中，热电堆探测器15、16用于探测和感应火焰，两个滤波片13、14选择的工作波长可以分别在8～14μm和4.26μm。

根据本实施例，利用MEMS热电堆红外探测器得到双元火焰探测传感器，这种双元火焰探测传感器能够代替现有的有众多缺陷的火焰探测器用于火焰探测，提高了火焰探测器的灵敏度、信噪比，同时降低了误报率和响应时间，且采用光通信常用的TO封装形式，其生产成本比较低，可适合大规模生产。

实施例2

本申请实施例2提供一种火焰探测装置，其具有如实施例1所述的双元火焰探测传感器，关于双元火焰探测传感器的说明请参考实施例1。

在本实施例中，该火焰探测装置还具有判断单元，该判断单元能够根据双元火焰探测传感器输出的第一探测信号和第二探测信号，判断是否探测到火焰，例如，当该第一探测信号大于第一阈值，且第二探测信号大于第二阈值时，该判断单元判断为探测到火焰。

根据本实施例的火焰探测装置，能够降低火焰探测的误报率，提高灵敏度，提高性噪比高并且缩短响应时间。

以上结合具体的实施方式对本申请进行了描述，但本领域技术人员应该清楚，这些描述都是示例性的，并不是对本申请保护范围的限制。本领域技术人员可以根据本申请的精神和原理对本申请做出各种变型和修改，这些变型和修改也在本申请的范围内。

Claims (8)

1.一种双元火焰探测传感器，其特征在于，该传感器包括：

底座；

封装管帽，其安装于所述底座，并且由所述封装管帽与所述底座形成气密密封腔体；

第一红外滤波片，其使第一波长的光通过；

第二红外滤波片，其使第二波长的光通过；

第一红外探测器，其设置于所述底座，位于所述气密密封腔体内，用于接收所述第一波长的光，并输出第一探测信号；以及

第二红外探测器，其设置于所述底座，位于所述气密密封腔体内，用于接收所述第二波长的光，并输出第二探测信号，

其中，

所述第一波长的光的波长范围比所述第二波长的光的波长范围宽，

所述第一探测信号反映探测对象的温度，

所述第二探测信号反映探测对象是否包括燃烧产物。

2.如权利要求1所述的双元火焰探测传感器，其特征在于，

所述第一波长的光的强度与环境温度对应，

所述第二波长的光的波长与所述燃烧产物的类型对应。

3.如权利要求1所述的双元火焰探测传感器，其特征在于，

所述第一波长的光的波长范围是8μm～14μm。

4.如权利要求1所述的双元火焰探测传感器，其特征在于，

所述第二波长的光的波长范围以4.26μm为中心。

5.如权利要求1所述的双元火焰探测传感器，其特征在于，

所述燃烧产物包括二氧化碳。

6.如权利要求1所述的双元火焰探测传感器，其特征在于，

所述第一红外探测器和所述第二红外探测器均是热电堆红外探测器。

7.一种火焰探测装置，其特征在于，

该火焰探测装置具有判断单元，以及如权利要求1-6中任一项所述的双元火焰探测传感器，

其中，所述判断单元根据所述第一探测信号和所述第二探测信号，判断是否探测到火焰。

8.如权利要求7所述的火焰探测装置，其特征在于，

当所述第一探测信号大于第一阈值，且第二探测信号大于第二阈值时，所述判断单元判断为探测到火焰。