双波段红外火焰探测器及其探测方法转让专利
申请号 : CN200510046913.8
文献号 : CN100590671C
文献日 : 2010-02-17
发明人 : 厉剑 , 梅志斌 , 王勇俞 , 王文青 , 宁融 , 于鹏
申请人 : 公安部沈阳消防研究所
摘要 :
一种双波段红外火焰探测器及其探测方法，其中探测器包括支架，外壳，保护镜片，滤光片，红外传感器，放大电路，信号处理电路，电源转换电路，信号输出电路，内、外屏蔽罩，探测器接口板，设置电路，其中传感器和滤光片封装后再和放大电路一起封装在小屏蔽罩内，以上所有器件都固定在系统工作板上然后封装在外壳内，外壳上靠近传感器的位置开窗口，并设有保护镜，外壳的底部设有支架。其探测方法通过合理选取探测器的两个波段，并结合火焰闪烁频率鉴别技术及双波段信号处理软件算法，分别进行固定基值模式、补偿基值模式、闪烁频率模式的判断，实现在背景光存在时有较高的火焰探测灵敏度，并且在背景光干扰调制为火焰闪烁频率时也不会出现误报。
权利要求 :
1、一种双波段红外火焰探测器，包括支架，外壳，保护镜片，滤光片，红外传感器，放大电路，信号处理电路，电源转换电路，信号输出电路，内、外屏蔽罩，探测器接口板，设置电路，所述传感器和滤光片封装后再和放大电路一起封装在小屏蔽罩内，放大电路包括信号的转换、选频放大、积分与频率信号提取电路，电源输出电路给放大电路和信号处理电路供电，其特征在于，所述选频放大电路，选频范围为火焰特征闪烁频率及火焰受环境气流影响而闪烁的频率范围4-20Hz，该选频放大电路包括三级放大，分别为第一级包括电阻R14、电容C3、电阻R26和电解电容CD22；第二级包括电阻R10、电容C9、电阻R9和电解电容CD5；第三级包括电阻R18、电容C10、电阻R32、电位器RP3和电解电容CD13；电路的第一级放大输入U5A的3脚采用直接输入，第二、三级放大采用电容耦合，CD4的负极接U5D的12脚，U5D的14脚接CD7的正极，CD7的负极接U6A的3脚，U6A的1脚输出火焰信号ADD1；因为探测信号属于小信号，故前级采用直接输入，第二、三级采用电容耦合可以去除直流成分，其中第二级交流放大的直流偏置点设置为VDD*(R31/(R31+R29))，第三级放大的直流偏置点可通过调节电位器Rp1来调节，调节范围为0.1V-1.2V。
说明书 :
双波段红外火焰探测器及其探测方法
技术领域
本发明属于火灾探测技术领域，特别涉及一种双波段红外火焰探测器及其探测方法。 背景技术
随着我国经济建设的飞速发展，大空间建筑及地下建筑的数量不断增加，如大型公共娱 乐场所、大型仓库、大型集贸市场、飞机库、车库、油库、候车大厅和侯机大厅、地下隧道、 地铁站道、地下大型停车场和地下商业街等。由于此类建筑内部往往举架高、跨度大，火灾 初期烟扩散受建筑内部安装的空调和通风系统等影响较大，有的场所人员密集，易燃品多， 火灾隐患多，而且此类建筑火灾蔓延迅速，生成烟气毒性大，人员疏散避难及增援扑救困难， 一旦发生火灾往往造成很大的经济损失和恶劣的社会影响，因此，地下及大空间建筑已成为 消防保卫的重点对象之一。 .
由于上述地下及大空间建筑的特殊性，普通的典型感烟、感温火灾探测报警系统无法迅 速采集火灾发出的烟温变化信息，因而难以满足早期探测并预报此类建筑火灾的要求。国际 上早期使用普通式紫外、单波段红外火焰探测器作为保护大空间建筑的手段，但由于其受技 术水平及工艺水平的限制，在实际应用中对环境干扰的抑制能力较差，容易产生误报警。双 波段红外火焰探测器是在与现场背景光进行对比的条件下实现火焰探测的，因而可迸一步减 少阳光、人工照明灯光、热体辐射等背景干扰的影响，特别适用于地下及大空间建筑的火灾 探测，成为地下与大空间建筑消防保护的最新产品。
早期，国际上使用普通式紫外或单波段红外火焰探测器作为保护大空间及地下建筑消防 安全的手段，但由于其受技术水平及工艺水平的限制，在实际应用中对环境干扰的抵抗能力 较差，易产生误报警。而紫外/红外火焰探测器，是一种复合式探测器，它在火警抑制误报能 力上表现突出，与双波段探测器不同之处在于它的两个传感器均作为火灾传感器，必须同时 检测到火灾，这就降低了火灾检测概率。近几年来，国内外还有人研究利用CCD火焰成像技 术来探测火焰，由于相应的早期火灾图像探测的基础理论研究尚不充分，在一定程度上限制 了火灾图像技术的发展。因此，近年来日本、瑞士等国家已先后开发研制并成功使用双波段 红外火焰探测器用于大空间及地下建筑的消防安全保护。它可进一步抑制环境干扰信号的干 扰，提高探测器的可靠性，成为保护地下与大空间建筑消防安全的最新产品。
对火灾报警系统来说，极少单独使用某种类型的探测器。在地下与大空间建筑内，双波
3段火焰探测器是最为适宜釆用的探测器之一，.但根据保护场所及对象的变化，也需要配合使 用其它类型的探测器（如感温探测器、线型红外光束感烟探测器和可燃气体探测器等）或报 警按钮。另外，火焰探测器作为一个特殊品种在工程上很可能需要与不同厂家的报警控制器 相联接。基于上述考虑，本发明所提供的双波段火焰探测器设计为无源触点输出。
与其它类型火灾探测器的设计方法类似，双波段红外火焰探测器的设计也是对两个相互 依赖的因素的权衡。这两个因素就是被探测信号的性质（火焰特征：火焰的光谱能量分布、 火焰闪烁频率范围）及与被探测信号有区别的背景噪声信号特征（阳光直射、通过反射表面 的反射或其他髙强度人工辐射光源的辐射)。通过对火焰特征和背景噪声信号特征的研究，确 定探测器的火灾探测波段和背景参考波段，研究两波段信号的变化规律，以提高探测器对背 景光干扰的分辨识别能力，从而相应地减少误报率及避免漏报。
目前微处理器技术的进一步发展，也使得探测器的智能化成为可能。近年国内外火灾探 测报警技术的最新研究成果也充分表明，将现代火灾传感技术与计算机应用相结合是目前提 髙火灾探测器性能最有效的方法之一。因此，本发明在双波段火焰探测器设计中拟选择一种 满足系统要求的微处理器，利用其数据采集和数据处理功能实现探测器对火灾的判别。 一方 面，可使探测器具备火灾判断的智能，进而提高探测器的报警可靠性和性能价格比；另一方
面，可降低对火灾报警控制器的硬件接口和软件算法要求，便于提高探测器对不同系统的兼 容性。这样，系统可对火焰信号和背景信号在探测器内部直接进行相关的运算和分析，并将 运算结果作为探测器的状态信息传送给火灾报警控制器，构成分散智能系统。
通过合理选取探测器的两个波段，并结合火焰闪烁频率鉴别技术及双波段信号处理软件 算法，双波段火焰探测器可以实现在背景光存在时有较髙的火焰探测灵敏度，并且在背景光 干扰调制为火焰闪烁频率时也不会出现误报。
随着我国经济建设的飞速发展，大空间建筑及地下建筑的数量不断增加，如大型公共娱 乐场所、大型仓库、大型集贸市场、飞机库、车库、油库、候车大厅和侯机大厅、地下隧道、 地铁站道、地下大型停车场和地下商业街等。由于此类建筑内部往往举架高、跨度大，火灾 初期烟扩散受建筑内部安装的空调和通风系统等影响较大，有的场所人员密集，易燃品多， 火灾隐患多，而且此类建筑火灾蔓延迅速，生成烟气毒性大，人员疏散避难及增援扑救困难， 一旦发生火灾往往造成很大的经济损失和恶劣的社会影响，因此，地下及大空间建筑已成为 消防保卫的重点对象之一。 .
由于上述地下及大空间建筑的特殊性，普通的典型感烟、感温火灾探测报警系统无法迅 速采集火灾发出的烟温变化信息，因而难以满足早期探测并预报此类建筑火灾的要求。国际 上早期使用普通式紫外、单波段红外火焰探测器作为保护大空间建筑的手段，但由于其受技 术水平及工艺水平的限制，在实际应用中对环境干扰的抑制能力较差，容易产生误报警。双 波段红外火焰探测器是在与现场背景光进行对比的条件下实现火焰探测的，因而可迸一步减 少阳光、人工照明灯光、热体辐射等背景干扰的影响，特别适用于地下及大空间建筑的火灾 探测，成为地下与大空间建筑消防保护的最新产品。
早期，国际上使用普通式紫外或单波段红外火焰探测器作为保护大空间及地下建筑消防 安全的手段，但由于其受技术水平及工艺水平的限制，在实际应用中对环境干扰的抵抗能力 较差，易产生误报警。而紫外/红外火焰探测器，是一种复合式探测器，它在火警抑制误报能 力上表现突出，与双波段探测器不同之处在于它的两个传感器均作为火灾传感器，必须同时 检测到火灾，这就降低了火灾检测概率。近几年来，国内外还有人研究利用CCD火焰成像技 术来探测火焰，由于相应的早期火灾图像探测的基础理论研究尚不充分，在一定程度上限制 了火灾图像技术的发展。因此，近年来日本、瑞士等国家已先后开发研制并成功使用双波段 红外火焰探测器用于大空间及地下建筑的消防安全保护。它可进一步抑制环境干扰信号的干 扰，提高探测器的可靠性，成为保护地下与大空间建筑消防安全的最新产品。
对火灾报警系统来说，极少单独使用某种类型的探测器。在地下与大空间建筑内，双波
3段火焰探测器是最为适宜釆用的探测器之一，.但根据保护场所及对象的变化，也需要配合使 用其它类型的探测器（如感温探测器、线型红外光束感烟探测器和可燃气体探测器等）或报 警按钮。另外，火焰探测器作为一个特殊品种在工程上很可能需要与不同厂家的报警控制器 相联接。基于上述考虑，本发明所提供的双波段火焰探测器设计为无源触点输出。
与其它类型火灾探测器的设计方法类似，双波段红外火焰探测器的设计也是对两个相互 依赖的因素的权衡。这两个因素就是被探测信号的性质（火焰特征：火焰的光谱能量分布、 火焰闪烁频率范围）及与被探测信号有区别的背景噪声信号特征（阳光直射、通过反射表面 的反射或其他髙强度人工辐射光源的辐射)。通过对火焰特征和背景噪声信号特征的研究，确 定探测器的火灾探测波段和背景参考波段，研究两波段信号的变化规律，以提高探测器对背 景光干扰的分辨识别能力，从而相应地减少误报率及避免漏报。
目前微处理器技术的进一步发展，也使得探测器的智能化成为可能。近年国内外火灾探 测报警技术的最新研究成果也充分表明，将现代火灾传感技术与计算机应用相结合是目前提 髙火灾探测器性能最有效的方法之一。因此，本发明在双波段火焰探测器设计中拟选择一种 满足系统要求的微处理器，利用其数据采集和数据处理功能实现探测器对火灾的判别。 一方 面，可使探测器具备火灾判断的智能，进而提高探测器的报警可靠性和性能价格比；另一方
面，可降低对火灾报警控制器的硬件接口和软件算法要求，便于提高探测器对不同系统的兼 容性。这样，系统可对火焰信号和背景信号在探测器内部直接进行相关的运算和分析，并将 运算结果作为探测器的状态信息传送给火灾报警控制器，构成分散智能系统。
通过合理选取探测器的两个波段，并结合火焰闪烁频率鉴别技术及双波段信号处理软件 算法，双波段火焰探测器可以实现在背景光存在时有较髙的火焰探测灵敏度，并且在背景光 干扰调制为火焰闪烁频率时也不会出现误报。
发明内容
针对目前的环境发展状况，本发明提供一种双波段红外火焰探测器，该探测器由于综合 采用了火焰与背景双信息传感技术、双波段优化技术和火灾判断识别方法，在探测性能上优 于其它类型的火焰探测器。与以往采用单波段技术的火焰探测器相比，本系统较好地克服了 其高灵敏度与低误报率难以兼顾的弊端，特别是在对高强度人工照明光源和高温热体的抗干 扰能力上表现出极大优势。
本发明装置包括支架，外壳，保护镜片，滤光片，红外传感器，放大电路，信号处理电 路，电源转换电路，信号输出电路，内、外屏蔽罩，探测器接口板，设置电路，上述元器件都固定在系统工作板上，其中保护镜片用于防潮、防尘、防水和防触摸，信号处理电路用于
进行A/D转换、信号采集和数据处理，在红外传感器的前面分别封装有不同型号的滤光片， 使红外传感器分别采集火焰光和背景光不同波段的波长，设置电路实现对信号处理电路的初 始设定，红外线探测器将采集的不同频率的红外光转换成电信号通过放大电路放大后送入信 号处理电路，进行A/D转换、信号采集和数据处理，处理后的信号通过信号输出电路将判断 结果送到探测器接口板显示给用户，其中传感器和滤光片封装后再和放大电路一起封装在小 屏蔽罩内，以上所有器件都固定在系统工作板上然后封装在外壳内，外壳上靠近传感器的位 置开窗口，并设有保护镜，外壳的底部设有支架。
上述放大电路包括信号的转换、选频放大、积分与频率信号提取电路。
信号转换电路，采用红外传感器源级跟随电压偏置方式，其中R22、 R23为分压电阻，确 定传感器S1的工作点，电解电容器CD21用于滤波，降低电源干扰；T3为场效应管，与传感 器S1构成自举电路，用于扩大传感器的工作范围；R25为输出负载；信号转换电路将光信号 转换为电信号，输出的电信号接选频放大电路中U5A的3脚。
信号的选频放大电路，选频范围为4一20Hz，是火焰特征闪烁频率及火焰受环境气流影 响而闪烁的频率范围'该选频包括三级放大，分别为第一级：R14、 C3、 R26、 CD22;第二级： RIO、 C9、 R9、 CD5;第三级：R18、 CIO、 R32、 RP3、 CD13。电路的前级（第一级）放大输入 U5A的3脚采用直接输入，第二、三级放大采用电容耦合，CD4的负极接U5D的12脚，U5D 的14脚接CD7的正极，CD7的负极接U6A的3脚，U6A的1脚输出火焰信号ADD1。因为探测 信号属于小信号，故前级采用直接输入，第二、三级采用电容耦合可以去除直流成分，其中 第二级交流放大的直流偏置点设置为VDD* (R31/(R31+R29))，第三级放大的直流偏置点可通 过调节电位器Rpl来调节，调节范围为O.l V -1.2 V。
积分与频率信号提取电路，其中积分电路采用二极管D6与电阻R13、 R12、电容CD8构 成，通过电容的充放电得到需要的电平，输入给信号处理电路中的A/D转换器；频率信号提 取电路通过R35、 Rpal和U7A构成的比较电路得到信号的频率，输入给信号处理电路中的单
片机以供采集。
另一探测通道信号的转换、选频放大、积分与频率信号提取电路与上述相同，故不赘诉。 电源输出电路，在电源的输入端并联的双向瞬变抑制二极管Dl,并串联了两个小磁珠
LC1、 LC2,然后通过整流桥和二极管、电容将总线交流脉冲整流积分为直流电平，经两组稳
压电路降压，分别供给放大电路和信号处理电路使用。
信号输出电路，提供一个火警信号LED，并提供两个继电器的无源触点信号输出。信号处理电路，信号处理电路主要为单片机电路，单片机电路主要是维持单片机的正常 运行，以及保护单片机不受损坏。钳位二极管s D 1和s D 2将A/D输入电压钳位在Vcc附近， 防止A/D转换输入过高而造成单片机的损坏。应用上述发明装置的探测方法具体实现过程包括：系统初始化、信号采集和转换、信号 处理、信号输出。步骤一、系统初始化：每次上电，系统进行初始化，实现初始设定等功能，设置的信息包括系统灵敏度、判断 模式、原始数据、判断次数以及各种存储器的分配。其中探测器灵敏度为国家标准级别，包 括i级、n级、ni级；判断模式包括固定基值模式、补偿基值模式、闪烁频率模式，其中固定基值模式为可选模式；原始数据，包括闪烁频率即火焰通道频率采集范围和背景通道频率 采集范围，火焰通道固定基值Ca和背景通道固定基值Cb，火焰通道补偿基值Cal和背景通 道补偿基值Cbl;判断次数，指采集连续几组信号进行判断。 步骤二、信号釆集和转换： '采集的信号包括火焰通道信号和背景通道信号，经过A/D转换后得到同一时间段内火焰 通道当前采样幅值Ai和背景通道当前采样幅值Bi ，火焰通道频率Fai和背景通道频率Fbi 。步骤三、信号处理，即对火警信号的智能判断的过程-(1) 基于固定基值判断程序当Aj-Ca》Bi-Cb而且（Aj-Ca) /n^Bi-Cb，其中n为自然数，是两个通道的信号幅值 增加的比值；在设定的判断次数内满足该条件则判断幅值满足火警条件，跳过基于补偿基值 判断程序并进行闪烁频率判断。.当^-Ca < Bi-Cb或者（Ai-Ca) /n.< Bj-Cb，则进行基于补偿基值判断程序。(2) 基于补偿基值判断程序当Ai-Cal^Bj-Cbl而且（Ai-Cal) /n》Bi-Cbl，在设定的判断次数内满足该条件则判 断幅值满足火警条件，进行闪烁频率判断。.(3) 闪烁频率判断 — 火焰通道在设定的判断次数内频率数据平均值为Fap， 背景通道在设定的判断次数内频率数据平均值为Fbp,4《Fap《20,并且Fa0(当前）、Fal、 Fa2、……、Fa; (i=N),其中频率满足4《Fa;《20、故障、正常信号，以无源触点 输出的形式外接其他报警装置，最终实现火灾报警。本系统总体技术水平和综合性能达到了九十年代末国际先进水平，但国外产品的销售价 格高昂（在1000美元以上），而本发明的探测器成本却低得多。本发明的开发和应用，将为 我国大空间与地下建筑等复杂场所提供急p有效的火灾探测报警新技术、新产品，对减少此 类建筑火灾的损失，对保卫人民生命财产安全，保卫经济建设起到重大作用。它的投产和推 广应用不仅可以满足国内大空间及地下建筑对消防保护的迫切需求，还可替代进口产品，为 国家节省大量外汇，并将产生显著的社会经济效益。与屆外同类产品相比，本系统特点如下：(1) 本系统中双波段红外火焰探测器将火焰与背景辐射双信息传感技术、双波段优化设计 技术和微处理器技术有机结合，实现了探测器对火焰的准确探测及对背景千扰的有效抑制， 解决了火焰探测器设计上髙灵敏度与低误报率间的矛盾。(2) 本发明利用双通道信号微处理器数据处理方法，提高了探测器对使用环境的适应性， 在火灾判断方法上达到了较高的智能程度？(3) 本发明通过窄带滤光片双波段优化设计及其它相关技术，使双波段红外火焰探测器的 探测灵敏度达到I级，探测视场角达到90。，实现了远距离、宽视场的探测保护空间，进一 步提高了火焰探测器应用于地下与大空间建筑的保护效果。(4) 本发明在探测器内设置了微处理器，利用其数据采集与数据处理功能对火焰信号和背 景干扰信号在探测器内直接进行相关的运算和分析，判断现场是否真正发生火灾。由于减少 了探测器与控制器之间大量双波段信息的编码、传输和解码等一系列环节， 一方面系统的整 体可靠性得到提高，另一方面使探测器具有灵活的接口以兼容不同类别的报警控制器，提高 产品的工程适用性。附图说明 .图1为本发明探测器的电路原理框图；图2为本发明探测器的结构框图；图3为信号转换电路原理图；图4为信号的选频放大电路原理图；图5为积分与频率信号提取电路原理图； 图6为电源输出电路原理图；图7为信号输出电路原理图，7a为火警信号LED电路原理图，7b无源触点信号输出电路原 理图；图8为信号处理电路原理图； 图9为设置电路原理图；图IO为本发明方法火警信号智能判断的流程图；其中，l保护镜片，2小屏蔽套，3系统工作板，4大屏蔽罩，5外壳。具体实施方式如图l、 2所示，本发明装置包括支架，外壳，保护镜片，滤光片，红外传感器，放大电 路，信号处理电路，电源转换电路，信号输出电路，内、外屏蔽罩，探测器接口板，上述元 器件都固定在系统工作板上。其中，滤光片的选择上两个通道选择红外光的波段范围不能重叠，火焰通道滤光片和背 景通道滤光片滤波范围应在1.4〜15. 8um内选取。放大电路包括信号的转换、选频放大、积分与频率信号提取电路。信号转换电路如图3所示，釆用红外传感器源级跟随电压偏置方式，其中R22、 R23为分 压电阻，确定传感器S1的工作点，电解电容CD21器用于滤波，降低电源干扰；T3为场效应 管，与传感器S1构成自举电路，用于扩大传感器的工作范围；R25为输出负载；信号转换电 路将光信号转换为电信号，输出的电信号接选频放大电路中U5A的3脚。信号的选频放大电路如图4所示，选频范围为4一20Hz,是火焰特征闪烁频率及火焰受 环境气流影响而闪烁的频率范围，该选频包括三级放大，分别为第一级：R14、 C3、 R26、 CD22; 第二级:RIO、 C9、 R9、 CD5;第三级：R18、 CIO、 R32、 RP3、 CD13。电路的前级(第一级) 放大输入U5A的3脚采用直接输入，第二、三级放大采用电容耦合，CD4的负极接U5D的12 脚，U5D的14脚接CD7的正极，CD7的负极接U6A的3脚，U6A的1脚输出火焰信号ADD1。 因为探测信号属于小信号，故前级采用直接输入，第二、三级采用电容耦合可以去除直流成 分，其中第二级交流放大的直流偏置点设置为VDDt (R31/(R31+R29))，第三级放大的直流偏 置点可通过调节电位器Rpl来调节，调节范围为O.l V -1.2 V。积分与频率信号提取电路如图5所示'，其中积分电路采用二极管D6与电阻R13、 R12、 电容CD8构成，通过电容的充放电得到需要的电平，输入给信号处理电路中的A/D转换器；频率信号提取电路通坟R35、 Rpal和U7A构成的比较电路得到信号的频率，输入给信号处理电路中的单片机以供采集。另一探测通道信号的转换、选频放大、积分与频率信号提取电路与上述相同，故不赘诉。 电源输出电路如图6所示，在电源的输入端并联的双向瞬变抑制二极管Dl,并串联了两个小磁珠LC1、 LC2,然后通过整流桥和二极管、电容将总线交流脉冲整流积分为直流电平，经两组稳压电路降压，分别供给放大电路和信号处理电路使用。信号输出电路如图7所示，提供一个火警信号LED,并提供两个继电器的无源触点信号输出。信号处理电路如图8所示，信号处理电路主要为单片机电路，单片机电路主要是维持单 片机的正常运行，以及保护单片机不受损坏。钳位二极管s D 1和s D 2将A/D输入电压钳位 在Vcc附近，防止A/D转换输入过高而造成单片机的损坏。本电路采用的电路元器件采用如下型号或参数：集成电路：T3-T4-3DJ2H, Ul-U4-78L05, U2-PIC16F73, U5= U6-TLC27L4， U7-TLC27L2。 传感器 ：S1-PYD1220B， S2-PYD1220C。 继电器 ：K1=K2=朋S1H-S-24。 晶振 ：XT1=1MC。穿心电感：LC1=LC2=CZ1227， DR1=DR2=DZ1003。 三极管：Q1=Q2=Q3=9013。二极管：D2=D3=D4=D5=D6-SD1=SD2=1N4148, DB1=DB2=DB3=DB4=1N4007 ， Dl= P6KE36CA ， Db 5 = P6KE36BA 。 发光管 ：LEDi=«t)5 LED。 端子：J3-两针；JPl-四针。 两针插针：JP2= JP3= JP4= JP5=JDlfJD2,两针插针。 三针插针：J2= Jl= TJl，三针插针。电阻：R1-110Q, R7=100Q, R2=R3=R4=R11=R12=R17=R20=R22=R35=R37=R23=R36=100K, R13=R19= IK, R24=R33=R34=5. Ik, R29=R31-R41=R44=R8=R27=200K, RD13=R5= R30=R43= 10k， R26=R39=R15=R9=33K, R10=R14=R16=R40=R46=R18=680K, R38=R25=R21=470K, R32=R45=20k, Rl= R6=8.2k。可调电阻：RPl=RP2=RP3-RP4=50k , RPal=100 k。电容：Cl=c2=30p, C3=C4=C5=C6=C7=C8=C9=C10=104p, CD17=CD18=CD19=CD2O10U/35V,9CD1=CD3=CD5=CD25=CD6=CD15=CD8=CD4=CD10=CD7=CD12=CD21=CD23=CD11=CD13=CD14=CD22=CD
24-Cal= 10U/16V, CD16- 47U/35V。
下面通过实施例对本发明方法对火警信号智能判断的过程进行详细描述： 确定判断次数为4次，火焰通道频率范围为4《Fai《20， i=0、 1、 2、 3,背景通道频率
范围Fbi〉20或Fbi〈4, i=0、 1、 2、 3，
火焰通道固定基值为Ca,背景通道固定基值为Cb，
、
火焰通道补偿基值为Cal ，背景通道固定基值为Cbl ， 火焰通道当前4次AD采样幅值为A,、 A2、 A3、 A4, 背景通道当前4次AD采样幅值为B。 B2、 B3、 B4, 火焰通道幅值相对于固定基值增加值AAOi-Ai-Ca, 背景通道幅值相对于固定基值增加值ABO广Bi -Cb， 火焰通道幅值相对于补偿基值增加值AM; = Aj -Cal ， 背景通道幅值相对于补偿基值增加值ABl^Bi -Cbl, 火焰通道采样频率数据依次为FaO (当前)，Fal， Fa2, Fa3 (前3次)， 背景通道采样频率数据依次为FbO (当前)，Fbl, Fb， Fb3 (前3次)， 火焰通道当前4次频率数据平均值为'Fap， 背景通道当前4次频率数据平均值为Fbp;
例l、选择固定基值模式，其中Ca-Cb-15， n=2,
table see original document page 10根据上述数据可以看出，连续4次满足Ai-Ca》Bi-Cb而且（Ai-Ca) /2》B「Cb,则幅 值满足火警报警条件，继续进行闪烁频率判断：table see original document page 103 4 5 7 4 0 2 1 0table see original document page 12table see original document page 12根据上述数据可以看出，A广Cal^Bi-Cbl而且（Ai-Cal) /2》Bj-Cbl,连续4次满足table see original document page 124《Fap《20，并且FaO (当前）、Fal、 Fa2、……、Fa; (i=N)，其中连续4次频率满足 4《Fa,.《20 (i=N)，而且满足Fb,.〉20或Fb,4 (i=N)，则闪烁频率判断满足火警报警条件。 例4、不选择固定基值模式，直接进行补偿固定基值判断，其中Cal-15, Cb-35， n-2,table see original document page 12table see original document page 13
本发明装置包括支架，外壳，保护镜片，滤光片，红外传感器，放大电路，信号处理电 路，电源转换电路，信号输出电路，内、外屏蔽罩，探测器接口板，设置电路，上述元器件都固定在系统工作板上，其中保护镜片用于防潮、防尘、防水和防触摸，信号处理电路用于
进行A/D转换、信号采集和数据处理，在红外传感器的前面分别封装有不同型号的滤光片， 使红外传感器分别采集火焰光和背景光不同波段的波长，设置电路实现对信号处理电路的初 始设定，红外线探测器将采集的不同频率的红外光转换成电信号通过放大电路放大后送入信 号处理电路，进行A/D转换、信号采集和数据处理，处理后的信号通过信号输出电路将判断 结果送到探测器接口板显示给用户，其中传感器和滤光片封装后再和放大电路一起封装在小 屏蔽罩内，以上所有器件都固定在系统工作板上然后封装在外壳内，外壳上靠近传感器的位 置开窗口，并设有保护镜，外壳的底部设有支架。
上述放大电路包括信号的转换、选频放大、积分与频率信号提取电路。
信号转换电路，采用红外传感器源级跟随电压偏置方式，其中R22、 R23为分压电阻，确 定传感器S1的工作点，电解电容器CD21用于滤波，降低电源干扰；T3为场效应管，与传感 器S1构成自举电路，用于扩大传感器的工作范围；R25为输出负载；信号转换电路将光信号 转换为电信号，输出的电信号接选频放大电路中U5A的3脚。
信号的选频放大电路，选频范围为4一20Hz，是火焰特征闪烁频率及火焰受环境气流影 响而闪烁的频率范围'该选频包括三级放大，分别为第一级：R14、 C3、 R26、 CD22;第二级： RIO、 C9、 R9、 CD5;第三级：R18、 CIO、 R32、 RP3、 CD13。电路的前级（第一级）放大输入 U5A的3脚采用直接输入，第二、三级放大采用电容耦合，CD4的负极接U5D的12脚，U5D 的14脚接CD7的正极，CD7的负极接U6A的3脚，U6A的1脚输出火焰信号ADD1。因为探测 信号属于小信号，故前级采用直接输入，第二、三级采用电容耦合可以去除直流成分，其中 第二级交流放大的直流偏置点设置为VDD* (R31/(R31+R29))，第三级放大的直流偏置点可通 过调节电位器Rpl来调节，调节范围为O.l V -1.2 V。
积分与频率信号提取电路，其中积分电路采用二极管D6与电阻R13、 R12、电容CD8构 成，通过电容的充放电得到需要的电平，输入给信号处理电路中的A/D转换器；频率信号提 取电路通过R35、 Rpal和U7A构成的比较电路得到信号的频率，输入给信号处理电路中的单
片机以供采集。
另一探测通道信号的转换、选频放大、积分与频率信号提取电路与上述相同，故不赘诉。 电源输出电路，在电源的输入端并联的双向瞬变抑制二极管Dl,并串联了两个小磁珠
LC1、 LC2,然后通过整流桥和二极管、电容将总线交流脉冲整流积分为直流电平，经两组稳
压电路降压，分别供给放大电路和信号处理电路使用。
信号输出电路，提供一个火警信号LED，并提供两个继电器的无源触点信号输出。信号处理电路，信号处理电路主要为单片机电路，单片机电路主要是维持单片机的正常 运行，以及保护单片机不受损坏。钳位二极管s D 1和s D 2将A/D输入电压钳位在Vcc附近， 防止A/D转换输入过高而造成单片机的损坏。应用上述发明装置的探测方法具体实现过程包括：系统初始化、信号采集和转换、信号 处理、信号输出。步骤一、系统初始化：每次上电，系统进行初始化，实现初始设定等功能，设置的信息包括系统灵敏度、判断 模式、原始数据、判断次数以及各种存储器的分配。其中探测器灵敏度为国家标准级别，包 括i级、n级、ni级；判断模式包括固定基值模式、补偿基值模式、闪烁频率模式，其中固定基值模式为可选模式；原始数据，包括闪烁频率即火焰通道频率采集范围和背景通道频率 采集范围，火焰通道固定基值Ca和背景通道固定基值Cb，火焰通道补偿基值Cal和背景通 道补偿基值Cbl;判断次数，指采集连续几组信号进行判断。 步骤二、信号釆集和转换： '采集的信号包括火焰通道信号和背景通道信号，经过A/D转换后得到同一时间段内火焰 通道当前采样幅值Ai和背景通道当前采样幅值Bi ，火焰通道频率Fai和背景通道频率Fbi 。步骤三、信号处理，即对火警信号的智能判断的过程-(1) 基于固定基值判断程序当Aj-Ca》Bi-Cb而且（Aj-Ca) /n^Bi-Cb，其中n为自然数，是两个通道的信号幅值 增加的比值；在设定的判断次数内满足该条件则判断幅值满足火警条件，跳过基于补偿基值 判断程序并进行闪烁频率判断。.当^-Ca < Bi-Cb或者（Ai-Ca) /n.< Bj-Cb，则进行基于补偿基值判断程序。(2) 基于补偿基值判断程序当Ai-Cal^Bj-Cbl而且（Ai-Cal) /n》Bi-Cbl，在设定的判断次数内满足该条件则判 断幅值满足火警条件，进行闪烁频率判断。.(3) 闪烁频率判断 — 火焰通道在设定的判断次数内频率数据平均值为Fap， 背景通道在设定的判断次数内频率数据平均值为Fbp,4《Fap《20,并且Fa0(当前）、Fal、 Fa2、……、Fa; (i=N),其中频率满足4《Fa;《20、故障、正常信号，以无源触点 输出的形式外接其他报警装置，最终实现火灾报警。本系统总体技术水平和综合性能达到了九十年代末国际先进水平，但国外产品的销售价 格高昂（在1000美元以上），而本发明的探测器成本却低得多。本发明的开发和应用，将为 我国大空间与地下建筑等复杂场所提供急p有效的火灾探测报警新技术、新产品，对减少此 类建筑火灾的损失，对保卫人民生命财产安全，保卫经济建设起到重大作用。它的投产和推 广应用不仅可以满足国内大空间及地下建筑对消防保护的迫切需求，还可替代进口产品，为 国家节省大量外汇，并将产生显著的社会经济效益。与屆外同类产品相比，本系统特点如下：(1) 本系统中双波段红外火焰探测器将火焰与背景辐射双信息传感技术、双波段优化设计 技术和微处理器技术有机结合，实现了探测器对火焰的准确探测及对背景千扰的有效抑制， 解决了火焰探测器设计上髙灵敏度与低误报率间的矛盾。(2) 本发明利用双通道信号微处理器数据处理方法，提高了探测器对使用环境的适应性， 在火灾判断方法上达到了较高的智能程度？(3) 本发明通过窄带滤光片双波段优化设计及其它相关技术，使双波段红外火焰探测器的 探测灵敏度达到I级，探测视场角达到90。，实现了远距离、宽视场的探测保护空间，进一 步提高了火焰探测器应用于地下与大空间建筑的保护效果。(4) 本发明在探测器内设置了微处理器，利用其数据采集与数据处理功能对火焰信号和背 景干扰信号在探测器内直接进行相关的运算和分析，判断现场是否真正发生火灾。由于减少 了探测器与控制器之间大量双波段信息的编码、传输和解码等一系列环节， 一方面系统的整 体可靠性得到提高，另一方面使探测器具有灵活的接口以兼容不同类别的报警控制器，提高 产品的工程适用性。附图说明 .图1为本发明探测器的电路原理框图；图2为本发明探测器的结构框图；图3为信号转换电路原理图；图4为信号的选频放大电路原理图；图5为积分与频率信号提取电路原理图； 图6为电源输出电路原理图；图7为信号输出电路原理图，7a为火警信号LED电路原理图，7b无源触点信号输出电路原 理图；图8为信号处理电路原理图； 图9为设置电路原理图；图IO为本发明方法火警信号智能判断的流程图；其中，l保护镜片，2小屏蔽套，3系统工作板，4大屏蔽罩，5外壳。具体实施方式如图l、 2所示，本发明装置包括支架，外壳，保护镜片，滤光片，红外传感器，放大电 路，信号处理电路，电源转换电路，信号输出电路，内、外屏蔽罩，探测器接口板，上述元 器件都固定在系统工作板上。其中，滤光片的选择上两个通道选择红外光的波段范围不能重叠，火焰通道滤光片和背 景通道滤光片滤波范围应在1.4〜15. 8um内选取。放大电路包括信号的转换、选频放大、积分与频率信号提取电路。信号转换电路如图3所示，釆用红外传感器源级跟随电压偏置方式，其中R22、 R23为分 压电阻，确定传感器S1的工作点，电解电容CD21器用于滤波，降低电源干扰；T3为场效应 管，与传感器S1构成自举电路，用于扩大传感器的工作范围；R25为输出负载；信号转换电 路将光信号转换为电信号，输出的电信号接选频放大电路中U5A的3脚。信号的选频放大电路如图4所示，选频范围为4一20Hz,是火焰特征闪烁频率及火焰受 环境气流影响而闪烁的频率范围，该选频包括三级放大，分别为第一级：R14、 C3、 R26、 CD22; 第二级:RIO、 C9、 R9、 CD5;第三级：R18、 CIO、 R32、 RP3、 CD13。电路的前级(第一级) 放大输入U5A的3脚采用直接输入，第二、三级放大采用电容耦合，CD4的负极接U5D的12 脚，U5D的14脚接CD7的正极，CD7的负极接U6A的3脚，U6A的1脚输出火焰信号ADD1。 因为探测信号属于小信号，故前级采用直接输入，第二、三级采用电容耦合可以去除直流成 分，其中第二级交流放大的直流偏置点设置为VDDt (R31/(R31+R29))，第三级放大的直流偏 置点可通过调节电位器Rpl来调节，调节范围为O.l V -1.2 V。积分与频率信号提取电路如图5所示'，其中积分电路采用二极管D6与电阻R13、 R12、 电容CD8构成，通过电容的充放电得到需要的电平，输入给信号处理电路中的A/D转换器；频率信号提取电路通坟R35、 Rpal和U7A构成的比较电路得到信号的频率，输入给信号处理电路中的单片机以供采集。另一探测通道信号的转换、选频放大、积分与频率信号提取电路与上述相同，故不赘诉。 电源输出电路如图6所示，在电源的输入端并联的双向瞬变抑制二极管Dl,并串联了两个小磁珠LC1、 LC2,然后通过整流桥和二极管、电容将总线交流脉冲整流积分为直流电平，经两组稳压电路降压，分别供给放大电路和信号处理电路使用。信号输出电路如图7所示，提供一个火警信号LED,并提供两个继电器的无源触点信号输出。信号处理电路如图8所示，信号处理电路主要为单片机电路，单片机电路主要是维持单 片机的正常运行，以及保护单片机不受损坏。钳位二极管s D 1和s D 2将A/D输入电压钳位 在Vcc附近，防止A/D转换输入过高而造成单片机的损坏。本电路采用的电路元器件采用如下型号或参数：集成电路：T3-T4-3DJ2H, Ul-U4-78L05, U2-PIC16F73, U5= U6-TLC27L4， U7-TLC27L2。 传感器 ：S1-PYD1220B， S2-PYD1220C。 继电器 ：K1=K2=朋S1H-S-24。 晶振 ：XT1=1MC。穿心电感：LC1=LC2=CZ1227， DR1=DR2=DZ1003。 三极管：Q1=Q2=Q3=9013。二极管：D2=D3=D4=D5=D6-SD1=SD2=1N4148, DB1=DB2=DB3=DB4=1N4007 ， Dl= P6KE36CA ， Db 5 = P6KE36BA 。 发光管 ：LEDi=«t)5 LED。 端子：J3-两针；JPl-四针。 两针插针：JP2= JP3= JP4= JP5=JDlfJD2,两针插针。 三针插针：J2= Jl= TJl，三针插针。电阻：R1-110Q, R7=100Q, R2=R3=R4=R11=R12=R17=R20=R22=R35=R37=R23=R36=100K, R13=R19= IK, R24=R33=R34=5. Ik, R29=R31-R41=R44=R8=R27=200K, RD13=R5= R30=R43= 10k， R26=R39=R15=R9=33K, R10=R14=R16=R40=R46=R18=680K, R38=R25=R21=470K, R32=R45=20k, Rl= R6=8.2k。可调电阻：RPl=RP2=RP3-RP4=50k , RPal=100 k。电容：Cl=c2=30p, C3=C4=C5=C6=C7=C8=C9=C10=104p, CD17=CD18=CD19=CD2O10U/35V,9CD1=CD3=CD5=CD25=CD6=CD15=CD8=CD4=CD10=CD7=CD12=CD21=CD23=CD11=CD13=CD14=CD22=CD
24-Cal= 10U/16V, CD16- 47U/35V。
下面通过实施例对本发明方法对火警信号智能判断的过程进行详细描述： 确定判断次数为4次，火焰通道频率范围为4《Fai《20， i=0、 1、 2、 3,背景通道频率
范围Fbi〉20或Fbi〈4, i=0、 1、 2、 3，
火焰通道固定基值为Ca,背景通道固定基值为Cb，
、
火焰通道补偿基值为Cal ，背景通道固定基值为Cbl ， 火焰通道当前4次AD采样幅值为A,、 A2、 A3、 A4, 背景通道当前4次AD采样幅值为B。 B2、 B3、 B4, 火焰通道幅值相对于固定基值增加值AAOi-Ai-Ca, 背景通道幅值相对于固定基值增加值ABO广Bi -Cb， 火焰通道幅值相对于补偿基值增加值AM; = Aj -Cal ， 背景通道幅值相对于补偿基值增加值ABl^Bi -Cbl, 火焰通道采样频率数据依次为FaO (当前)，Fal， Fa2, Fa3 (前3次)， 背景通道采样频率数据依次为FbO (当前)，Fbl, Fb， Fb3 (前3次)， 火焰通道当前4次频率数据平均值为'Fap， 背景通道当前4次频率数据平均值为Fbp;
例l、选择固定基值模式，其中Ca-Cb-15， n=2,