（检测技术与自动化装置专业论文）火焰特性研究及其检测技术.pdf

中文摘要 工业锅炉炉膛中存在两种火焰，一为炉体火焰，一为若干个喷火嘴喷出的火 焰，工厂常常需要知道在炉体背景火焰下，喷嘴是否在喷火，以确定各个喷嘴的 运行状态。工业上把火焰检测器将炉体火焰误判为喷嘴火焰的情况称为“偷看”； 把不能透过炉体火焰看到喷嘴火焰的情况称为“漏看”。检测器“偷看”和“漏 看”的频繁发生，会对锅炉的正常运行造成严重的影响。“偷看”和“漏看”的 实质是无法对重叠的火焰进行准确的判断，因此如何对重叠的火焰进行准确的判 断成为解决此问题的关键。 本文详细介绍了火焰检测技术的原理、发展动态，总结了光电技术在火焰检 测方面的应用。通过对几种光电检测电路的比较和分析，在试验测试的基础上， 构建了一个性能较好的信号提取电路。 波，并以t m s 3 2 0 。f 2 4 0 7 ad s p 为核心， 采用电压编程精确滤波器对信号进行滤 设计出一个进行光电转换、信号调理、 数捌采集的硬件平台。软件设计方面，采用汇编语言实现了系统控制、频谱分析 和与上位机的通讯同时在上位机中用v c + + 编程，实时显示了频谱数据的柱 状图。在基于闪烁频率法检测火焰的原理上，提出了一种以快速傅立叶变换( f f t ) 分析火焰闪烁频谱，建立火焰重叠判据，从而判断火焰重叠与否的方法。为解决 “偷看”“漏看”提供了一种新方案。 此外，本文还对系统的深入设计和优化提出了建议。 关键词：火焰检测火焰闪烁频谱快速傅立叶变换火焰重叠判据 a b s t r a c t t h e r ea r et w ok i n do ff l a m ei ni n d u s t r yi n t e m a l l yf i r e db o i l e r o n e i sb o i l e r - b o d y f l a m et h eo t h e ri sf l a m ef r o mb u r n e rn o z z l e s i no r d e rt oj u d g et h eo p e r a t i o ns t a t u so f b o i l e r , w o r k e r sn e e dt ok n o w w h e t h e rt h eb u r n e rn o z z l ei sb u r n i n go rn o tu n d e rt h e b a c k g r o u n df l a m eo fb o i l e r - b o d y i ni n d u s t r yw ed e f i n e “p e e k ”a sp h e n o m e n o n t h a t t h ed e t e c t o rt a k et h eb o i l e r - b o d yf l a m ea sb t t r n e r - n o z z l e sf l a m e w ed e f i n e l e a k a s p h e n o m e n o nt h a t t h ed e t e c t o rc a nn o t p r o b e t h eb u r n e r n o z z l e sf l a m et h o u g h b o i l e r b o d y f l a m e t h e s et w op h e n o m e n aw i l l d a m a g eb o i l e r i ft h e yh a p p e nt o o f r e q u e m l y t h e e s s e n t i a lo ft h e p h e n o m e n a i st h ed e t e c t o rc a n n o tj u d g e t h e o v e r l a p p i n gs t a t u so ff l a m e s oh o w t oj u d g et h eo v e r l a p p i n gs t a t u so ff l a m ei st h e f o c u so f t h e p r o b l e m t h i st h e s i sj n t r o d u c e st h ef o u n d a t i o na n dd e v e l o p m e n to ff l a m ed e t e c t i o n t e c m o l o g ya n ds u m m a r i z e s t h ea p p l i c a t i o no fp h o t o e l e c t r i ct e c h n o l o g yi nf l a m e d e t e c t i o n t h r o u g hc o m p a r i n ga n da n a l y z i n go fp h o t o e l e c t r i cd e t e c t i n gc i r c u i t ，a n e f f i c i e n t s i g n a ld e t e c t i n g c i r c u i ti se s t a b l i s h e db a s e do nt h ed a t ao b t a i n e df r o m e x p e r i m e n t a t i o n ap r e c i s i o nv o l t a g ep r o g r a m m a b l ef i l t e r i su s e dt od e a lw i t l lt h e s i g n e du s i n g t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 ad s pa s c o n t r o l l e r , a h a r d w a r e s y s t e m f o r p h o t o e l e c t r i ct r a n s f o r m i n g ，s i g n a ld e a l i n ga n ds a m p l i n gi sd e s i g n e d a sf o rs o f t w a r e d e s i g n ，i t r e a l i z e st h ef u n c t i o no fs y s t e mc o n t r o l l i n g ，f r e q u e n c ya n a l y z i n ga n d c o m m u n i c a t i o nw i t hp c u s i n ga s s e m b l yl a n g u a g e a tt h es a m e t i m eg r a p ho f r e a lt i m e d a t ai sd i s p l a y e do np c u s i n gv c + + a sp r o g r a m m i n gt 0 0 1 b a s e do nt h ed e t e c t i o n m e t h o do ff l a m ef l i c k i n gf r e q u e n c y , an e wm e t h o df o r j u d g et h eo v e r l a ps t a t u so f t w o f l a m e si s p r o p o s e d t h em e t h o d u s e f f t ( f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ) t oa n a l y z e f r e q u e n c ys p e c t r u mo ff l a m ef l i c k i n gf r e q u e n c ya n db u i l dt h ef l a m eo v e r l a p p i n g c r i t e r i o nt h e nc o m p a r et h ef i e l dd a t aw i t ht h ec r i t e r i o nt ok n o ww h e t h e rt h et w o f l a m e s o v e r l a p o rn o t t h i sm e t h o di san e ws o l u t i o n f o r p e e k a n d l e a k ” p h e n o m e n a f u r t h e r m o r ea d v i c ef o rd e e pr e s e a r c ha n d o p t i m i z i n gd e s i g n i sa l s op r e s e n t e d k e y w o r d s ：f l a m e d e t e c t i o nt e c h n o l o g y f r e q u e n c ys p e c t r u m o ff l a m ef l i c k i n g 丘e q u e n c y f a s tf o u r i e rt r a n s f o r m ( f f t ) f l a m e o v e r l a p p i n g c r i t e r i o n 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘壅盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：移柳签字日期：却年，p 月名日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解盘凄盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤壅盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名： 签字日期：如) 年 导师签名；多弘詹磊 签字日期：矿吗年1 月乒日 日 狮f 彤 扬 堋 第一章绪论 第一章绪论 火焰检测技术是伴随锅炉火焰探测和火灾预报而发展起来的一门学科。它利 用感光、感温传感器获取火焰燃烧产生的效应，通过后处理，判知火焰的存在与 否或火源的重叠状态。 火焰探测传感器是火焰检测的基本工具，它引领着火焰检测技术的发展。最 初的火焰探测传感器是金属探极，然而利用金属探极检测火焰的技术有着诸多的 局限，因此近年来几已绝迹，取而代之的是光电探测器。光电探测器将火焰的光 信号转换成相对容易处理的电流信号，分析电流特性，从而获知火焰的存在及状 态。 对火焰特性的研究是火焰检测技术的前提。火焰特性包括：不同火源的火 焰波长、闪烁频率、平均强度，以及这些特性反映成检测输出电流( 电压) 的衰 减或失真等情况。对火焰特性的研究一方面用来有针对性的检测火焰，另一方面 也是抗干扰设计的需要，比如研究太阳光光谱特性、电焊弧光谱特性都是为了排 除其对火焰检测的干扰。 1 1 火焰检测原理 1 1 1 金属探极型火焰检测器原理“2 1 金属探极型检测器是早期的火焰检测器，也是最简单的一类火焰检测器。其 原理是：燃烧的火焰具有导电性。它一般用于探测燃气炉具打火是否成功的安全 保护上。 金属探极型检测器的具体实施方法是：在火焰上方放置一耐高温的金属探 极，当燃气从金属喷嘴喷出时，点燃燃气，由于燃烧产生的高温造成空气电离在 探极和喷嘴之间加正电压时，将有电流产生，加负电压时，几乎没有电流，此时 火焰具有二极管的单向导电特性。当火焰熄灭时，探极与喷嘴之间加任何极性的 电压都不会产生电流“3 。利用火焰的这个特性，就可以检测出燃气是否燃烧。 这种检测方式简单可靠，几乎不会有什么干扰，但是用途比较窄。 第一章缝论 1 1 2 光电传感器与火焰检测“1 用光电传感器来检测火焰是光电技术在火焰检测领域的最直接的应用。光 电技术是一门以光电子学为基础，综合利用光学、精密机械、电子学和计算机技 术解决各种工程应用课题的技术学科，它把火焰检测技术带到了一个新的时代。 许多基于火焰频率、火焰强度成像技术都是以光电技术为基础的。近年来有两类 光电传感器是火焰检测中使用最广泛的。一类是红外传感器和紫外传感器“1 ，一 类是光耦合器件( c c d ) 。 1 1 2 1 红、紫外传麟器检测火焰原理“”“”“1 红外传感器和紫外传感器一般都是由特殊的光电二极管、光电三极管加上 处理电路构成。在闭合的环路里，红外传感器和紫外传感器能在光照的激发下产 生电流。电流的强度在饱和度内与光强成正比。因此通过红外传感器和紫外传感 器感知火焰的光强变化是用普通红外传感器和紫外传感器检测火焰的原理。 任何燃料在燃烧时，会不同程度地向外辐射紫外线、可见光和红外线等光波。 燃料不同，辐射出的光波段就不同。燃烧条件不同，火焰辐射光波在各波段上的 可检测性也不同。下图是火焰光谱分布图“。 1 0 1 6 1 0 1 5 l o l d l 3l 铲1 0 i i l - j l _ j 一j j 一一l 一上一1 l 疑率朋z 0 。o l0 1 1：t o1 0 z 1 0 3 l _ | 一。 ill iilil ： li波长u l 、，一k ， 、一 紫外光可见光组辨光 由图可见，火焰光谱跨越紫外线、可见光、红外线三个带。火焰光谱的紫外线波 长分布于1 0 3 8 0 n m 段内，可见光波长分布于3 8 0 7 0 0r l n l 段内；红外线波长分布 于7 0 0 1 0 0 0n i l 段内。 火焰燃烧时光辐射的强度是波动的，尤其是起燃和熄灭阶段。产生波动的原 因很多，例如燃料空气混合比例、燃烧中的微小爆炸、压力变化等都能引起光辐 射强度的波动。这种波动能被光敏器件反映为电流( 电压) 的频率变化，等效电 流( 电压) 的频率称为火焰的闪烁频率。这是火焰区别于其他光如太阳光、灯光 等的重要特征之一。火焰闪烁频率伴随燃烧阶段不同而变化频率分布在 第一章绪论 1 0 一2 0 0h z 之间。火焰燃烧的闪烁频率能附着于整个燃烧所产生的光波波段上。 因此，只要采用适当的检狈4 设备，对某一燃烧火焰，在特定光波段上检测出闪烁 频率，就可清楚地了解火焰的燃烧情况。“。这是红外传感器和紫外传感器探测火 焰的又一原理。这一技术的最大用途是：在锅炉燃烧时，从背景火焰中探测喷火 嘴是否喷火。 检测火区火焰闪烁频率可用红外、紫外和可见光检测技术。可见光检测技术 “2 3 受周围光线干扰太大。现在一般都用红外和紫外检测技术。 红外波长范围相当于0 7 5um l m m 的电磁坡，来自所有物体的辐射。凡温 度在绝对0 度以上5 0 0 度以下的物体都会成为红外辐射源。其量值取决于物体的 表面温度和辐射率，温度越高红外辐射量越大，波长越短。 红外线根据波长又可分成近红外，中红外，远红外和极远红外。火焰发出的 红外线集中于近红外区。人体发出的红外线集中于远红外区( 中心波长9p m 一 1 0u m ) 。太阳光的红外线跨越近中远三个区从0 7 5 u m 一7 硼瓦是火灾火焰检测中 主要干扰源之一。 紫外线的波长范围为l o o n m - - 3 8 0 n m ，波长越短，能量越高。一般将紫外线 分为三个区u v a 、u v - b 、i j v c 。燃烧产生的紫外线波长集中在2 0 0 n m - - 4 0 0 n m 之间。火焰检测中紫外干扰主要来自于y 射线、电弧焊火花。 1 1 2 2 成像型火焰检测器原理。”。4 1 成像型火焰检测器一般采用固态图像传感器。例如电荷耦合器件，简称c c d 。 其检钡0 原理可以c c d 器件为例说明： c c d 是一种半导体器件，在n 型( 硅锗晶体中掺入五价元素，使电子数大于 空穴数) 或p 型硅衬底上生长一层很薄的二氧化硅，再在二氧化硅上依次序沉淀 金属电极，这种规则排列的m o s 电容器阵列再加上两端的输入及输出二极管就构 成了c c d 芯片。c c d 可以把光信号转换成电脉冲信号，每一个脉冲只反映一个光 敏元受光情况，脉冲幅度的高低反映该光敏元受光的强弱，输出脉冲序列可以反 映光敏元的位置，这就起到图像传感器的作用。 目前通用的固态图像传感器件有c c d ( 电荷耦合器件) 、s s p d ( 光电二极管 阵列) 、c c p d ( 电荷耦合光电二极管) 、c i d ( 电荷注入器件) 。 第一章绪论 固态图像传感器具有体积小、重量轻、成像度高、功耗低和低电压驱动等 优点。目前已广泛应用于图像处理、电视、自动控制、测量和机器人等领域。 但成像型火焰检测设备造价高，还不是国内火焰检测使用的主流设备。 1 2国内外火焰梭测技术动态m 6 1 1 n 町h 州绷 1 2 1 国外火焰检测的研究方向。小”1 目前，国外火焰检测的研究大致分为如下几个方向 方向一：基于检测火区火焰的亮度和闪烁频率的红外型或可见光型火焰检测 器，现在我国大部分锅炉火焰检测系统都是采用这种火焰检测设备。但是此类探 测器在实际运行中对不同的煤种、负荷引起的火区位置的变化难以做到自适应， 尤其是在动态工况下时有误报、漏报情况发生。 方向二：8 0 年代，随着计算机软、硬件技术的迅速发展，特别是近年来多 媒体技术日益推广应用，国内外研究者纷纷把目光投向了可视化的监视和控制系 统，在这样的前提下，数字图像处理技术开始应用于火焰处理中。把火焰电视与 多媒体计算机系统相结合、基于人工智能、模式识别、神经网络等新的理论的发 展，结合数字图像处理技术，开发基于火焰图像信号的火焰检测叫“6 3 3 ，是国 内外众多研究者的目光的集中点。由这一技术设计的检测装置大都价格昂贵，虽 然准确度较高但一般国内厂家难以接受。 1 2 2 国内火焰检测的研究方向 国内火焰检测器的开发和研制也已有几十年的历史。发展的方向经历了由早 期的金属探极型火焰检测器到基于火焰的闪烁频率的火焰检测器的过程。相对国 外的研制水平，我国在这方面的研究是比较落后的，从各类期刊、文献上登载的 文章可以看到：绝大部分工厂使用的探测器都是国外的。国内探测器主要落后在： 稳定性不强，功能少，器件易老化等方面。从国内火焰检测器专利查询结果来看， 火焰检测器专利也不多，一部分检测器仍停留在金属探极型火焰检测器上，另一 部分只采用单传感器( 红外或紫外传感器) 。可见设计研制高准确度、高稳定度 的火焰探测器有很大的实际意义。 第一章绪论 1 3 本研究工作的主要内容 锅炉中存在锅炉炉体火焰和若干个喷火嘴喷出的火焰。通常工厂需要在炉体 火焰燃烧的情况下获得喷嘴是否在喷火的判断，锅炉火焰探测主要集中在这一问 题的解决上，这也是本研究需要解决的问题。 本研究基于闪烁频率检测法，采用频谱分析对火焰建模，并建立重叠判据， 将适时信号与判据进行比较，从而获得对火焰重叠与否的判断。其初始阶段旨在 构建套频谱分析的基本系统，为判断锅炉火焰重叠搭建一个初步的平台。具体 工作包括： 1 、基于已有传感器，研究提取信号的检测电路。实验室早期购置了滨松公司的 i n g a a s p i n 光电二极管红外传感器( 响应光谱范围为0 7 - 1 7 u m ) 和s u p e r b l u e s i l i c o n e 材料的紫外传感器( 响应光谱范围为2 8 0 - - 3 2 0 n m ) 。我所要做 的工作就是研究这两种传感器提取火焰信号的检测电路，并总结光电器件选 择经验。 2 、为了提高检测准确度，尝试采用红、紫外双传感器检测火焰。当两个传感器 都探测到火焰状态的变化时，才通报结果。这是为解决背景光干扰，减少误 报率的而设计的双保险方案。 3 、构建实现数据采集、频谱分析、通讯以及图形显示的硬软件平台。包括检测 电路，d s p 数据处理，通讯、以及火焰重叠判据设计。 4 、为系统优化和深入研究提出改进方案。 第二章火焰检测的光电技术原理 第二章火焰检测的光电技术原理 2 1 光电器件的物理基础m 4 m 洲”m 7 m 8 3 光具有波粒二象性，既是电磁波，又是光子流。光电器件的物理基础也是 建立在光的波粒二象性上。光谱又称电磁波谱，分为长波区、光学区、射线区。 而光电技术只涉及电磁波谱的光学谱区。光电系统可以看作是光能的传递和接 收系统。辐射能从辐射源发出后经过中间介质、光学系统，最后被光电器件接 收。因此光能的强弱是否能使接收器感受，这是光电系统一个很重要的指标。 2 1 1 辐射度学和光度学 光电技术中，辐射源能量的计算叫辐射度学，它使用的参量称为辐射度量。 辐射度量是辐射源辐射出能量的多少。同样，可见光的能薰的计算叫光度学， 它是光辐射出能量的多少，以人的视觉习惯为基础建立。 光度学专门针对光而言，它是辐射度学的一部分或特例。而辐射度学适用 于整个电磁波谱的能量计算。主要用于x 光、紫外光、红外光以及其他非可见 光的电磁辐射。这两套参量的名称、符号、定义式彼此对应，基本都相同，只 是单位不同。辐射度学和光度学的定义及单位是分析、计算光电路的必备的基 础，表2 - i 列出了本设计中涉及的辐射度学和光度学单位。 2 1 2 辐通量的光谱分布与接收器的光谱响应 图2 - i 辐通量的光谱分布曲线 6 第二章火焰检测的光电技术原理 辐射一般由各种波长组成，每种波长的辐通量各不相同。总的辐通量为各个 组成波长的辐通量的总和。图2 1 为某辐通量的连续分布曲线，给定波长 o 处 极小波长间隔d 内的辐通量d o pe 称为单色辐通量。 中。x = d 中。d ，中。 称为光谱辐通量。 ( 2 - 1 1 ) 单色辐通量的积分为 。= f 亩。矗丸 。= j i 中棚 此式中中。称为多色辐通量。( 2 - 1 2 ) 此式中巾。称为全色辐通量。( 2 - 1 3 ) 表2 1 辐射度学和光度学单位简表 名称符号定义单位 辐能q e以辐射形式发射、传播或接收的能量。 焦 耳 ( j ) 流 明 秒 光量q v 光通量对时间的积分 ( 1 m s ) 辐通量m p 以辐射形式发射、传播或接收的功率。 瓦 特 ( w ) 光通量 o v 发光强度为iv 的光源，在立体角元d o 内 的辐通量，d 中v = iv d q 。 流 明 ( 1 m ) 照射到表面一点处面元上的辐通量除以该瓦每平方米 辐照度e e 面元的面积。 ( w 。m 。) 照射到表面一点处面元上的光通量除以该勒 克斯 光照度 e v 面元的面积( 1 x ) 辐【射 i p 在给定方向上的立体角元内，离开点辐射源瓦每球面度 强度或辐射源面元的辐射功率除以该立体角元。 ( w s r l ) 发光强 iv 光度量中的基本量，单位为坎德拉c d 。c d 度的意义为：频率为5 4 0 x1 0 1 2 t z 的单色辐射坎德 在给定方向上的辐射强度：拉 ( c d ) ie = l 6 8 3 w s r 一1 时，规定为l c d 。 辐射亮 表面一点处的面元在给定方向上的辐射强瓦每球面度 度 l e 度除以该面元在垂直于给定方向平面上的平方米( w 正投影面积s y l m 一2 ) 表面一点处的面元在给定方向上的发光强坎 德拉 每 光 亮 l v 度除以该面元在垂直于给定方向平面上的平方米 度 正投影面积。( c d m 一2 ) 许多接收器所能感受的波长是有选择性的，接收器对不同波长电磁辐射的 响应程度( 反应灵敏度) 称为光谱响应度或光谱灵敏度。对人眼来说采用光谱光 第二章火焰检测的光电技术原理 视效能k ( ) 来表征不同波长辐射下的响应能力，光谱光视效能k ( ) 为同一波 长下光谱光通量与光谱辐通量之比，即 k ( ) = 中v 中e x ( 2 一l 一4 ) 由于人眼在频率为5 4 0 1 0 ”h z ( m = 5 5 5 n m ，该波长称为峰值波长) 的辐射 下，k ( 九) 最大，记以l ( i i l ，k m = 6 8 3 ( 1 m w ) 对于某给定波长下的k m ，定义 光谱光视效率v ( 九) 为 v ( ) 又称为视见函数。根据对许多正常人眼的研究，可统计出各种波长的 平均相对灵敏度。列于图2 2 图2 - 2 光谱光视效率v ( 九) 曲线 图中实线为在视场较亮时测得的，称为明视觉v ( ) 曲线；虚线为在视场较 暗时测得的，称为暗视觉v ( 九) 曲线。对于暗视觉， m ，= 5 0 7 n m ，k m ，= 6 8 3 ( 1 m w 1 ) 。所有光度计量均以明视觉的k ( 九) 为基础。 第二章火焰检测的光电技术原理 2 2 光电探测器件位” 光辐射探测器件按原理不同，分为光电探测器件和热电探测器。如图2 - 3 示： ，蠢空光电营 真空光c - 蠢气光窀管 ，光电探测器传 半霉体光光电尊器件。 徽群 磊囊蒜 探测器件 吧婿汁 “” ( 1 0 2 一l o “m ) l一，热电偶与燕电堆 【、热电揉测潞冬鞠i 蒋射热诗 1 k l o ”弛瑶熟释电器件 2 ) 光电导效应：光照变化引起半导体材料电导变化的现象称光电导效应。原 为传导态电子，引起载流子浓度增大，因而导致材料电导率增大。 光生伏特效应简称为光伏效应，是指光照使不均匀半导体或半导体与金属组 9 第二章火焰梭测的光电技术鳆理 2 3 光电检测电路的设计m m l l 大多数的光电器件都需要通过检测电路才能实现光电信号的变换作用。通 常，光电检测电路是由光电检测器件、输入电路和前置放大器组成。 输入电路是连接光电器件和电信号放大器的中间环节，它的基本作用是为光 电器件提供正常的工作条件，进行电参量的变换( 例如将电流和电阻转换为电 压) ，同时完成和前置放大器的电路匹配。输入电路的设计应根据电信号的性质、 大小，光学器件的噪声电平等初始条件以及输出电平和通频带等技术要求来确定 电路的连接形式和工作参数，保证光电器件和后级电路最佳的工作状态，并最终 使整个检测电路满足下列要求： 1 ) 灵敏的光电转换能力：使给定的输入光信号在允许的非线性失真条件下有 最佳的信号传输系数，得到最大的功率、电压或电流输出。 2 ) 快速的动态响应能力：满足信号通道所要求的频率选择性或对瞬变信号的 快速响应。 3 ) 最佳的信号检测能力：具有为可靠检测所必需的信噪比或最小可检测信号 功率。 4 ) 长期工作的稳定性和可靠性。 根据这些要求，检测电路的设计通常包括的步骤为：光电检测器件的选择、 光电器件输入电路的静态计算和动态计算以及频率估算。 2 3 1 光电检测器件的选择 在以信息检测和信号传送为目的的光电系统中，光电检测器件的作用是将载 有被测信息的光辐射能量变换为电能，并在实现这种变换的过程中完成信息的传 递。检测器件是沟通光学和电子系统的接口环节，它既是光路元件又是电路元件， 有着光学和电子学的双重属性。作为光路元件，它是光信号接收器，是前级光学 系统的输出端口；作为电路元件，它是信号发生器，是后续电子系统的输入端口。 正是出于利用了光电检测器件的双重属性，才建立了光路和电路的联系，使彼此 i 铷得以连通。因此，光电检测器件类型的选择和工作状态的确定对光电系统的工 作品质至关重要，是系统设计的一个重要问题。 1 0 第二章火焰检测的光电技术原理 为了提高传输效率，无畸变地变换光电信号，光电检测器件不仅要和被测辐 射源及光学系统相匹配，而且要和后续的电子系统在特性和工作参数上相匹配， 使每个相互连接的器件都处于最佳的工作状态。光电检测器件和光路的匹配是在 对辐射源和光路进行光谱分析和能量计算的基础上，通过合理选择光路和器件的 光学参数来实现的，这要涉及到工程光学的内容。而光电检测器件和电路的匹配 则应根据选定的光电检测器件的参数，通过正确选择和设计电路来完成。 此外，为了最充分地利用入射通量，要求检测器件和辐射源及光学系统在 光潜特性上匹配。光电系统中光载波信号的能量来源是辐射源或光源。它们可 分作两类。即自然光源和人造光源。辐射能量由光源经测试目标、传输介质、 接收光学系统被光电检测器接收。为了提高有用光信号的能量利用，要求检测 器的光谱灵敏度分布和辐射源的光谱辐射度分布以及各传输环节的光谱透过 率分布相覆盖。实际上，在含有许多光谱分量的复合光通量中( ) 作用下、探 测器的复合输出i ( x ) 是由单色辐射通量作用下的输出值在整个光谱分布范围 内的积分值确定的，即 i ( ) = j 。s 。( ) 中( ) d ( 2 - 3 1 ) s ，( ) ：探测器对波长 的电流灵敏度 在辐射源和探测器之间存在选择性衰减环节( 如介质传输、光学系统和滤光 器) 时探测器的有效输出为 i ( 九) = j 。s 。( ) t 。( ) t 。( ) t ，( ) 中。( ) d ( 2 3 2 ) 式中，中。( x ) 是由辐射源发出的复合光通量，t 。( 九) 、t 。( 九) 、t ，( x ) 分别是 传输介质、光学系统和滤光器的透过率光谱分布。 因此，只有这些衰减环节的光谱分布尽可能地相互覆盖才可能最充分地利用 入射通量。光电器件选择具体实施步骤总结如下 第一步：获取燃料燃烧时的光谱特性，包括燃烧时的光谱范围，辐射通量( 辐 射功率) 范围以及闪烁频率范围，如果有条件，最好能以表格或图片形式将燃烧 质的光谱图和火焰闪烁频率频谱分析图做出，以备光电器件选型以及优化设计使 用。本设计用到以油、气为燃料的火焰光谱分布图。 以油、气为燃料的燃烧器在燃烧时，其火焰能辐射出大量的紫外线，同时， 油火焰也能辐射出大量的可见光；而以煤为燃料的火焰能够辐射出大量的可见光 第二章火焰检测的光电技术原理 和红外线。表2 - 2 为各种燃料火焰辐射出的可检测光波波段的波长分布“。 表2 2 不同燃料火焰辐射可检测光波波段( m ) 燃料 可检测光波波段分布 紫外线可见光红外线 煤2 0 0 3 0 04 0 0 6 5 08 0 0 以上 油 2 0 0 3 0 04 0 0 6 0 06 0 0 以上 、 2 0 0 以煤或油为燃料的工业锅炉火焰具有很宽的连续光谱，波长从2 0 0d m 的 紫外线区一直延伸到4 0 0 0 h m 的红外线区。对于煤粉锅炉，光辐射强度的波动是 这种炉膛火焰的重要特征，火焰闪烁频率伴随燃烧阶段不同而变化，频率分布在 i 0 2 0 0h z 之间，火焰底部或点火处频率较高。象煤这样的化石燃料又有燃烧时 发出的紫外线光通量远高于其它物质的特点。 第二步：熟悉光电器件各个参数意义，再按照需求选取光电器件。光电器件 主要的参数有：反向电压、工作温度、存储温度、峰值敏感波长( p ) 、敏感波 长光谱范围( f w h m ) 、光电灵敏度( s ) 、暗电流( i d ) 、探测灵敏度( d + ) 、结电容( 终 端电容c t ) 、截断电阻( 飚) 、等效噪声功率e p ) 【3 2 】【3 3 】。各参数选择依据大致 为： 反向电压：一般为5 一i o v ，根据需要而定； 工作温度：根据需要选择； 存储温度：根据需要选择； 峰值敏感波长：光电器件的峰值敏感波长应适当大于燃烧光谱范围的中值。 因为光电探测器是选择型探测器，其响应特性为如图2 - 4 示，大于峰值波长的波 通过光电传感器后会大幅衰减。因此选择器件时，应让器件的峰值敏感波长适当 大于燃烧光谱范围的中值，以覆盖火焰的大部分燃烧光谱； 敏感波长光谱范围：光电器件的敏感波长光谱范围应覆盖燃烧光谱范围； 光电灵敏度：光电灵敏度大，传感器敏感度高，性能好； 暗电流( i d ) ：暗电流小好，暗电流小，噪声小； 探测灵敏度( d ) ：大好； 第二章火焰检测的光电技术傅i 理 图2 - 4 响应灵敏度与波长关系图 结电容：与外加电压和入射光频率有一定的关系，一般来说结电容小截断 频率高，器件频率特性好，响应时间快。 截断电阻：随温度升高变小，一般来说截断电阻越小睹电流越小，探测灵 敏度越大器件线性好，探测灵敏度高。 等效噪声功率：标志器件可探测的最小信号功率( 信噪比为1 时的辐射功 率) ，等效噪声功率越小器件越灵敏。 此外，对探测器的大体动向也要把握，如有的光电器件响应光谱范围特别 窄，就是专为检测某种单色光而研制的，就不能用在需要广泛光谱的火焰测量 中。 2 ，3 2 光电器件输入电路的静态计算。”。4 1 光电检测电路的设计任务是根据入射光信号的性质和大小来选择输入电路 形式，并估算电路工作状态和器件参数，在保证信号不失真的情况下获得最大 的光电转换能力，同时要使之和后级放大电路相匹配以利于信号的进一步传输。 缓慢变化的光信号通常采用直流检测电路。直流电路的计算重点在于确定 电路的静态工作状态，由于光电检测器件伏安特性的非线性，一般采用非线性 电路的图解法和分段线性化的解析法来计算。 根据器件伏安特性的性质将光电器件分作：恒流源型、可变电阻型和光伏 型三种基本类型。 1 ) 恒流源型光电检测器件的伏安特性是一组以输入光照度e 或光通量中为 参量的曲线组，如图2 - 5 示。在工作电压较小的范围内曲线呈弯曲的趋势，并 钡 一 一 探 h 一 擎 唰成曼被廑 第二章火焰检测的光电技术原理 且有一转折点m 。工作电压加大后曲线逐渐平直。随输入光通量的改变，各曲 线间逐渐近似平行，间距相等。这种随器件端电压增大输出电流变化不大的性 质称恒流源特性。具有这种伏安特性的光电检测器件有光电管，光电倍增管和 工作于反向偏置电压状态下的光电二极管以及光电三极管等。 莲 图2 - 5 恒流源型光电检测器件伏安特性 2 ) 可变电阻型光电器件又称光敏电阻，其阻值随输入光通量改变而改变。 它的伏安特性是一组以输入光功率为参量的通过原点的直线组，在一定范围内 光敏电阻阻值不随外电压改变，仅取决于输入光通量中或光照度e ，如图2 - 6 吼 酌 图2 6 最简单的光敏电阻电路和电路图解法 a ) 光敏电阻电路b ) 图解法 3 ) 光伏型光电器件的伏安特性是一组以入射光功率为参量的曲线组，分布 在伏安坐标系的第四象限，如图2 7 示。由于器件的端电压u 和电流i 的方向 相反，对外电路形成电势，所以具有赋能元件的性质，可对负载供电。有这种伏 安特性的光电器件包括光电池和工作于光电池状态下的光电二极管等。光电池的 输出电流可改写成如下形式 i = i 。( e o u , _ 1 ) - i 。( 2 - 3 3 ) 1 4 第二章火焰检测的光电技术原理 凑 乏 图2 - 7 光伏型光电器件的伏安特性和等效电路 式中u r = k t q 4 2 6 m v ( t = 3 0 0 k ) ，i 。= s e ( s 为光电灵敏度，e 为入射光光强) 在使伏安特性倒转到第一象限的情况下，伏安特性可表示为 i = i p - i 。( e u u t _ 1 ) 或 u = u ，i n i 一( i 。+ i 。) ( 一i 。) ) ( 2 3 - 4 ) ( 2 3 5 ) 相应的等效电路表示在上图2 7b ) 中。光伏型光电器件输入电路的计算将 根据前述的表达式和相应的伏安曲线以及电路方程进行。 光伏器件输入电路常用的有三种：无偏置型、偏置型和太阳能电池电路。 见图2 8 。其中a 是光伏器件直接和负载电阻连接的电路，称作无偏置电路。 佃瓜龆槐 a ) b )c ) 图2 8 三种基本的光伏器件输入电路的型式 无偏置电路b ) 偏置电路c ) 太阳能电池电路 在图b 的电路中，负载电阻上除串联光伏器件外尚有与器件端电压相反方向的偏 置电源，组成反向偏置电路。图c 是作为能源变换器使用的太阳能电池充电电路。 通常光电池多采用上图a 和c 的电路，光电二极管多采用图b 的电路。 先介绍无偏置电路的静态计算方法。 第二章火焰检测的光电技术原理 图2 - 9 给出了无偏置光电池输入电路的等效电路( 图a ) 及其计算图解( 图 b ) 。对图a 的回路建立电路方程，有 u = i r 。( 2 - 3 - 6 ) 利用图解计算法，对给定的输入光通量中。，只要选定负载电阻r 。，工作点 ： 一 引 l d 。 艺 1 瓠 e a c f b 黩 图2 9 无偏鬣状态下光电池的输入等效电路和图解法 q 即可由负载线与光电池相应的伏安曲线的交点确定。该点处的电流电压值i 。 与u 。即为r 。上的输出值。相对巾。的光通量增量中将形成对应的电流变化 i 和电压变化u 。 由于光电池特性的非线性，负载电阻的选择会影响光电池的输出信号。图 2 1 0 为负载电阻对光电池输出电压电流和功率的影响。在图a 中，对应光通量 骑 图2 1 0 负载电阻对光电池输出电压电流和功率的影响 的增量中= 中2 一中1 ，在短路状态下( r = o ) ，输出电流增量i = i s c 2 一i s c l ， 输出电压为零。随着r l 的增大，电流逐渐变小，输出电压随之增大，直到某一 1 6 第二章火焰检测的光电技术原理 临界电阻r s 之后负载上的电压变得饱合( 见上图b ) 。另一方面，输入光通量 也影响输入电路的工作状态。由图中可以看出，对确定的负载电阻如r s ，当输 入光通量较小时负载上的输出电流和电压近似地随入射光通量成正比例增加， 而当入射光通量较大时输出电流和电压逐渐呈现饱合状态。负载电阻愈大情况 愈明显( 如图中r 2 的情况) 。 可以定量地描述负载电阻和入射光通量对电路工作状态( i 、u 、p ) 的影p i j j ： i = l - i 。( e e k 7 一1 )( 2 - 3 8 ) u = u ，i n ( i - u r l + i 。) t 。( 2 3 9 ) 和 p = i u = ( u t u r 。) i n ( i - u r l + i 。) i 。( 2 - 3 一l o ) 根据上述公式，在同一入射光通量下，负载电阻对光电池输出电压、电流、 功率的影响曲线表示在图2 1 0 的b ) 中。 由上图b ) 可见，根据选用负载电阻的数值可以把光电池的工作状态分作： 短路或线性电流放大、空载电压输出、线性电压放大和功率放大四个区域，分别 由图中i 、i i 、i i i 、表示。下面讨论前三种工作状态： 1 ) 短路或线性电流放大 这是一种电流变换状态，在这种状态下，后续电流放大级作为负载从光电 池中取得最大的输出电流。为此要求负载电阻或后续放大器输入阻抗尽可能小。 由上图a 中可看到由于r l 很小，输出电流接近于短路电流，它与入射光通量有 良好的线性关系，即 i = i 。- i 。( e 1 叭一1 ) l 。= i 。= s 中( 2 - 3 - 1 1 ) 及i=s中(2-3-12) 此外，在短路状态下器件噪声电流较低，信噪比改善，所以最适用于弱光 r i 0 0 5 0 0 4 0 0 3 0 0 2 0 0 1 0 0 u o e i s c 0 1 2 0 1 0 0 8 0 叫 茸 6 0 0 4 0 兰 2 0 1 0 0 2 0 03 0 0 a i n 2 图2 一1 1 短路电流和开路电压受光面积的变化曲线 第二章火焰检测的光电技术原理 信号的检测。 短路电流随受光面积的大小而改变，同一片光电池的短路电流或低阻负载 时的负载电流与受光面积的变化曲线表示在上图2 1 l 中，图中a 为受光面积。 本设计中红外探测器为i n g a h sp i n 光电二极管，其前极放大就采用的这 种方法。图21 2 就是采用线性电流放大电路的电路图 图2 一1 2 线性电流放大电路 光电二极管和运算放大器的两个输入端同极性相连，运算放大器两输入端 阃的输入阻抗g i n 是光电二极管的负载电阻，可表示为 z i n = r f ( a + 1 )( 2 - 3 1 3 ) 式中，a 是放大器的开环放大倍数，r f 是反馈电阻。 当a = 1 0 ，r f - - - - l o o k q 时，z i n = 1 0 q 。可以认为光电二极管是处于短路工 作状态，能取出近于理想的短路电流。处于电流放大状态的运算放大器，其输 出电压u 。与输入短路光电流成比例，并有 u o = i s c r f = r f s 中( 2 - 3 1 4 ) 即输出信号与输入光通量成正比。此外，电流放大器因输入阻抗低而响应 速度较高，并且放大器噪声较低，信噪比提高。这些优点使其广泛应用于弱光 信号的检测中。 、 2 ) 空载电压输出 这是一种非线性电压变换状态。此时光电池应通过高输入阻抗变换器与前 级放大电路连接，相当于输出开路。开路电压可写成 u o 。= ( k t q ) - i n ( i 。i i ) u ，i n ( i ，i 。) = u t i n ( s 中i 。)( 2 3 1 5 ) 第二章火焰检测的光电技术原理 上式表明开路电压与入射光通量的对数成正比。并且由于i ，与光电池面积 成正比，所以同一光电池的开路电压与光电池面积的对数成正比，如图2 1 1 所 不。 已知在给定入射光功率( 光照度e 或光通量中) 下的开路电压u 。，可以求 出另一个入射光功率( 光照度e 或光通量中) 下的开路电压u 。7 。由上式， 有 u 。= u ，i n l , - u 。i n i 。( 2 - 3 一1 6 ) 和 u 。= u ，1 n i 。一u t i n i 。7( 2 - 3 一i 7 ) 因为i 。= i 。，联立求解上二式，有 u 。= u o c - u 1 i n l 。+ u ，i n i 。7 = u 。+ u t i n ( i 。i 。)( 2 3 1 8 )