火焰探测器教学课件

1、火焰探测器,一、火焰光谱,2/63,光谱分布,燃烧产生的电磁波主要有红外波段的热辐射、可见光波段的光辐射、紫外波段辐射,3/63,火焰光谱,不同物质燃烧火焰的辐射光谱各不相同,4.35mm,火焰辐射包括从紫外光到红外光的辐射，红外波段辐射能量明显强于紫外波段，故火焰有灼热感,二氧化碳共鸣,碳氢化合物燃烧辐射光谱分布,4/63,火焰探测器,通过感应火焰辐射的电磁波，将辐射能量转换为电流或电压信号而探测火灾的探测器,宽带红外火焰探测器,早期的紫外火焰探测器,紫外光敏管火灾探测器,新一代红外火焰探测器,图像感焰探测器,20世纪60年代,20世纪60年代末,20世纪70年代初,20世纪80年代,分辨火

2、焰闪烁频率,火工品的监视,可用于室外环境,应用新的窄带滤波器,紫外及复合火焰探测器,红外特征 火焰图像特征,5/63,光敏传感器,光敏传感器：能对光信号的变化作出有效反应，并将光信号转变为电信号的器件 探测火焰的光敏器件主要有： 光电效应传感器 红外热释电传感器 CCD图像传感器 MOS图像传感器,利用光敏材料的光电效应制成的光敏器件,利用传感器吸收红外光变为热能使材料升温，材料电学性质发生变化,利用CCD光电转换和电荷转移功能,利用光敏二极管和MOS晶体管使光信号变为电荷或电流信号,6/63,二、光电效应及光电效应传感器,7/63,光电效应传感器,为了避免可见光的干扰，火焰探测器主要响应火焰

3、中的紫外波段和红外波段,紫外火焰探测器,红外火焰探测器,响应波长低于400nm的辐射能通量,响应波长高于700nm的辐射能通量,外光电效应,内光电效应,光电效应传感器,8/63,光电效应,外光电效应：在光线的作用下，物体内的电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应。发射出的电子称为光电子。主要有光电管、光电倍增管等 内光电效应：当光线照射在物体上，使物体的电导率发生变化或产生光生电动势的效应,9/63,外光电效应,光子能量E=hn, h为普朗克常数， n为光的频率 若入射光子的能量大于金属的逸出功A0，则电子逸出物体表面，产生光电子发射,爱因斯坦光电效应方程,m为电子质量，9.1*10-3

4、1kg,使得物体表面电子逸出的最小光子能量对应的光频率，称为红限频率,10/63,外光电效应,外光电效应的特点： 电子能否逸出，取决于入射光子的能量是否大于该物体的表面电子逸出功。光线频率低于红限频率，光强再大，也不足以使物体内电子逸出产生光电子发射；反之，入射光频率大于红限频率，即使光线微弱，也有光电子射出 紫外线能使大多数金属产生光电发射。大多数金属的逸出功在3eV以上，可见光光子能量1.853.1eV之间，紫外光光子能量3.16.2eV之间 入射光波长越短，电子逸出后动能越大，其动能与光的强度无关,11/63,外光电效应,外光电效应的特点： 入射光频率不变，产生的光电流与光强成正比 j照

5、射光单位面积上的辐射通量 外光电效应器件即使不加阳极电压，也会有光电流产生，因为光电子逸出具有初始动能。（如何使其光电流为零？）,12/63,紫外光敏管,1.光电管及其特性 有真空光电管和充气光电管两种,光电管的结构,13/63,紫外光敏管,1.光电管及其特性 光电管的伏安特性：入射光频率及光通量一定时，阳极电流与阳极电压之间的关系,14/63,紫外光敏管,1.光电管及其特性 光电管的光谱特性：不同的物质有不同的红限频率；强度相等的光，若频率不同，但都高于红限频率，产生的阴极光电子数量也会不同，即同一光电管对不同频率的光灵敏度不同,15/63,紫外光敏管,2.光电倍增管及基本特性,光阴极 次阴

6、极（倍增电极） 阳极,组成,阴极发射电子,次级电极发射次级电子,阳极收集电子产生光电流,输出电压脉冲,工作原理,16/63,紫外光敏管,2.光电倍增管及基本特性 倍增系数：等于各个倍增电极的二次发射电子数的乘积，与所加电压有关。电压波动则倍增系数也波动，因此电压越稳定越好 不能受强光直接照射,17/63,紫外火焰传感器,紫外火焰探测器的响应波段,280nm以下的全部被臭氧吸收 280-320nm部分被吸收 320nm以上的紫外线小部分被吸收,紫外光敏管能对火焰作出响应，但不会对太阳光作出响应：日盲特性,18/63,紫外火焰传感器,紫外火焰探测器,由于玻璃窗口的透光限制，小于185nm的紫外线被

7、阻挡，因此一般响应185-245nm、185-260nm,19/63,紫外火焰传感器,充气的紫外光敏管阴极被紫外线照射光电子飞向阳极，使气体发生电离，形成雪崩放电，光电管内阻变小使电子开关导通，电容C通过紫外管、R1和电子开关放电，C上电压降到紫外管着火电压以下时，光敏管截止，电子开关断开，电源又对C充电，达到着火电压后，光电管放电，内阻减小，电子开关再次导通，重复上述过程。每重复一次电子开关输出一个脉冲，形成脉冲序列。当C、R1一定时，光照越强，脉冲的频率越高。通过测量脉冲频率可以测得紫外光强度，超过一定频率时，发出火灾报警信号,20/63,内光电效应,光电导效应：在光线作用下，半导体材料电

8、子吸收光子能量从键合状态过渡到自由状态，引起材料电阻率发生改变，如光敏电阻、光导管 光生伏特效应：在光线作用下，半导体材料产生一定方向的电动势，如光电池、光敏晶体管,21/63,光电导效应,价电子被激发跃迁，入射光的能量必须大于克服跃迁所需能量禁带宽度Eg，即价电子的能量与跃迁后的自由电子能量之差,对于某种光电导材料，总存在一个照射光波长限，波长小于该限值的光才能使电子发生跃迁，从而使光电导体的电导率增加,22/63,光电导效应,光敏电阻 绝缘底板、半导体薄膜、电极三部分,半导体薄膜是为了使光敏层最敏感的波长范围内的光透射率最大，从而防止周围介质的影响,在光敏电阻两端的金属电极加上电压，其中便

9、有电流通过，受到一定波长的光线照射时，电流就会随光强的增大而变大，从而实现光电转换。,光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，使用时既可加直流电压，也加交流电压。,23/63,光电导效应,光敏电阻的几个主要参数 暗电阻、暗电流：光敏电阻在不受光照射时的阻值称为暗电阻，此时流过的电流为暗电流 亮电阻、亮电流：光敏电阻受光照射时的电阻及此时流过的电流 光电流：亮电流与暗电流之差。 暗电阻越大，亮电阻越小，则光电流越大，灵敏度越高,24/63,光电导效应,光敏电阻的伏安特性：,光照一定时，阻值与电压无关，光电流随外加电压线性增大，且没有饱和现象,25/63,光电导效应,光敏电阻的光谱特性,对不同波长的

10、入射光的相对灵敏度不同，存在峰值波长,26/63,光生伏特效应,光生伏特效应有两种：势垒效应、侧向光电效应,势垒效应,接触的半导体和PN结中，光线照射其接触区域时，使价带中的电子跃迁到导带，产生的电子空穴对在内电场的作用下，分别向半导体和PN结的两端移动，从而一端带正电，一端带负电，形成光电动势,侧向光电效应,半导体光电器件受光照不均时，光照强的部分吸收光子能量多，电子空穴对多，光照弱(或未受光照)的部分电子空穴对少，出现载流子浓度梯度，因而载流子发生扩散。若电子迁移率大，则光照弱(或未受光照)的部分带负电，光照强的部分带正电，产生光电动势,27/63,光生伏特效应,光电池,28/63,光生伏

11、特效应,光电池的光谱特性,硒电池适用于可见光，常用于照度计测定光的强度,硅电池适用于近红外光，可用于火灾探测,29/63,二、红外火焰探测器 1.火焰光谱分布 2.背景辐射特征 3.路径的衰减特性 4.红外火焰探测器,30/63,1.火焰的特征,火焰光谱能量分布,1.火焰光谱分布,31/63,1.火焰的特征,太阳辐射在经过大气层时，2.7mm波长的辐射几乎完全被水蒸气和CO2吸收，4.3mm的辐射全部被CO2吸收，因此可以使用滤光片，使4.3mm附近的红外光通过来获取火灾信息 基于这种思想，研制成PbS火灾探测器，工作波长为2.7mm，灵敏度也较高。但是易受干扰源影响，比如8Hz的频率对日光或

12、白炽灯光进行调制就会使探测器误报，而且容易受温度影响,32/63,2.背景红外辐射,背景红外辐射：主要来自太阳辐射、其他自然光源和高强度的人工辐射光源的辐射,在地球上看到的太阳光谱受大气吸收。在小于280nm波长上，实际上阳光辐射完全被上层大气的臭氧吸收。在2.7mm波长上，由于水蒸气和CO2的作用，阳光辐射也被完全吸收。4.35mm波长附近的辐射被CO2完全吸收,1.太阳红外辐射,地面上的太阳光谱,在离开太阳光谱强吸收带的谱带上，直射的阳光辐射照度在数值上大约比一个20m远0.1m2规模的汽油火的辐射照度大两个数量级,33/63,2.背景红外辐射,间接的阳光辐射，即被周围环境反射的辐射，经常

13、在被保护区域内产生，处理起来很困难，特别是部分表面的红外反射约占背景辐射的10%70%范围内,1.太阳红外辐射,34/63,2.背景红外辐射,2.背景红外辐射调制作用,太阳是一稳定的辐射源，但大气的不均匀性会引起闪烁，若闪烁频率处于探测器响应闪烁频率通频带内，则会对探测器接收的辐射产生调制作用 直接或间接经反射的太阳辐射的调制作用，也可能由于云雾遮挡、风吹树叶及水面热浪、机器转动引起,35/63,2.背景红外辐射,3.人工红外辐射光源,与太阳辐射源相比，人工光源的辐射容易预防。第一，人工光源的总辐射能量，通常是小于阳光辐射的能量。第二，人工光源的特性通常是较容易预测,36/63,3.路径的衰减

14、特性,衰减主要来自大气衰减、气溶胶粒子衰减和探测器窗口的衰减,大气衰减,37/63,3.路径的衰减特性,气溶胶粒子的衰减,气溶胶粒子的辐射衰减取决于辐射波长和气溶胶粒子尺度。通常可以说，如果粒子尺度比波长大得多，则衰减将是一个恒定值,38/63,3.路径的衰减特性,探测器窗口的衰减,39/63,4.红外火焰探测器,传感元件,探测器的探测率随波长的变化,探测率随波长的增大会迅速地下降,较短波长的探测器成本较低，波长大于4mm的探测器成本相当高,PbS火灾探测器，工作波长为2.7mm，灵敏度也较高。但是易受干扰源影响，比如8Hz的频率对日光或白炽灯光进行调制就会使探测器误报，而且容易受温度影响,钽

15、酸锂热电传感器做敏感元件，工作波长0.2100mm，且灵敏度几乎与温度无关，红外探测器工作在4.4mm上，受阳光和灯光影响比PbS小2个数量级,40/63,4.红外火焰探测器,窗口材料 要求：透过选择的波段，在其他波段对辐射的吸收越高越好,玻璃：波长达到2.7mm，透射率下降到20%，4.5mm上降到零值,熔融石英：待选波长超过2.7mm时可以选用。超过4mm时的透射率可大于50%,半导体、碱金属化合物、蓝宝石金刚石：待选波长4mm时可选用,锗：较短的波长范围截止；蓝宝石：衰减热体辐射；干涉滤光片：限制4.1-4.7外的辐射,塑料：近红外波长，但是可能会存在强的分子吸收带,41/63,4.红外

16、火焰探测器,单通道红外火焰探测器,42/63,4.红外火焰探测器,单通道红外火焰探测器工作原理,窗口2带通滤光片：选用锗、硅或蓝宝石,？,窗口3透射1.5mm以上辐射,窗口4透射部分波长(4.38-4.54、4.46-4.65)的辐射并阻挡规定谱带外的辐射,窗口5宽带滤光片：可用蓝宝石，防止滤光片4受热向7热传输和再辐射,窗口6：透红外辐射的宽带窗口（锗、硅或蓝宝石）,43/63,4.红外火焰探测器,双通道红外火焰探测器工作原理,通道A：4.14.7mm，火焰探测通道，主通道，用于探测碳氢化合物火灾 通道B：56mm，监视通道，辅助通道，用于监视非火灾的热体(200度、700度等)辐射、太阳辐

17、射（日光）,44/63,4.红外火焰探测器,双通道红外火焰探测器工作原理,有火焰时，通道A的信号幅值大于通道B的信号幅值，发出火灾报警信号 如果通道B的信号幅值较大，则说明存在外部干扰辐射，不报警,45/63,4.红外火焰探测器,三波段火焰探测器 三通道红外火焰探测器(瑞士西伯乐斯公司)：热电感应探测器1：用于4.04.8mm的火焰探测通道；热电感应探测器2：5.16mm的干扰源红外辐射；硅光电二极管：0.71.1mm的阳光辐射 双红外加紫外波段、双红外加可见光波段：除了探测4.04.8mm的燃烧火焰辐射外，克服干扰信号的影响,46/63,三、红外热释电传感器,47/63,红外热释电传感器,传

18、感器吸收红外光后变为热能，使材料的温度升高，电学性质发生变化 响应波段为近红外和中红外波段，而火焰在4.35mm处有峰值，故将4.0-4.8的红外热释电传感器用于火灾探测，制成红外火焰探测器，而将7-15mm用于红外防盗 单元探测器、热释电摄像管、热释电阵列器件,48/63,红外热释电传感器,工作原理 自发极化 一般在极性分子晶体中，正负电荷中心偏离，形成分子电矩。在外加电场作用下，分子电矩有序排列，形成极化。 大多数电介质极化现象在外加电场撤去后即消失，而有些电介质，在去除外加电场后，极化状态不消失，即称为自发极化 温度升高，自发极化强度降低,49/63,红外热释电传感器,由于自发极化引起两

19、个表面出现束缚电荷，一面为正，另一面为负。由于晶体中存在自由电荷，晶体表面又存在吸附空气中符号相反的自由电荷，这些自由电荷与束缚电荷中和结果，使晶体各处保持电中性,因此在静态条件下不能测量自发极化，因而在稳定状态下，输出信号为零。当受到红外辐射后，其内部温度便会升高，介质内部的极化状态随之降低，表面电荷浓度也降低，这就相当释放了一部分电荷，这种现象称为电介质的热释电效应。,50/63,四、红外图像传感器,51/63,红外图像传感器,“耳听为虚，眼见为实”：用可视化火灾探测器解决，利用图像传感器的光-电转换功能，将感光面上的火灾光学图像转换为相应的一维时序电信号“图象”，把电信号“图象”传送到信

20、息处理主机，信息处理主机再结合各种火灾判据对电信号“图象”进行图象处理，最后得出有无火灾的结果，若有火灾发出报警信号 常用的图像传感器有光导摄像管和固态图像传感器,52/63,红外图像传感器,固态图像传感器由光敏元件阵列和电荷转移器件集合而成，它利用光敏元件的光电转换功能，将投射到光敏元件上的光学图像转换成电信号“图像”，即将光强的空间分布转换为与光强成比例的、大小不等的电荷包空间分布，然后利用移位寄存器的功能将这些电荷包在时钟脉冲控制下实现读取与输出，形成一系列幅值不等的一维时序脉冲序列，从而实现将光图象转换为电信号“图象”。,53/63,红外图像传感器,红外CCD图像传感器的探测基础：利用火灾过程中的烟雾、火焰和热量等火灾参量发射出的红外线，用红外摄像机进行摄取，获得烟雾图像、火焰图像和热像，对这些图像进行处理、识别，用于火灾报警 目前红外摄像系统分为两种：主动红外摄像系统（发射测量信号到被测对象再接收反射信号）与被动红外摄像系统（无需发射信号，直接探测对象本身发射的红外信号）,54/63,五、双波段图像火焰探测器,55/63,双波段图像火焰探测器,火灾产生高温烟气，放出红外辐射，因此可以利用烟气的红外辐射进行探测，但是由于单纯依靠红外辐射探测