CN106768330B - 一种基于光谱的火焰检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于光谱的火焰检测装置，该火焰检测装置包括辐射感测单元和数据处理单元。辐射感测单元包括用于感测第一波长的辐射并输出第一信号的第一辐射传感器；数据处理单元包括控制模块、计算模块和判断模块，其中控制模块用于控制所述辐射感测单元以检测频率进行感测；计算模块用于计算第一信号的幅值变化率；判断模块基于第一信号的幅值变化率判断是否存在火焰。根据本发明的基于光谱的火焰检测装置，能够有效避免干扰信号的影响，具有极高响应速度、响应灵敏度和探测准确率，实现对火焰的快速准确探测。

Description

一种基于光谱的火焰检测装置

技术领域

本发明涉及火焰检测技术领域。更具体地，涉及一种基于光谱的火焰检测装置。

背景技术

火灾检测器是消防火灾自动报警***中，对现场进行探查，发现火灾的设备，用于火警报警及启动火灾抑制措施。火灾检测器是***的“感觉器官”，它的作用是监视环境中有没有火灾的发生，一旦有了火情，就将火灾的特征物理量，如温度、烟雾、气体和辐射光强等转换成电信号，并立即动作向火灾报警控制器发送报警信号。目前国内外主要火灾检测器类型有感烟火灾检测器、感温火灾检测器、气体型火灾检测器和光谱火灾检测器。感烟火灾检测器、感温火灾检测器和气体型火灾检测器由于其检测机理限制，对火灾响应时间过长，甚至由于检测参量不能够到达检测器而出现漏报现象。由于光谱火灾检测器具有响应速度快、检测距离远和环境适应性好等特点，所以目前一般都采用光谱火灾检测器进行火灾检测。

任何燃料在燃烧时，都会不同程度地向外辐射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。实际中，碳氢化合物火灾发生时所产生的明火，具有其特有的光谱特性。火源释放的能量大部分能量集中在红外波段且不同波长的红外辐射能量不同。红外段4.3-4.4微米附近出现的曲线凸起部分是被称为CO₂共鸣的CO₂原子团发光光谱，它比火焰中其它原子、分子或基团所发出的线状或带状光谱具有绝对大的辐射强度。据火焰光谱分析结果，火焰光谱以中心波长4.3-4.4微米的波峰最为明显，因其能量幅值最高，有利于提高检测器灵敏度，而且阳光在这个波段有一个较强的吸收峰，普通灯光在4.3-4.4微米波长处辐射量也非常微弱可以忽略。所以一般选择4.3-4.4微米作为检测波段有利于增强检测器的抗干扰能力，提高可靠性。

现有的火焰检测装置，大多是通过感测4.3-4.4微米波长信号作为特征波长进行火焰判断，而实际检测环境中存在的多种复杂信号，如太阳光、电弧光、红外聚光灯辐射和热辐射等同样会含有该特征波长，造成检测的不准确和高误报率。为解决该问题，发展出的双光谱火焰检测装置，通过选定另一光谱信号作为参考信号，结合特征波长信号与参考信号同时进行火焰判断。由于光谱本身幅值并不是固定值，根据是否存在多个选定光谱或各选定光谱的幅值是否达到阈值并不能有效区分火焰和干扰信号，因此其防误报效果并不理想。应用中，虽然双光谱火焰检测器结合了两个不同波长的红外辐射，但仍不能很好解决高灵敏度与防误报要求的相互制约的问题：检测器的灵敏度设置的过低，容易出现漏报现象；而检测器的灵敏度设置的过高，其干扰信号的输出幅度比例也完全可以满足其两通道火灾信号幅值比例，容易导致误报，如闪电、电焊光、环境光等影响。所以目前的双光谱火焰检测器要么灵敏度低，要么防误报性能不理想，不能满足消防火灾自动报警***对火灾检测器的要求。由于在火焰检测器的检测范围内经常存在可能的错误警报源，例如强的车灯光源等，现有的火焰检测器出现很高的误报率，对消防工作的开展带来很大不便。

因此，需要一种能够有效降低燃烧火焰检测器误报率，提高报警准确度的基于光谱的火焰检测装置。

发明内容

为了改善上述问题，本发明的目的在于提供一种火焰检测装置，能够有效降低燃烧火焰检测器误报率，提高报警准确度。

为达到目的，本发明采用下述技术方案：

一种基于光谱的火焰检测装置，该火焰检测装置包括辐射感测单元和数据处理单元，其中

辐射感测单元，包括感测第一波长的辐射并输出第一信号的第一辐射传感器，第一信号为燃烧火焰的特征波长信号。第一辐射传感器用于感测特征波长的辐射信号并将该辐射信号转化为电信号输出。辐射信号的强度与电信号的幅值线性正相关，即电信号的幅值用于反映对应辐射信号的强度。

数据处理单元，包括控制模块、计算模块和判断模块，其中

控制模块，用于控制辐射感测单元以检测频率进行感测，检测频率的确定应以满足检测需求为目的，同时与数据处理速度及检测装置反应速度相匹配。

计算模块，用于计算第一信号的幅值变化率，信号的幅值变化率为单位时间内信号幅值的变化量。计算模块进行计算时，幅值变化率可以选用相邻两次检测的幅值差与相邻两次检测的时间间隔的商来表示，也可选用任意两次检测的幅值差与相应两次检测的时间间隔的商来表示。通过计算相邻两次检测获得的计算结果具有更好的实时性和高的响应速度，通过计算不相邻两次检测获得的计算结果具有更高的准确度。但如果计算选用的时间间隔过长，会延长获得计算结果的时间，并进一步影响检测装置的时效性。

判断模块，基于第一信号的幅值变化率判断是否存在火焰。火焰燃烧时，其辐射光谱的幅值处于动态变化中。尤其地，在火焰燃烧的初期，其辐射光谱的幅值大幅增加，基于这个特点，可以根据火焰燃烧特征波长的幅值变化率进行是否存在火焰的判断。现有的检测方法中对待测物是否辐射特征波长进行火焰判断，采用现有的检测方法进行火焰判断时，若存在与感测信号波长相同或相近的干扰信号，该干扰信号将会被误判为火焰信号并进一步导致检测装置的误报。本发明的检测装置利用火焰燃烧特征波长的幅值变化率对燃烧信号和干扰信号进行区分，达到有效避免干扰信号，提高判断准确率的目的。

优选地，判断模块基于第一信号的幅值变化率与第一阈值的比较结果，判断是否存在火焰。第一阈值是对第一信号幅值变化率的数值限定，只有第一信号的幅值变化率满足比较结果，火焰判断模块才判断为火焰。通过设定第一阈值，能更加有效的排除一部分干扰信号的影响，达到更高的判断准确性。

优选地，第一波长为4.3-4.4微米。任何燃料在燃烧时，都会不同程度地向外辐射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。实际中，碳氢化合物火灾发生时所产生的明火，具有其特有的光谱特性。火源释放的能量大部分能量集中在红外波段且不同波长的红外辐射能量不同。红外段4.3-4.4微米附近出现的曲线凸起部分是被称为CO₂共鸣的CO₂原子团发光光谱，它比火焰中其它原子、分子或基团所发出的线状或带状光谱具有绝对大的辐射强度。据火焰光谱分析结果，火焰光谱以中心波长4.3-4.4微米的波峰最为明显，因其能量幅值最高，有利于提高探测器灵敏度，而且阳光在这个波段有一个较强的吸收峰，普通灯光在4.3-4.4微米波长处辐射量也非常微弱可以忽略。所以选择4.3-4.4微米作为探测波段有利于增强探测器的抗干扰能力，提高可靠性。

优选地，辐射感测单元进一步包括感测第二波长的辐射并输出第二信号的第二辐射传感器，判断模块基于第一信号的幅值变化率和第二信号，第二波长不同于第一波长，判断是否存在火焰。本发明中，第二信号作为参考信号，通过与第一信号的幅值变化率相结合对火焰进行判断。进行火焰判断时，为了排除具有与选取特征波长光谱相同幅值变化率的干扰信号的影响，进一步选取第二信号为参考信号。第二信号为火焰的另一特征波长光谱，而同时具有与第一信号相同幅值变化率和第二信号相同光谱的干扰信号可能性将大大降低。优选地，当存在第二信号时，判断模块判断存在火焰。因此，该优选的火焰检测装置能大大降低误报率。

进一步优选地，为了防止存在微弱的干扰信号对第二信号造成干扰，可以设定第二阈值，只有满足第二信号强度大于第二阈值时，判断模块判断存在第二信号，并进一步进行火焰的判断。

进一步优选地，计算模块进一步计算第二信号的幅值变化率，判断模块基于第一信号的幅值变化率和第二信号的幅值变化率判断是否存在火焰。通过计算获得第一信号的幅值变化率和第二信号的幅值变化率，只有上述两个信号的幅值变化率同时满足要求，判断模块才判断为火焰。该优选的火焰检测装置具有更为理想的检测准确度和误报率。

进一步优选地，第二波长为3.8微米。碳氢化合物火灾发生时所产生的明火，具有其特有的光谱特性。火源释放的能量大部分能量集中在红外波段且不同波长的红外辐射能量不同。除了4.3-4.4微米的光谱具有很好的可检测性外，3.8微米的光谱同样具有良好的可检测性。

优选地，辐射感测单元进一步包括感测第三波长的辐射并输出第三信号的第三辐射传感器，判断模块基于第一信号的幅值变化率和第三信号判断是否存在火焰。

进一步优选地，当存在第三信号时，判断模块判断不存在火焰。由于火焰燃烧时不存在某些特定波长范围的紫外信号，可以通过第三辐射传感器对该范围内波长的紫外信号进行探测，来排除火焰的存在。判断模块在进行判断时，优选第三信号存在性的判断具有高的优先级：若探测到存在第三信号，则本次探测结束，火焰判断模块判断不存在火焰；若探测到不存在第三信号，则继续第一信号幅值变化率的计算和火焰的判断。以这种方式，能够加快判断速度，减少运算过程，提高探测器的灵敏度。进一步地，为了防止存在微弱的干扰信号对第三信号造成干扰，可以设定第三阈值，只有满足第三信号强度大于第三阈值时，判断模块判断第三信号，并进一步进行火焰的判断。

进一步优选地，第三波长为254纳米。由于大气层对短波紫外线的吸收，使太阳辐射照射到地球表面的紫外线只有波长大于0.29微米的长波紫外线，0.29微米以下的短波速长辐射在地球表面极少观测到。因此，在火焰探测器设计中将0.29微米以下的波段作为紫外线检测区域，工作在该检测区内的紫外辐射传感器对日光辐射不响应，从而避免了日光的干扰。在燃烧辐射的紫外信号中，波长为254纳米的信号具有更好的探测特性。

本发明的有益效果如下：

本发明中基于光谱的火焰检测装置，选择一辐射传感器对环境进行特征波长的感测，根据该信号特征波长的幅值的变化率判断是否存在火焰。另外，选择另一辐射传感器对环境进行另一参考波长的感测，基于特征波长和参考波长的幅值变化率判断是否存在火焰。进一步，选择再一辐射传感器对燃烧判断时的干扰信号进行排除。根据本发明的火焰检测装置能够有效避免干扰信号的影响，具有极高响应速度、响应灵敏度和探测准确率，能够实现对火焰的有效探测。

根据本发明的火焰探测装置可广泛用于对待测环境的燃烧火焰检测，并特别适合于对煤矿发生的***和燃烧的快速检测。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1示出根据本发明实施例1的火焰检测装置的结构图。

图2示出根据本发明实施例2的火焰检测装置的结构图。

图3示出根据本发明实施例3的火焰检测装置的结构图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明，下面结合优选实施例和附图对本发明做进一步的说明。附图中相似的部件以相同的附图标记进行表示。本领域技术人员应当理解，下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。

实施例1

一种基于光谱的火焰检测装置，该火焰检测装置包括辐射感测单元和数据处理单元，其中辐射感测单元包括用于感测第一波长的辐射并输出第一信号的第一辐射传感器，第一信号为燃烧火焰的特征波长信号。第一辐射传感器用于感测特征波长的辐射信号并将该辐射信号转化为电信号输出。辐射信号的强度与电信号的幅值线性正相关，即电信号的幅值用于反映对应辐射信号的强度。数据处理单元，包括控制模块、计算模块和判断模块，其中控制模块用于控制辐射感测单元以检测频率进行感测，检测频率的确定应以满足检测需求为目的，同时与数据处理速度及检测装置反应速度相匹配。计算模块用于计算第一信号的幅值变化率，信号的幅值变化率为单位时间内信号幅值的变化量。计算模块进行计算时，幅值变化率可以选用相邻两次检测的幅值差与相邻两次检测的时间间隔的商来表示，也可选用任意两次检测的幅值差与相应两次检测的时间间隔的商来表示。通过计算相邻两次检测获得的计算结果具有更好的实时性和高的相应速度，通过计算不相邻两次检测获得的计算结果具有更高的准确度。但如果计算选用的时间间隔过长，会延长获得计算结果的时间，并进一步影响检测装置的时效性。判断模块基于第一信号的幅值变化率判断是否存在火焰。火焰燃烧时，其辐射光谱的幅值处于动态变化中。尤其地，在火焰燃烧的初期，其辐射光谱的幅值大幅增加，基于这个特点，可以根据对火焰燃烧特征波长的幅值变化率进行是否存在火焰的判断。现有的检测方法中对待测物是否辐射特征波长进行火焰判断，采用现有的检测方法进行火焰判断时，若存在与感测信号波长相同的干扰信号，该干扰信号将会被误判为火焰信号并进一步导致检测装置的误报。干扰信号一般为固定幅值强度或幅值强度变化不大的信号，本发明的检测装置能有效对燃烧信号和干扰信号进行区分，达到有效避免干扰信号，提高判断准确率的目的。

本实施例的基于光谱的火焰检测装置中，选用第一波长为4.3-4.4微米，用于对碳氢化合物火灾发生时所产生的明火的检测。

本实施例的基于光谱的火焰检测装置进行火焰判断时，判断模块基于第一信号的幅值变化率与第一阈值的比较结果，判断是否存在火焰。第一阈值是对第一信号幅值变化率的数值限定，只有第一信号的幅值变化率满足比较结果，火焰判断模块才判断为火焰。通过设定第一阈值，能更加有效的排除一部分干扰信号的影响，达到更高的判断准确性。进一步，若第一信号的幅值变化率大于设定的第一阈值，则判断模块判断为火焰。第一阈值的大小可根据实际探测需要进行调整。一种可能的调整方式为：为了降低误报率而增大相应阈值，或者为了提高灵敏度而降低相应阈值，以获得最理想的探测结果。

通过对特征波长幅值变化率的判断，可以将火焰判断响应速度控制在1秒内，甚至500毫秒内。本发明的基于光谱的火焰检测装置，具有极高响应速度、响应灵敏度和准确率。将根据本发明的基于光谱的火焰检测装置与抑燃装置连接，可及早触发抑燃装置，控制火焰燃烧的范围和强度，减小燃烧带来的危害和损失。

该实施例的火焰探测装置对太阳光、车灯光、热风机、红外聚光灯和电弧光的测试均未出现误报。

实施例2

图2示出根据实施例2的一种基于光谱的火焰检测装置，与实施例1的不同之处在于，辐射感测单元进一步包括感测第二波长的辐射并输出第二信号的第二辐射传感器，判断模块基于第一信号的幅值变化率和第二信号，第二波长不同于第一波长，判断是否存在火焰。本发明中，第二信号作为参考信号，通过与第一信号的幅值变化率相结合对火焰进行判断。进行火焰判断时，为了排除具有与选取特征波长光谱相同幅值变化率的干扰信号的影响，进一步选取第二信号为参考信号。第二信号为火焰的另一特征波长光谱，而同时具有与第一信号相同幅值变化率和第二信号相同光谱的干扰信号可能性将大大降低，因此，本发明中基于光谱的火焰检测装置能大大降低误报率。

本实施例中，第二波长为3.8微米。碳氢化合物火灾发生时所产生的明火，具有其特有的光谱特性。火源释放的能量大部分能量集中在红外波段且不同波长的红外辐射能量不同。除了4.3-4.4微米的光谱具有很好的可检测性外，3.8微米的光谱同样具有良好的可检测性。

本实施例中基于光谱的火焰检测装置进行火焰判断时，当存在第二信号时，判断模块判断存在火焰。进一步地，为了防止存在微弱的干扰信号对第二信号造成干扰，可以设定第二阈值，只有满足第二信号强度大于第二阈值时，判断模块判断存在第二信号，并进一步进行火焰的判断。

本实施例另一种优选的判断方式为：计算模块进一步计算第二信号的幅值变化率，判断模块基于第一信号的幅值变化率和第二信号的幅值变化率判断是否存在火焰。通过计算获得第一信号的幅值变化率和第二信号的幅值变化率，优选上述两个信号的幅值变化率同时满足要求，判断模块才判断为火焰。第一和第二信号的幅值变化率都满足要求时，够排除绝大部分干扰信号的影响，使得本发明中基于光谱的火焰检测装置对发生在检测环境的***和燃烧具有极高的检测准确度和极低的误报率。

实施例3

图3示出一种根据实施例3的基于光谱的火焰检测装置，与实施例1的不同之处在于，辐射感测单元进一步包括感测第三波长的辐射并输出第三信号的第三辐射传感器，判断模块基于第一信号的幅值变化率和第三信号判断是否存在火焰。

本实施例中基于光谱的火焰检测装置进行判断时，当存在第三信号时，判断模块判断不存在火焰。由于火焰燃烧时不存在紫外信号，可以通过第三辐射传感器对紫外信号进行探测，来排除待测环境发生燃烧。判断模块在进行判断时，首先进行第三信号存在性的判断：若探测到存在第三信号，则本次探测结束，火焰判断模块判断不存在火焰；若探测到不存在第三信号，则继续第一信号幅值变化率的计算和火焰的判断。优先对第三信号进行判断，进行排除后进行判断，能够加快判断速度，减少运算过程，提高探测器的灵敏度。进一步地，为了防止存在微弱的干扰信号对第三信号造成干扰，可以设定第三阈值，只有满足第三信号强度大于第三阈值时，判断模块判断第三信号，并进一步进行火焰的判断。

本实施例中第三波长为254纳米。由于大气层对短波紫外线的吸收，使太阳辐射照射到地球表面的紫外线只有波长大于0.29微米的长波紫外线，0.29微米以下的短波速长辐射在地球表面极少观测到。因此，在火焰探测器设计中将0.29微米以下的波段作为紫外线检测区域，工作在该检测区内的紫外辐射传感器对日光辐射不响应，从而避免了日光的干扰。在燃烧辐射的紫外信号中，波长为254纳米的信号具有更好的探测特性。

实施例2可以与实施例3结合使用。

通过对上述实施例进行测试，本发明中基于光谱的火焰检测装置对以下干扰信号具有极强的免疫能力：

1、直射或反射的太阳光；

2、距离200米处功率为100瓦的车前大光灯；

3、距离300米处步枪射击火光；

4、距离400米处功率为500瓦的热风机的热辐射；

5、距离500米处功率为200瓦的红外聚光灯辐射；

6、距离500米处电流强度为200安的电弧光。

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定，对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (8)

1.一种基于光谱的火焰检测装置，其特征在于，所述火焰检测装置包括

辐射感测单元，包括感测第一波长的辐射并输出第一信号的第一辐射传感器，所述第一波长为4.3-4.4微米；

数据处理单元，包括

控制模块，用于控制所述辐射感测单元以检测频率进行感测；

计算模块，用于计算第一信号的幅值变化率；和

判断模块，基于第一信号的幅值变化率判断是否存在火焰，具体的，判断模块基于第一信号的幅值变化率与第一阈值的比较结果，判断是否存在火焰。

2.根据权利要求1所述的火焰检测装置，其特征在于，所述辐射感测单元进一步包括感测第二波长的辐射并输出第二信号的第二辐射传感器，所述判断模块基于所述第一信号的幅值变化率和第二信号，所述第二波长不同于所述第一波长，判断是否存在火焰。

3.根据权利要求2所述的火焰检测装置，其特征在于，当存在第二信号时，所述判断模块判断存在火焰。

4.根据权利要求3所述的火焰检测装置，其特征在于，所述计算模块进一步计算第二信号的幅值变化率，所述判断模块基于所述第一信号的幅值变化率和第二信号的幅值变化率判断是否存在火焰。

5.根据权利要求2所述的火焰检测装置，其特征在于，所述第二波长为3.8微米。

6.根据权利要求1所述的火焰检测装置，其特征在于，所述辐射感测单元进一步包括感测第三波长的辐射并输出第三信号的第三辐射传感器，所述判断模块基于所述第一信号的幅值变化率和第三信号判断是否存在火焰。

7.根据权利要求6所述的火焰检测装置，其特征在于，当存在第三信号时，所述判断模块判断不存在火焰。

8.根据权利要求7所述的火焰检测装置，其特征在于，所述第三波长为254纳米。