非色散紅外CO2飛機(jī)火警探測(cè)器的設(shè)計(jì)摘要在現(xiàn)代生活中，人們出行的方式變得多樣化。伴隨著生活速度的提升，飛機(jī)由于其速度被越來越越多人所使用的。由于一些非人為因素的影響，飛機(jī)發(fā)生災(zāi)害的可能性也大大提高，尤其是火災(zāi)問題。因此，人們需要使用火警探測(cè)器來對(duì)火災(zāi)進(jìn)行報(bào)警。非色散紅外CO2火警探測(cè)器采用非色散技術(shù)來進(jìn)行火警的探測(cè)與報(bào)警，和傳統(tǒng)探測(cè)器相比誤報(bào)率會(huì)極大的降低。關(guān)鍵詞飛機(jī)火災(zāi)；非色散技術(shù)；火警探測(cè)器Designofnon-dispersiveinfraredCO2aircraftfiredetectorAbstractInmodernlife,thewaypeopletravelhasbecomemorediverse.Withtheincreaseinthespeedoflife,theaircraftisbeingusedbymoreandmorepeoplebecauseofitsspeed.Duetosomenon-humanfactors,thepossibilityofaircraftdisastershasalsoincreasedgreatly,especiallythefireproblem.Therefore,peopleneedtousefiredetectorstoreportfires.NondispersiveinfraredCO2firedetectorsusenondispersivetechnologyforfiredetectionandalarm,comparedtotraditionaldetectors,thefalsealarmratewillbegreatlyreduced.KeywordAircraftfire;Nondispersion;technology;Firedetector目錄1緒論 緒論1.1研究的背景、目的及其意義在當(dāng)今社會(huì)，由于現(xiàn)代技術(shù)的迅速進(jìn)步，人們的旅行也變得越來越多樣化。在眾多交通工具中，飛機(jī)由于它的便捷快速，無疑變成大眾的首選出行工具。飛機(jī)由于與其他交通工具運(yùn)作方式的不同，雖然出現(xiàn)事故的概率小，但如果一旦出現(xiàn)事故，機(jī)毀人亡的概率很大。因此相關(guān)工作人員一直在對(duì)飛機(jī)的結(jié)構(gòu)、材料以及飛行儀器在進(jìn)行不斷的升級(jí)與改進(jìn)，同時(shí)對(duì)飛機(jī)駕駛員的要求也在不斷的提高。但是，為了保護(hù)飛機(jī)的飛行安全，其中一個(gè)問題也不容忽視，就是飛機(jī)上的火災(zāi)問題。相對(duì)于其他交通工具而言，飛機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且飛行環(huán)境實(shí)在高空，一旦出現(xiàn)火災(zāi)，人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)的損失是不可避免的。相比于其他，乘客的自救難度大，且飛機(jī)的空間狹小，不利于移動(dòng)。若是在空中出現(xiàn)這種情況，可能會(huì)對(duì)飛機(jī)的雷達(dá)系統(tǒng)造成影響，從而進(jìn)一步影響到地面人員對(duì)飛機(jī)位置及火情的了解，使機(jī)毀人亡的可能性大大增加。綜上所說，飛機(jī)的人員密集，空間較為狹小，飛行環(huán)境與其他交通工具不同一旦發(fā)生火災(zāi)，如果不能及時(shí)獲得其異常情況，隨著時(shí)間增長(zhǎng)，火勢(shì)只會(huì)越來越大，等到這個(gè)情況發(fā)生，在進(jìn)行相關(guān)的滅火措施也于事無補(bǔ)，所以對(duì)于火災(zāi)的探測(cè)就顯得尤為重要，這樣利于機(jī)組人員和乘客及時(shí)作出反應(yīng)，將損失降低下去。傳統(tǒng)的火警探測(cè)系統(tǒng)是針對(duì)火災(zāi)所產(chǎn)生火焰的某一特性（如所產(chǎn)生的的煙霧的濃度，飛機(jī)內(nèi)部周圍的溫度等），對(duì)其探測(cè)所用的傳感器的結(jié)構(gòu)不使用多么復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或者對(duì)其設(shè)置一個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)值，以這個(gè)作為依據(jù)來判斷是否發(fā)生火災(zāi)。就拿飛機(jī)上常用的煙霧火警探測(cè)器來說，雖然這一設(shè)置對(duì)探測(cè)火情沒有出現(xiàn)過失誤，但是假警報(bào)出現(xiàn)的幾率卻很高。假警報(bào)的出現(xiàn)會(huì)給飛機(jī)帶來不可必要的損失，也可能帶來其他的安全隱患問題。然而假警報(bào)的出現(xiàn)時(shí)具有偶然性的，是人們不可預(yù)知的。同時(shí)，為了快速的控制火勢(shì)蔓延，火災(zāi)探測(cè)器必需在火災(zāi)發(fā)生的初始階段內(nèi)迅速發(fā)出警報(bào)，這樣才能讓機(jī)組人員在有限的時(shí)間內(nèi)將隱患消除。因此，我們需要一種高靈敏度，低誤報(bào)率的火警探測(cè)器來代替現(xiàn)有的火警探測(cè)器。1.2火災(zāi)的特點(diǎn)及其探測(cè)技術(shù)的發(fā)展1.2.1火災(zāi)的特點(diǎn)火災(zāi)是一種災(zāi)難性的研究現(xiàn)象。在各種災(zāi)害中是最經(jīng)常、最普遍地影響公共安全和社會(huì)發(fā)展的主要災(zāi)害之一。產(chǎn)生火災(zāi)，就要有燃燒，燃燒的三要素是：可燃物、助燃物、點(diǎn)火源?？扇嘉锉匦栌幸欢ǖ某跏寄芰?，達(dá)到一定的溫度和濃度，以產(chǎn)生足夠快的反應(yīng)速度并著火。大多數(shù)均勻可燃?xì)怏w的燃燒是鏈?zhǔn)椒磻?yīng)，其中活性代謝物的濃度起主要作用。如果鏈產(chǎn)生速度超過鏈中止速度，則活性中間物的濃度將持續(xù)增加，并且在累計(jì)一段時(shí)間（誘導(dǎo)期）之后，它將自動(dòng)著火或爆炸。除了可燃混合物的特性之外，起火溫度還與周圍環(huán)境的溫度、壓力、反應(yīng)容器的形狀和尺寸等有關(guān)。當(dāng)氧化釋放的熱量超過系統(tǒng)散失的熱量時(shí)，燃料就會(huì)快速升溫而著火。這種與流動(dòng)和傳熱密切相關(guān)的著火稱為熱力著火，這是燃燒設(shè)備中大多數(shù)燃料所經(jīng)歷的著火過程。在燃料的活動(dòng)強(qiáng)，燃燒系統(tǒng)中的高壓和較少的熱散耗的情況下，燃料的熱著火溫度將變低。在一定壓力下，可燃物有著火濃度的上限和下限，超出此范圍，無論溫度多高都不會(huì)著火。在大氣壓力下,某些空氣中某些可燃?xì)怏w的著火性能如表1-1所示。表1-1可燃?xì)怏w在空氣中的著火性能名稱著火溫度（℃）著火濃度范圍（%）低限高限氫530-5904.075.0一氧化碳610-6584.312.5甲烷645-8505.315.0乙烷530-59443.012.5硫化氫290-4874.345.0氨65115.526.61.2.2火災(zāi)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展火災(zāi)探測(cè)技術(shù)的出現(xiàn)其本身是不會(huì)影響火災(zāi)的發(fā)展方向，但它可以將火災(zāi)發(fā)生的跡象告知相關(guān)人員，以便人們快速的做出反應(yīng)。在火災(zāi)發(fā)展的早期階段，準(zhǔn)確發(fā)現(xiàn)火災(zāi)和及時(shí)報(bào)警對(duì)于組織人員疏散以及控制火勢(shì)蔓延具有重要意義?；馂?zāi)探測(cè)器已經(jīng)發(fā)展了近100年，從19世紀(jì)40年代到20世紀(jì)40年代，感溫探測(cè)器一直處于主導(dǎo)地位，其探測(cè)器期間也有了進(jìn)一步的發(fā)展，出現(xiàn)了定溫探測(cè)器、差溫探測(cè)器等一系列探測(cè)器。直至20世紀(jì)50年代到70年代，出現(xiàn)了感煙火災(zāi)探測(cè)器。到80年代，由于單片機(jī)技術(shù)的普及，總線制火災(zāi)探測(cè)器應(yīng)運(yùn)而生。在到90年代，人們對(duì)火災(zāi)的了解越來越深入，與此同時(shí)，隨著計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)的快速發(fā)展，火災(zāi)探測(cè)器的改進(jìn)也到了智能化階段，出現(xiàn)火災(zāi)智能報(bào)警系統(tǒng)，火災(zāi)的探測(cè)也越趨于準(zhǔn)確。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，火災(zāi)探測(cè)技術(shù)也在不斷發(fā)展。在火災(zāi)探測(cè)技術(shù)的發(fā)展史上，它是朝著兩個(gè)方向發(fā)展的，一個(gè)是縱向發(fā)展，根據(jù)火災(zāi)的識(shí)別與判據(jù)來發(fā)展新的探測(cè)器。另一個(gè)是橫向開發(fā)，在現(xiàn)有探測(cè)器的基礎(chǔ)上開發(fā)新的信息采集和處理方法，以改進(jìn)探測(cè)器系統(tǒng)。研發(fā)或改進(jìn)出新的探測(cè)器，其最終目的都是為了能夠快速準(zhǔn)確的對(duì)火災(zāi)進(jìn)行探測(cè)，并及時(shí)發(fā)出警報(bào)，同時(shí)將周圍的干擾降到非常低的值，甚至為零，雖然這個(gè)目標(biāo)極難實(shí)現(xiàn)，但我們不能否認(rèn)火災(zāi)探測(cè)技術(shù)正在快速發(fā)展，越來越趨于系統(tǒng)化、開放化和模塊化，在生活和生產(chǎn)中發(fā)揮著重要作用。在一些領(lǐng)域也得到了廣泛的應(yīng)用，比如航空業(yè)，一些新型的探測(cè)器運(yùn)用到飛機(jī)中，這也是飛機(jī)火警探測(cè)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，必將成為未來發(fā)展的重點(diǎn)。2火警探測(cè)器總體設(shè)計(jì)方案2.1火警探測(cè)器的選擇在火災(zāi)發(fā)生過程中，會(huì)發(fā)生一系列的物理、化學(xué)反應(yīng)，這些都會(huì)造成人員的傷亡和財(cái)產(chǎn)的損失，因此需要使用火警探測(cè)器來減少火災(zāi)所造成的一系列損失。火警探測(cè)器就是利用火災(zāi)中所產(chǎn)生的煙霧、溫度等一系列參量來報(bào)警的，目前采用這些參量的探測(cè)器都有用了其所對(duì)應(yīng)的產(chǎn)品，如感煙式探測(cè)器、感溫式探測(cè)器、氣體式探測(cè)器等。=1\*GB2⑴感煙式火警探測(cè)器感煙式火警探測(cè)器是通過檢測(cè)周圍環(huán)境中的煙霧濃度來實(shí)現(xiàn)對(duì)火災(zāi)的報(bào)警。在火災(zāi)的早期階段，有一個(gè)陰燃階段，在此階段下，會(huì)產(chǎn)生大量的煙；隨著煙霧顆粒的持續(xù)增長(zhǎng)，內(nèi)部傳感器也進(jìn)行相應(yīng)的物理變化，這些物理變化被處理成電信號(hào)，以供檢測(cè)器識(shí)別。在本文中選擇用于比較的探測(cè)器是光電感煙式火警探測(cè)器光電感煙式火警探測(cè)器如圖2-1所示，它以煙霧集散室為核心，探測(cè)器內(nèi)部主要組成部件有光電管、信標(biāo)燈、試驗(yàn)燈。光電管與信標(biāo)燈之間的夾角為90°，在沒有發(fā)生火災(zāi)的情況下，信標(biāo)燈發(fā)出的光線是無法達(dá)到光電管上的。只有當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，周圍環(huán)境中的煙霧進(jìn)入到煙霧集散室中，信標(biāo)燈發(fā)出的燈光經(jīng)過煙霧后，發(fā)生散射，從而使得燈光能夠照射到光電管上；光電管在光的作用下產(chǎn)生電流，進(jìn)入到煙霧室中的煙霧越多，光電管產(chǎn)生的電流也越來越大，當(dāng)電流的大小達(dá)到探測(cè)器的警戒值時(shí)，探測(cè)器就會(huì)發(fā)出相應(yīng)的告警信號(hào)，提醒機(jī)組人員及時(shí)作出反應(yīng)。圖2-1光電感煙式探測(cè)器光電感煙式火警探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是內(nèi)部有光學(xué)迷宮，對(duì)煙霧粒子的感應(yīng)較為靈敏，工作效能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特。缺點(diǎn)有以下幾個(gè)=1\*GB3①如果飛機(jī)在起飛和著陸階段時(shí)發(fā)生晃動(dòng)，機(jī)內(nèi)的一些雜質(zhì)會(huì)進(jìn)入到探測(cè)器中，被探測(cè)器誤認(rèn)為是煙霧粒子的話，就會(huì)發(fā)出假警報(bào)。=2\*GB3②并不是所有的煙霧會(huì)對(duì)光產(chǎn)生散射，這在一定程度上會(huì)對(duì)探測(cè)器的靈敏度造成干擾。=3\*GB3③光電感煙式火警探測(cè)器采用的是光電效應(yīng)來產(chǎn)生電流，如果受到電子噪聲的干擾，對(duì)探測(cè)器的準(zhǔn)確度會(huì)有一定程度上的影響。=4\*GB3④如果產(chǎn)生的是黑色煙霧的話，其對(duì)光線主要是吸收，散射能力會(huì)大大減小。=2\*GB2⑵感溫式火警探測(cè)器感溫式火警探測(cè)器是對(duì)周圍環(huán)境的異常溫度和溫度上升速度做出反應(yīng)的探測(cè)器。它使用熱敏元件來檢測(cè)火災(zāi)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，四周環(huán)境中不光會(huì)有煙霧的產(chǎn)生，同時(shí)也會(huì)伴隨熱量的產(chǎn)生。隨著溫度的上升，檢測(cè)器中的熱敏元件做出相應(yīng)的改變，傳感器將諸如溫度和溫度變化率的信息轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，并發(fā)送給探測(cè)器，使其做出相應(yīng)的舉措。在本文中選擇用于比較的探測(cè)器是熱敏電門式火警探測(cè)器。熱敏電門式火警探測(cè)器如圖2-2所示，它采用的是雙金屬熱敏型開關(guān)，當(dāng)周圍的溫度達(dá)到警戒值時(shí)，會(huì)使兩端的金屬片受熱變形，從而使觸點(diǎn)接觸，使這段的電路接通，發(fā)送相應(yīng)的告警信號(hào)，使機(jī)組人員知曉，并做出相應(yīng)的措施。圖2-2熱敏電門式火警探測(cè)器結(jié)構(gòu)熱敏電門式火警探測(cè)器的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，運(yùn)行可靠，但也存在一些缺點(diǎn)，其缺點(diǎn)如下：=1\*GB3①如果使用的時(shí)間過于長(zhǎng)，會(huì)使探測(cè)器內(nèi)部的金屬片失去彈性或彈性降低，其靈敏度就會(huì)大大降低，很有可能有誤報(bào)信息的情況出現(xiàn)，不利于機(jī)組人員的判斷。=2\*GB3②如果只發(fā)生輕微的著火現(xiàn)象，其周圍的溫度不能達(dá)到探測(cè)器的警戒值，就不能準(zhǔn)確的發(fā)出火警信號(hào)。=3\*GB3③當(dāng)發(fā)生的火情已經(jīng)被及時(shí)處理了，其警告信息還會(huì)顯示。只有經(jīng)過冷卻后，金屬片變?yōu)樵瓉淼臓顟B(tài)，信號(hào)才會(huì)斷開。=4\*GB3④有的時(shí)候只是探測(cè)器周圍的工作部件經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)行后，導(dǎo)致其溫度上升，但并不是有火情出現(xiàn)，探測(cè)器也會(huì)做出相應(yīng)的報(bào)警。=3\*GB2⑶氣體式火警探測(cè)器氣體式火警探測(cè)器可用于檢測(cè)環(huán)境中各個(gè)氣體的濃度，它能夠長(zhǎng)期檢測(cè)環(huán)境中氣體爆炸下限內(nèi)的濃度值，根據(jù)該濃度值變換，來檢測(cè)是否發(fā)生火災(zāi)，并且執(zhí)行警報(bào)處理。在本文中選擇用于比較的探測(cè)器為紅外吸收式氣體探測(cè)器。非色散紅外氣體檢測(cè)器是基于非色散紅外檢測(cè)（NDIR）原理的濃度探測(cè)技術(shù)，也是最常用的檢測(cè)氣體濃度的方法之一。如果氣體分子具有兩個(gè)不同的原子，即含有極性共價(jià)鍵的分子，則當(dāng)使用紅外光照射充滿氣體的氣室時(shí)，紅外光的入射光強(qiáng)度是不同的。當(dāng)紅外光通過充滿氣體的氣室時(shí)，氣體吸收相應(yīng)波長(zhǎng)的光譜，這會(huì)導(dǎo)致紅外光強(qiáng)度的衰減。根據(jù)氣體吸收的波長(zhǎng)的差異確定氣體的類型，并根據(jù)紅外光強(qiáng)度的衰減強(qiáng)度來計(jì)算氣體濃度的大小。非色散紅外氣體探測(cè)器主要由以下部分組成，即：紅外光源、氣室、紅外探測(cè)器。紅外光源發(fā)出紅外光，通過氣室后被氣體吸收并到達(dá)紅外探測(cè)器。根據(jù)紅外探測(cè)器測(cè)得的紅外光強(qiáng)度以及相應(yīng)的波長(zhǎng)，得到被測(cè)氣體的種類和濃度。紅外吸收式火警探測(cè)器具有以下優(yōu)點(diǎn)：靈敏度高、選擇性好、運(yùn)行可靠、操作方便。表2-1探測(cè)器對(duì)比探測(cè)器種類優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)光電感煙式火警探測(cè)器對(duì)煙霧粒子的感應(yīng)較為靈敏、工作效能穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)獨(dú)特受環(huán)境影響，靈敏度會(huì)有所下降、可能會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)熱敏電門式火警探測(cè)器結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、工作可靠可能會(huì)出現(xiàn)誤報(bào)、需要一定時(shí)間，報(bào)警信號(hào)才會(huì)斷開非色散紅外火警探測(cè)器靈敏度高、選擇性好、運(yùn)行可靠、操作方便綜合上面所敘述的火警探測(cè)器，如表2-1所示，每個(gè)火警探測(cè)器都有其各自的優(yōu)缺點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際的使用環(huán)境，火災(zāi)發(fā)生時(shí)所產(chǎn)生的氣體是由燃燒產(chǎn)物與空氣混合而成的，在火災(zāi)發(fā)生的早期階段，火災(zāi)勢(shì)頭并不大，其產(chǎn)生的溫度也不高，又因?yàn)榛馂?zāi)發(fā)生周圍有大量的空氣，因此，不利于煙氣的上升，這樣的話，感煙式火警探測(cè)器與感溫式火警探測(cè)器就不能接受火災(zāi)所產(chǎn)生的煙霧與溫度信息，對(duì)火災(zāi)的報(bào)警就會(huì)產(chǎn)生延誤，不利于人們做出正確的判斷，如果其發(fā)生在飛機(jī)上，就會(huì)更加危險(xiǎn)。這些年以來，隨著氣體檢測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用氣體火災(zāi)探測(cè)技術(shù)來檢測(cè)火災(zāi)的發(fā)生，已引起越來越多人的關(guān)注。對(duì)于飛機(jī)上火災(zāi)的探測(cè)，越早發(fā)現(xiàn)，對(duì)機(jī)組人員進(jìn)行下一步的對(duì)策越有利，可以在最大程度上，對(duì)火災(zāi)進(jìn)行抑制，并且減少經(jīng)濟(jì)上的巨大損失。氣體探測(cè)技術(shù)相對(duì)于感溫、感煙探測(cè)技術(shù)而言，它能在火災(zāi)發(fā)生的初期階段就檢測(cè)到火災(zāi)的發(fā)生，并做出相應(yīng)的操作，氣體式火警探測(cè)器的靈敏度和準(zhǔn)確度與感煙、感煙式火警探測(cè)器相比，更有優(yōu)勢(shì)。因此本次設(shè)計(jì)所選擇的火警探測(cè)器是非色散紅外火警探測(cè)器。2.2火警探測(cè)參量的選擇像大多數(shù)的感煙、感溫式火警探測(cè)器是利用火災(zāi)中煙霧與溫度的特性來進(jìn)行報(bào)警的。在20世紀(jì)80年代中期，Cooper的研究報(bào)告指出，33%的煙霧探測(cè)器不會(huì)像預(yù)期的那樣發(fā)出警報(bào)，95%的煙霧探測(cè)器由于周圍因素而受到誤報(bào)。根據(jù)這種情況，使用氣體式火警探測(cè)器對(duì)火災(zāi)進(jìn)行報(bào)警成為了一個(gè)新的手段。在火災(zāi)中，絕大多數(shù)的可燃物都含有C、H元素，并且CO2、CO、水蒸氣又是可燃物燃燒初期的必然產(chǎn)物，它的發(fā)出時(shí)間也早于煙霧，由于水蒸氣對(duì)濕度有要求，所以不對(duì)它進(jìn)行選擇參量。根據(jù)Milke等人進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)表明，可燃物燃燒均會(huì)產(chǎn)生CO和CO2。就目前的情況而言，CO火警探測(cè)器對(duì)于所探測(cè)到的濃度較低，達(dá)不到火警探測(cè)器所要求的標(biāo)準(zhǔn)，而CO2的濃度在火災(zāi)發(fā)生時(shí)會(huì)有一個(gè)明顯的變化。因此，可以根據(jù)CO2濃度的變化，來判斷火災(zāi)的發(fā)生，并對(duì)其進(jìn)行相應(yīng)的報(bào)警。2.3探測(cè)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮到的問題2.3.1硬件方面在飛機(jī)飛行過程中，除了起飛和降落階段，其飛行都是在平流層完成的。飛機(jī)飛行的高度大多為8000m到12000m之間，在這個(gè)高度下，飛機(jī)都是長(zhǎng)時(shí)間處于一個(gè)低溫、低壓的環(huán)境中，在此環(huán)境下，會(huì)使非色散紅外CO2火警探測(cè)器的精度大打折扣，這也是此探測(cè)器所面臨的難點(diǎn)之一，如若不解決，會(huì)使飛機(jī)處于一個(gè)非常危險(xiǎn)的環(huán)境中。為了解決這一難點(diǎn)，利用采用加熱保溫技術(shù)，就是在火警探測(cè)器中添加以下組件：溫度傳感器、保溫材料以及加熱元件。溫度傳感器是來檢測(cè)飛機(jī)飛行過程中的溫度變化。加熱元件是為了對(duì)火警探測(cè)器進(jìn)行加熱，來確?；鹁綔y(cè)器在惡劣環(huán)境下能有一個(gè)合適的溫度，同時(shí)為了防止其溫度在低溫、低壓的環(huán)境中流失，又采用保溫材料對(duì)其進(jìn)行保溫，以來防止溫度的散失。2.3.2軟件方面采用自適應(yīng)算法計(jì)算出相關(guān)二氧化碳的濃度，根據(jù)其濃度值及變化速率進(jìn)行相關(guān)的報(bào)警。2.4總體結(jié)構(gòu)非色散紅外CO2火警探測(cè)器總體結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。圖2-3探測(cè)器總體結(jié)構(gòu)3非色散紅外CO2火警探測(cè)器硬件設(shè)計(jì)3.1探測(cè)器結(jié)構(gòu)組成探測(cè)器的結(jié)構(gòu)由主要以下部分組成：紅外光源、氣室、濾光片、紅外探測(cè)器。如圖3-1所示，此圖為探測(cè)器的示意圖，紅外光源產(chǎn)生紅外光，紅外光經(jīng)過紅外窗口后，進(jìn)入到氣室中，通過氣室，到達(dá)測(cè)量濾光片和參比濾光片，紅外探測(cè)器接受到一個(gè)包含氣體濃度值的測(cè)量信號(hào)和一個(gè)包含光源和環(huán)境信息的參比信號(hào)。圖3-1探測(cè)器示意圖3.1.1紅外光源為了確保紅外光源在結(jié)構(gòu)上能使紅外光沿著路線傳播。因此需要在紅外光源的前方安裝一個(gè)聚光鏡，確保紅外光的正確傳播，也防止紅外光出現(xiàn)多余的散射。紅外光源是此設(shè)計(jì)中較為主要的一個(gè)部分之一，選擇適當(dāng)?shù)募t外光源，可以為接下來的檢測(cè)提供高的準(zhǔn)確度，同時(shí)另一方面也可以減少損耗和成本。在此設(shè)計(jì)中我們對(duì)紅外光源做了以下方面的要求：=1\*GB2⑴紅外光源的輸出應(yīng)該是穩(wěn)定的，如果紅外光源輸出不穩(wěn)定，將會(huì)導(dǎo)致吸收能量的差異，從而會(huì)使測(cè)量數(shù)據(jù)出現(xiàn)一系列的偏差。=2\*GB2⑵紅外光的選擇上選擇能夠吸收CO2的紅外光即可。=3\*GB2⑶紅外光源產(chǎn)生的紅外光需要有一個(gè)與之平行的氣室來接收，避免過多的散射。=4\*GB2⑷紅外光源必須能夠長(zhǎng)時(shí)間使用，具有良好的穩(wěn)定性和強(qiáng)抗氧化性。=5\*GB2⑸在長(zhǎng)時(shí)間的使用過程中，不會(huì)產(chǎn)生一些危害人體健康的氣體。依據(jù)上述要求，我們選擇的是美國(guó)Excelitas所生產(chǎn)的IRL715，如圖3-2所示，IRL715IRL尺寸為T-1的白熾燈，直徑3.17毫米。它可接近的波長(zhǎng)范圍從可見光到最大約4.4μm，從圖3-3可以看出IR光源特別適用于檢測(cè)4.15μm至4.4μm的二氧化碳。表3-1為IRL715光源的一些參數(shù)。圖3-2IRL715實(shí)物圖圖3-3不同波長(zhǎng)的紅外光與IRL715之間的透射率關(guān)系表3-1IRL715光源參數(shù)輸出光源范圍可見光-4.4μm之間直徑3.17mm啟動(dòng)電壓5V損耗0.57W發(fā)熱狀態(tài)下阻值43Ω運(yùn)行壽命4000小時(shí)由于紅外光源經(jīng)發(fā)出到達(dá)紅外探測(cè)器時(shí)，此時(shí)的紅外光強(qiáng)度已經(jīng)非常小了，所以我們還需要對(duì)紅外光源進(jìn)行調(diào)制，傳統(tǒng)的機(jī)械調(diào)制由于其有一些缺點(diǎn)，并不適合本設(shè)計(jì)使用，因此我們采用電調(diào)制方式，圖3-4表示紅外光源調(diào)制深度曲線，如圖所示，當(dāng)波長(zhǎng)為4μm時(shí)調(diào)制深度和頻率成反比關(guān)系，當(dāng)調(diào)制深度到達(dá)10%時(shí)，相對(duì)應(yīng)的頻率則上升到10Hz左右，因此為了得到較高的調(diào)制深度，我們應(yīng)選擇在較低的頻率內(nèi)進(jìn)行調(diào)制。經(jīng)過調(diào)制后的紅外光更容易被發(fā)現(xiàn)以及輸送。圖3-4調(diào)制深度曲線圖3.1.2紅外探測(cè)器紅外探測(cè)器是硬件設(shè)計(jì)中最為重要的部件，紅外探測(cè)器的主要原理是把吸收了CO2的紅外光信息輸出成參比信號(hào)和測(cè)量信號(hào)。其功能在很大情況下決定了火警探測(cè)器的靈敏度以及準(zhǔn)確度。在現(xiàn)行的紅外探測(cè)器中，最為多見的探測(cè)器有紅外光子探測(cè)器、熱電堆探測(cè)器和熱釋電探測(cè)器。=1\*GB2⑴紅外光子探測(cè)器紅外光子探測(cè)器是采用光電效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器。當(dāng)探測(cè)器吸收紅外光輻射的光子時(shí)，探測(cè)器材料最外層的電子發(fā)生躍遷形成晶體內(nèi)的自由電子，產(chǎn)生光誘導(dǎo)或光伏效應(yīng)。光誘導(dǎo)和光生伏效應(yīng)的強(qiáng)度取決與輻射源的輻射強(qiáng)度和探測(cè)器的靈敏度。紅外光子探測(cè)器有波長(zhǎng)選擇性和響應(yīng)范圍小的缺點(diǎn)。由于紅外光子探測(cè)器的使用環(huán)境較為苛刻，所以不列入比較范圍內(nèi)，不對(duì)其進(jìn)行詳細(xì)的選型。=2\*GB2⑵熱電堆探測(cè)器熱釋電探測(cè)器是依據(jù)熱釋電效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器。圖3-5為熱釋電原理圖，紅外光射入到探測(cè)器中，熱晶體隨著溫度的增加其本身的自極化程度會(huì)有所減小，這樣熱晶體就會(huì)產(chǎn)生漂浮電荷，并形成電信號(hào)。本設(shè)計(jì)使用的熱電堆探測(cè)器是PerkinElmer公司生產(chǎn)的的TPS2534雙通道探測(cè)器，其實(shí)物如圖3-5所示。圖3-5TPS2534實(shí)物圖在每個(gè)通道上都有一個(gè)TPS2534和一個(gè)濾光片。TPS2534內(nèi)部有一個(gè)有熱敏電阻，而熱敏電阻會(huì)受到溫度的干擾，所以也可以用它來為火警探測(cè)器的測(cè)量參數(shù)提供參考。TPS2534擁有四個(gè)引腳，即：熱敏電阻、測(cè)量通道、參比通道、接地引腳。由于賽貝克效應(yīng)的存在，熱電堆探測(cè)器的熱端與冷端有溫差時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓，因此它不需要啟動(dòng)電壓就可以產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信息，從而輸出相應(yīng)的參比信號(hào)和測(cè)量信號(hào)。=3\*GB2⑶熱釋電探測(cè)器熱釋電探測(cè)器是依據(jù)熱釋電效應(yīng)制成的紅外探測(cè)器。圖3-6為熱釋電原理圖，紅外光射入到探測(cè)器中，熱晶體隨著溫度的增加其本身的自極化程度會(huì)有所減小，這樣熱晶體就會(huì)產(chǎn)生漂浮電荷，并形成電信號(hào)。圖3-6熱釋電效應(yīng)原理本設(shè)計(jì)使用的熱釋電探測(cè)器為PerkinElmer公司生產(chǎn)的PYS3228探測(cè)器，其實(shí)物如圖3-7所示。圖3-7PYS3228實(shí)物圖PYS3228探測(cè)器有兩個(gè)獨(dú)立的探測(cè)頭，每個(gè)探測(cè)頭也要安裝相應(yīng)的濾光片。其海外探測(cè)器的輸出值與紅外光射入的角度也有一定的關(guān)系，在20%的范圍內(nèi)，信號(hào)輸出能達(dá)到80%。因此為了確保信號(hào)的準(zhǔn)確度，需要將探測(cè)器安裝在特殊的位置。在電源方面也需要電源來驅(qū)動(dòng)其正常運(yùn)作。綜合上面所介紹的紅外探測(cè)器，如表3-2所示，對(duì)紅外探測(cè)器進(jìn)行對(duì)比。表3-2紅外探測(cè)器對(duì)比型號(hào)優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)熱電堆探測(cè)器（TPS2534）靈敏度高、響應(yīng)速度快、不需要電源啟動(dòng)受溫度影響熱釋電探測(cè)器（PYS3228）頻譜響應(yīng)較寬、響應(yīng)速度快受溫度影響、需要電源運(yùn)作熱電堆探測(cè)器和熱釋電探測(cè)器都有個(gè)共通的優(yōu)點(diǎn)：響應(yīng)速度快，但熱電堆探測(cè)器不需要單獨(dú)電源啟動(dòng)，而熱釋電卻需要，結(jié)合優(yōu)缺點(diǎn)，本設(shè)計(jì)所選用的紅外探測(cè)器為熱電堆探測(cè)器（TPS2534型）。雖然TPS2534不需要電源啟動(dòng),但它的輸出電壓受到冷端溫度的影響，而冷端溫度又與周圍環(huán)境有關(guān)。因此想要獲得較好的測(cè)量結(jié)果，需要消除冷端的問題。TPS2534內(nèi)部的熱敏電阻就是作用于此，如圖3-8所示。圖3-8TPS2534電路圖中1引腳表示熱敏電阻端，2引腳表示測(cè)量端，3引腳表示參比端，4引腳為接地端。由于TPS2534探測(cè)器不需要電源啟動(dòng)，所以此電路只用于熱敏電阻的啟動(dòng)電壓。3.1.3氣室氣室是用以連接紅外光源和紅外探測(cè)器的一個(gè)中間部分，也是檢測(cè)氣體的主要地點(diǎn)。設(shè)計(jì)的氣室要滿足以下要求=1\*GB2⑴氣室的內(nèi)部最好為圓柱形，結(jié)構(gòu)要密封，僅通過進(jìn)氣口和出氣口進(jìn)出氣體。=2\*GB2⑵氣室所選用的材料不具備吸收紅外光的能力，不能和CO2發(fā)生反應(yīng)，內(nèi)壁的反射效果要好。=3\*GB2⑶體積不能過大，因?yàn)槭窃陲w機(jī)上使用。綜合上述要求，選擇CE公司的90003型氣室，如圖3-9為氣室實(shí)物圖。圖3-9氣室實(shí)物圖從圖3-9可以得出，氣室的外部結(jié)構(gòu)為長(zhǎng)方體，氣室外部為吸收膜。氣室的上測(cè)為進(jìn)氣口和出氣口，這兩個(gè)部分，一方面可以測(cè)量CO2濃度，另一方面可以進(jìn)行氣體的標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。在理論上氣室越長(zhǎng)，這樣的話就可以容納更多的氣體，但在實(shí)際的使用過程中，由于飛機(jī)的空間有限，氣室的長(zhǎng)度應(yīng)該與探測(cè)器的測(cè)量范圍和氣體成分來決定。如表3-3所示，不同長(zhǎng)度的氣室，探測(cè)器都有著不同的響應(yīng)時(shí)間。表3-3氣室長(zhǎng)度與響應(yīng)時(shí)間的關(guān)系氣室長(zhǎng)度40mm60mm80mm100mm120mm響應(yīng)時(shí)間12s13s16s25s41s結(jié)合表中信息，伴隨著長(zhǎng)度的增加，響應(yīng)時(shí)間也隨之邊長(zhǎng)，而在40-60mm的區(qū)間內(nèi)，時(shí)間變化幅度不大，所以本設(shè)計(jì)使用的氣室長(zhǎng)度為50mm。綜合上述，氣室的大致結(jié)構(gòu)如圖3-10所示。此氣室的特點(diǎn)有：使用單個(gè)氣室，單個(gè)光源，雙濾光片的結(jié)構(gòu)，節(jié)約空間從而降低成本、抗震性能優(yōu)越。圖3-10氣室結(jié)構(gòu)3.1.4濾光片濾光片是用準(zhǔn)確的方法來修改到達(dá)探測(cè)器的光譜分布、紅外強(qiáng)度的元件。從圖3-11可以看出，參比濾光片在低范圍波長(zhǎng)時(shí)成上升趨勢(shì)，達(dá)到4.0μm時(shí)達(dá)最大值，之后又成下降趨勢(shì)；測(cè)量濾光片與參比濾光片相似，在4.26μm時(shí)達(dá)到最大值，所以確定兩種濾光片的波長(zhǎng)分別為4.26μm和4.0μm。TPS2534探測(cè)器擁有獨(dú)立的紅外傳感窗口，濾光片就分別安裝在兩個(gè)窗口上，濾光片分別為參比濾光片和測(cè)量濾光片。表3-3是兩種濾光片的參數(shù)。圖3-11參比濾光片與測(cè)量濾光片的透射率曲線表3-3濾光片參數(shù)參數(shù)測(cè)量濾光片參比濾光片波長(zhǎng)4.26μm4.0μm波長(zhǎng)誤差范圍±30nm±40nm寬度180nm90nm寬度范圍±20nm±20nm透射率＞73%＞76%非色散紅外CO2火警探測(cè)器在溫度低的情況下，探測(cè)器對(duì)于探測(cè)火災(zāi)的靈敏度會(huì)有所降低，所以會(huì)在該探測(cè)器中會(huì)加裝溫度傳感器、加熱元件以及保溫材料，溫度傳感器用于檢測(cè)周圍環(huán)境中的溫度，保溫材料和加熱元件則是為了確?；鹁綔y(cè)器能在合適的溫度下工作，以確保探測(cè)器的準(zhǔn)確度。3.2非色散紅外CO2火警探測(cè)器工作過程首先使用來啟動(dòng)紅外光源裝置，紅外光源裝置發(fā)出紅外光，將整個(gè)氣室照亮，之后如若發(fā)生火災(zāi)，空氣中產(chǎn)生的二氧化碳通過進(jìn)氣孔進(jìn)入到氣室中，二氧化碳將氣室中的紅外光吸收，通過氣室內(nèi)壁一側(cè)的反射鏡將吸收了紅外光的二氧化碳發(fā)射到紅外光子探測(cè)器中。紅外光子探測(cè)器檢測(cè)氣體得到參比電壓信號(hào)和測(cè)量電壓信號(hào)，將這兩個(gè)信號(hào)經(jīng)信號(hào)調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)化過程，電壓信號(hào)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，數(shù)字信號(hào)在經(jīng)過進(jìn)一步的數(shù)據(jù)處理，輸出到外界，當(dāng)進(jìn)入氣室的二氧化碳濃度發(fā)生變化時(shí)，發(fā)出的紅外光強(qiáng)度也會(huì)發(fā)生變化，從而電壓變化，在通過一系列的計(jì)算得二氧化碳濃度，來供紅外火警探測(cè)器參考使用。4非色散紅外CO2火警探測(cè)器軟件設(shè)計(jì)4.1電路設(shè)計(jì)在電路設(shè)計(jì)上，要滿足其下功能：紅外光源的啟動(dòng)，電壓信號(hào)變化為數(shù)字信號(hào)，對(duì)溫度、測(cè)量以及參比信號(hào)的處理。電路設(shè)計(jì)如圖4-1圖4-1非色散紅外火警探測(cè)器電路設(shè)計(jì)原理如圖所示，外部電源通過驅(qū)動(dòng)模塊來啟動(dòng)探測(cè)組件，并探測(cè)到三組信號(hào)，溫度信號(hào)直接進(jìn)入到數(shù)據(jù)處理模塊，輸出后，經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，在輸出到計(jì)算機(jī)終端。測(cè)量信號(hào)與參比信號(hào)需要先輸入到信號(hào)調(diào)理模塊，之后在輸入到A/D裝換模塊，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后和溫度信號(hào)處理方法一致。4.2火警探測(cè)器算法設(shè)計(jì)通過Milke等人做的實(shí)驗(yàn)可以了解到，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時(shí)，空氣中二氧化碳的濃度會(huì)快速增加，變化速率可以達(dá)到5ml/（m3?s），最高時(shí)可達(dá)到10ml/（m3?s），探測(cè)器不斷檢測(cè)著二氧化碳濃度的變化，在正常情況下，二氧化碳的變化是極其小的，一旦出現(xiàn)二氧化碳濃度急劇變化時(shí)，絕大多數(shù)情況，都是發(fā)生了火災(zāi)。所以，探測(cè)器的工作依據(jù)以二氧化碳濃度變化為準(zhǔn)則，檢測(cè)空氣中的二氧化碳濃度，根據(jù)濃度變化來計(jì)算出速率，若該速率超過探測(cè)器所設(shè)置的警戒值，則會(huì)發(fā)出警告，并進(jìn)行報(bào)警。自適應(yīng)報(bào)警算法它的優(yōu)點(diǎn)是可以自動(dòng)感覺出所處環(huán)境下的二氧化碳濃度值的變換，根據(jù)所處環(huán)境中二氧化碳濃度的變化，從而可以看出二氧化碳的變換速率，依據(jù)這一數(shù)值，以來進(jìn)行火警探測(cè)器的報(bào)警，其算法及其流程如下：=1\*GB2⑴自適應(yīng)報(bào)警算法開始工作后，先在五分鐘內(nèi)連續(xù)檢測(cè)所處環(huán)境中的二氧化碳濃度值（讀數(shù)頻率為1Hz），之后再計(jì)算出它的平均值φ0，并對(duì)這個(gè)平均值進(jìn)行不斷的更新與保存，計(jì)算過程如下：φ0公式中φ0代表二氧化碳濃度的平均值，φ（t1）、φ（t2）、φ（t3）…φ（tn）代表在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)每一次讀取的二氧化碳濃度值，n代表在相應(yīng)時(shí)間內(nèi)所讀取濃度值的次數(shù)=2\*GB2⑵計(jì)算所處環(huán)境中二氧化碳濃度的變換值和變換速率，并給予它一個(gè)邏輯值，其過程如下：如公式所示，v是二氧化碳濃度變換速率，φ（t）是此時(shí)的二氧化碳濃度值，△t是所需要的時(shí)間，△t為15sv=如公式所示，X1為v的邏輯值；v表示二氧化碳濃度變換速率X1=0,&x<5如公式所示，△φ是二氧化碳濃度變換值，φ（t）代表實(shí)時(shí)當(dāng)前濃度值，φ0為當(dāng)前所處環(huán)境中的二氧化碳濃度值。△φ=φ（t）－φ0如公式所示，X2為△φ的邏輯值，△φ表示二氧化碳濃度變換值X2=3\*GB2⑶計(jì)算出綜合邏輯值，X1，X2之間實(shí)行邏輯與運(yùn)算，得到的結(jié)果為綜合邏輯值yt，其運(yùn)算過程如下：yt=X1∩X2=min（X1,X2）如公式所示，yt為綜合邏輯值，X1表示v的邏輯值，X2表示△φ的邏輯值=4\*GB2⑷計(jì)算出報(bào)警輸出邏輯值，依照5s內(nèi)的綜合邏輯值yt實(shí)行邏輯與運(yùn)算，運(yùn)算結(jié)果為報(bào)警輸出邏輯值Y，運(yùn)算過程如下：Y=yt-4∩yt-3∩yt-2∩yt-1∩yt=min（yt-4，yt-3，yt-2，yt-1，yt）如公式所示，Y為報(bào)警輸出邏輯值，yt-4，yt-3，yt-2，yt-1，yt表示5s內(nèi)的綜合邏輯值。當(dāng)Y=1時(shí)，則表示有火警信號(hào)，進(jìn)行火警報(bào)警輸出；如若Y=0，則表示當(dāng)前為正常情況，不需要進(jìn)行火警報(bào)警，進(jìn)行正常信號(hào)輸出。通過圖4.2可以看出其流程圖4.2報(bào)警流程圖全文總結(jié)