一种高性能紫外红外双光谱复合光学火灾探测器的制作方法

本实用新型涉及火灾探测技术领域，尤其涉及一种高性能紫外红外双光谱复合光学火灾探测器。

背景技术：

火灾是各种灾害中发生最频繁且极具毁灭性的灾害之一，传统的火灾防范主要靠人工巡视，效果及效率低下，且成本高昂，随着科技的发展，目前已有针对各种场合及各种火灾的自动灭火抑爆系统在大量使用，火灾探测器作为整个灭火系统的信号输入源，能否准确可靠并快速地识别火灾，对灭火系统的火灾防护能力起到关键作用，目前火灾探测器种类主要有感温型火灾探测器、感烟型火灾探测器及光学火灾探测器，物质燃烧时伴随有烟雾、温度、光辐射等的释放，传播速度最快的是光辐射，所以通过火焰的光谱辐射对火灾进行识别是所有火灾探测方式中最快速的方式，光学火灾探测器正是利用火焰的光谱特征对火灾进行识别，具有探测机理先进、探测范围宽、灵敏度高、响应速度快、抗干扰能力强、应用范围广等特点，已广泛应用于军用自动灭火抑爆领域。

常规的红外火焰探测器和紫外火焰探测器虽已广泛使用，但红外火焰探测器只能探测含碳物质的燃烧火焰，不能探测如氢气、磷、金属锂等非含碳物质的燃烧，而常规的紫外火焰探测器因紫外光电管的自放电本地特性，存在一定的虚警率，二者皆属于单光普火灾探测，而单光普火灾探测方法有着抗干扰能力差的固有缺陷，各应用领域因红外火焰探测器或紫外火焰探测器受干扰而误报警导致灭火系统误喷瓶误动作的事件时有发生，目前市面上虽已有常规紫外红外火焰探测器在应用，但都存在抗干扰能力差、虚警率高、可靠性低、性能差、功能单一等不足之处。

技术实现要素：

本实用新型的目的是为了解决现有技术中存在的缺点，而提出的一种高性能紫外红外双光谱复合光学火灾探测器。

为了实现上述目的，本实用新型采用了如下技术方案：一种高性能紫外红外双光谱复合光学火灾探测器，所述外部供电电源与电源输入保护电路连接，所述电源输入保护电路通过dc-dc电源变换电路与高性能32位arm处理器连接且电源输入保护电路通过可调高压紫外光电管供电电路与日盲型紫外光电管连接，所述日盲型紫外光电管通过紫外信号调理电路与高性能32位arm处理器连接，所述高信噪比的窄频带红外光敏管通过多级红外信号放大电路与高性能32位arm处理器连接且多级红外信号放大电路同时与自校准电路和污染检测电路连接，所述高性能32位arm处理器通过自校准电路和污染检测电路同时与高信噪比的窄频带红外光敏管连接，所述高性能32位arm处理器通过can总线通信接口电路和rs485总线通信接口电路与远程终端、上位机和控制器连接，所述高性能32位arm处理器同时与温度采集电路、拨码开关电路、led驱动电路、4～20ma电流环电路、火警电平信号输出电路、oc门输出电路、两组继电器驱动输出电路和两组灭火器驱动输出电路连接。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述日盲型紫外光电管的检测波段为0.2um附近的紫外波段，所述高信噪比的窄频带红外光敏管的检测波段为4.3um附近的红外波段。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述dc-dc电源变换电路的电源变换方案采用开关电源变换加线性电源变换的方式，所述dc-dc电源变换电路包括电源输入保护、电源变换和电源滤波。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述紫外信号调理电路包括限幅电路和整形电路。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述灭火控制器的自动增援、自动转换、自动喷瓶、半自动喷瓶等相关喷瓶逻辑完全集成于高性能32位arm处理器内。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述多级红外信号放大电路采用四级放大电路。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述高性能32位arm处理器、晶体振荡器、程序下载调试接口以及处理器外围阻容电路构成核心控制单元处理电路。

作为上述技术方案的进一步描述：

所述led驱动电路包含有led指示灯且led指示灯为红、绿、黄三色共阳极指示灯。

本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型中，火灾探测器可以实现火灾自动探测并自动报警，并具备智能化、信息化功能，可远程对火灾进行监测，替代了传统人工巡视，提高了工作效率，杜绝了火灾漏报警安全隐患，降低了成本。

2、本实用新型中，火灾探测器可以替代传统感温型及感烟型火灾探测器，实现了对火灾的快速探测及报警，提高了火灾报警速度及准确度，为火灾的及时扑救及爆炸的抑制处理赢取了时间，保障人民财产及生命安全，也可以替代单光普探测方式的红外火焰探测器和紫外火焰探测器，利用双光谱方式对火灾进行探测识别，解决了单光普火灾探测方法抗干扰能力差的固有缺陷，杜绝了因探测器误报警导致灭火系统误喷瓶误动作事件的发生，降低了灭火系统维护成本，减小了损失。

3、本实用新型中，火灾探测器可以在军用自动灭火抑爆领域替代常规紫外红外火焰探测器，用于对坦克装甲车辆乘员舱及战斗舱的火灾探测，提高坦克装甲车辆自动灭火抑爆系统的整体可靠性，从而提高坦克装甲车辆防护性能，保障作战人员生命安全，提升军队作战能力。

4、本实用新型中，火灾探测器工作稳定性好，可靠性高，抗干扰能力强，灵敏度高，功能强，智能化程度高，接口多，兼容性好，应用领域广，能方便地构建性能优良、成本低廉的灭火抑爆系统，值得大力推广。

附图说明

图1为本实用新型提出的一种高性能紫外红外双光谱复合光学火灾探测器的原理框图；

图2为常见光源光谱分布曲线图；

图3为本实用新型提出的一种高性能紫外红外双光谱复合光学火灾探测器的电源变换电路；

图4为本实用新型提出的一种高性能紫外红外双光谱复合光学火灾探测器的紫外可调工作电压升压电路；

图5为本实用新型提出的一种高性能紫外红外双光谱复合光学火灾探测器的紫外信号调理电路；

图6为本实用新型提出的一种高性能紫外红外双光谱复合光学火灾探测器的红外信号放大电路；

图7为本实用新型提出的一种高性能紫外红外双光谱复合光学火灾探测器的校准及污染监测电路；

图8为本实用新型提出的一种高性能紫外红外双光谱复合光学火灾探测器的核心控制单元处理电路；

图9为本实用新型提出的一种高性能紫外红外双光谱复合光学火灾探测器的can总线接口电路图；

图10为本实用新型提出的一种高性能紫外红外双光谱复合光学火灾探测器的rs485总线接口电路图；

图11为本实用新型提出的一种高性能紫外红外双光谱复合光学火灾探测器的电平信号输出接口电路图；

图12为本实用新型提出的一种高性能紫外红外双光谱复合光学火灾探测器的oc门信号输出接口电路图；

图13为本实用新型提出的一种高性能紫外红外双光谱复合光学火灾探测器的4～20ma电流环信号输出接口电路图；

图14为本实用新型提出的一种高性能紫外红外双光谱复合光学火灾探测器的灭火器驱动信号输出接口电路图；

图15为本实用新型提出的一种高性能紫外红外双光谱复合光学火灾探测器的继电器驱动信号输出接口电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

参照图1-15，本实用新型提供的一种实施例：一种高性能紫外红外双光谱复合光学火灾探测器，外部供电电源与电源输入保护电路连接，电源输入保护电路通过dc-dc电源变换电路与高性能32位arm处理器连接且电源输入保护电路通过可调高压紫外光电管供电电路与日盲型紫外光电管连接，为避免遭受太阳光的干扰，紫外光敏管采用日盲型紫外光电管，日盲型紫外光电管只响应波长在185nm～260nm波段的紫外辐射，由于太阳光在这一波段的辐射几乎完全被地球大气层所吸收未到达地球表面，所以称为“日盲”，利用该波段的紫外辐射探测火灾，能使背景干扰达到最小，从信号源头对环境中存在的干扰源进行滤除，对系统的整体可靠性提供了保障，并且日盲型紫外光电管是基于紫外光电效应的光电转换器件，为实现较高灵敏度需工作在高压状态，可调高压紫外光电管供电电路的特点在于输出电压可调功能，输入电源经三级保护后进入电源控制芯片u1及线圈t1，电源控制芯片u1采用sg3524，u1通过晶体管q1和q2控制线圈t1的导通状态，从而控制输出电压vuv，vuv经r1和rp1分压形成负反馈，从而达到稳定输出，通过调节rp1，可实现输出电压vuv在50～500v范围内调节，紫外光电管均存在个体差异，通过微调，该电压调节功能可实现同类型间紫外光电管的灵敏度一致性调节，通过大调，电压调节功能可满足不同类型紫外光电管间的不同工作电压参数要求，日盲型紫外光电管通过紫外信号调理电路与高性能32位arm处理器连接，高信噪比的窄频带红外光敏管通过多级红外信号放大电路与高性能32位arm处理器连接且多级红外信号放大电路同时与自校准电路和污染检测电路连接，探测器窗口玻璃的清洁状况对火焰光谱的透过率影响较大，常规的探测器若窗口玻璃积尘将严重影响火灾的准确探测，当窗口受到污染时污染检测电路可给出污染报警提示，同时高性能32位arm处理器根据窗口受污染的程度推算对火焰光谱透过率的影响，动态调整火灾识别判断算法，从而智能、准确的识别火灾，而且不同的辐射背景对火焰的特征光谱影响不同，如在强烈的太阳光下和黑暗的背景环境中对相同火焰光谱信号的采集结果是有一定差别的，市面上的常规探测器通常只能安装在固定的环境中，应用比较受限，当应用于不同的背景环境中时，通过自校准功能处理器可智能识别背景辐射情况，并根据背景辐射情况计算对火焰特征光谱信号的影响，相应的调整火灾识别判断算法，从而适应不同的应用环境，白炽微灯vl1可以用于自校准功能，vl2可以用于污染检测功能，由于白炽微灯的发光亮度存在个体差异，通过电位器rp1和rp2可实现一致性调节，高性能32位arm处理器通过自校准电路和污染检测电路同时与高信噪比的窄频带红外光敏管连接，高性能32位arm处理器通过can总线通信接口电路和rs485总线通信接口电路与远程终端、上位机和控制器连接，高性能32位arm处理器同时与温度采集电路、拨码开关电路、led驱动电路、4～20ma电流环电路、火警电平信号输出电路、oc门输出电路、两组继电器驱动输出电路和两组灭火器驱动输出电路连接，高性能32位arm处理器可以通过温度采集电路实时采集温度传感器数据，掌握所处环境温度情况，实时对火灾识别判断算法进行温度补偿，通过拨码开关电路可以快速设置不同的工作模式和探测灵敏度，远程监控终端或上位机可通过can总线或rs485总线实时监测作业现场火灾情况，避免了人工巡视效率低成本高等系列问题，此外，通过can总线通信接口和rs485总线通信接口可灵活设置相关参数，以满足不同的使用要求，can总线通信接口电路支持can2.0a及can2.0b协议，数据率支持高达1mbps，can总线收发器为max3051，采用低电压+3.3v单电源供电，通过v28对can总线接口进行浪涌冲击保护，终端匹配电阻r101可以根据实际组网情况决定是否安装，rs485总线通信接口电路数据率支持高达10mbps，收发器为max3485esa，采用低电压+3.3v单电源供电，通过v26对rs485总线接口进行浪涌冲击保护，终端匹配电阻r92可以根据实际组网情况决定是否安装，火警电平信号输出电路可以通过晶体管v14进行电平信号输出，并具备一定的驱动能力，通过自恢复保险f3对内部电路进行保护，通过二极管v13对处理器引脚进行保护，当无火警信号时输出为低电平信号，有火警信号时输出为高电平信号，oc门输出电路可以通过晶体管v12进行信号输出，r57起限流作用，通过二极管v11对处理器引脚进行保护，当无火警信号时输出为高阻信号，有火警信号时输出为低电平信号，4～20ma电流环电路可以通过晶体管v18和mos管v19进行电流信号输出，通过二极管v20对内部电路进行保护，电流输出控制芯片采用xtr111aidgqr，两组继电器驱动输出电路分别包括常开触点和常闭触点，二极管v42和v45起续流作用，当继电器线圈断电时给较大的瞬时反向电动势提供释放通路，以保护驱动驱动晶体管v43和v46，k1用于火警信号输出，k2用于故障信号输出，两组灭火器驱动输出电路可实现两次有效灭火操作，mos管v38和v39用于大电流驱动输出，当火灾发生时，启动一个灭火器进行火灾扑救，5秒后若还探测到火灾，即火灾尚未被扑灭，则启动另一个灭火器进行灭火增援。

日盲型紫外光电管的检测波段为0.2um附近的紫外波段，高信噪比的窄频带红外光敏管的检测波段为4.3um附近的红外波段，由于大气层对太阳光的吸收作用，从图2中可看出，在0.2um、2.7um和4.3um波段附近太阳光辐射较小，火焰光谱辐射较强，所以该三个波段是用于光学火灾探测的理想波段，但在2.7um波段附近其它常见干扰光源辐射较强，火焰特征光谱辐射信噪比较低，该波段上的火焰光谱信息易受背景辐射的淹没，而在0.2um和4.3um波段附近的干扰光源较少，辐射较弱，且在4.3um波段附近火焰的光谱辐射达到峰值，所以0.2um和4.3um附近的波段是作为双光谱光学火灾探测器的理想波段，使用0.2um附件的紫外波段和4.3um附件的红外波段对火灾进行光学分析判断识别，从信号源头滤除了绝大部分干扰，提高了信噪比，为火灾光谱特征信息的提取提供了保障。

dc-dc电源变换电路的电源变换方案采用开关电源变换加线性电源变换的方式，开关电源变换可实现外部9vdc～32vdc的宽电压范围输入，功耗损失小，效率高，线性电源变换可为系统提供无波动、较平稳理想的系统电源，dc-dc电源变换电路包括电源输入保护、电源变换和电源滤波，电源输入保护电路主要是对外部供电电源进行过流保护、过压保护、防反接保护等，当外部供电电源过压、过流及反接时不会对内部电路造成损坏，安全性高，自恢复保险f1起过流保护作用，v7起过压保护作用，v5起防反接保护作用，u7将外部输入电源变换为5v电源vdd，主要为红外放大电路供电，u8将5v电源变换为3.3v系统电源，为高性能32位arm处理器、集成电路及系统供电，电容及电感主要起滤波作用。

紫外信号调理电路包括限幅电路和整形电路，紫外光电管直接输出的信号为高压脉冲信号，若直接接入处理器将导致处理器毁坏，所以需进行限幅处理，经限幅处理后的信号为锯齿波脉冲信号，为保证处理器能可靠识别该信号，还需对限幅处理后得到的锯齿波信号进行整形处理，经整形处理后的信号为标准方波信号，处理器可准确识别该标准方波信号，限幅措施主要通过r99、r100、r102的分压作用和v1的钳位作用实现，整体措施通过比较器实现，比较器采用lmv331，经调理电路处理后的紫外信号最终送arm处理器进行火灾分析判断。

灭火控制器的自动增援、自动转换、自动喷瓶、半自动喷瓶等相关喷瓶逻辑完全集成于高性能32位arm处理器内，高性能32位arm处理器型号为stm32f103cbt7，该32位arm处理器功能强大，接口丰富，运算速度快，为火灾判断分析的快速性、准确性提供保障，基于高性能32位arm处理器的强大功能，火灾探测器集成多种输出接口及总线接口，同时集成灭火控制器功能，无需与控制器组联，可独立自成自动灭火系统，当探测到火灾时，可运行灭火控制器特有的喷瓶逻辑处理程序，自行启动灭火瓶进行火灾扑救，常规的火灾探测器仅具备火灾报警提示功能，必须与特定的灭火控制器组成灭火系统才具备主动灭火防护功能，而该火灾探测器除能兼容大多数灭火控制器组成自动灭火系统外，还可独立自成自动灭火系统，火灾发生时，通过灭火器驱动信号输出接口，可实现两次有效灭火操作。

多级红外信号放大电路采用四级放大电路，红外光敏管的输出信号为毫伏级的微弱信号，如此微弱的信号很难将火灾准确识别，所以需要将红外信号进行无失真的放大，供处理器实时采集，进行火灾识别判断，目前市面上的常规探测器对红外信号的处理均采用一级或二级放大，灵敏度低，动态性差，所以采用四级放大电路对红外信号进行放大处理，大大提高了火灾探测灵敏度，增强火灾识别的动态性及准确性，运算放大器采用mcp607，b1为高信噪比的窄频带红外光敏管，r10为采样电阻，b1所探测的微弱红外信号经r10采样后进行跟随放大处理，处理器分别对后三级红外放大信号进行采集，供火灾判断分析。

高性能32位arm处理器、晶体振荡器、程序下载调试接口以及处理器外围阻容电路构成核心控制单元处理电路。

led驱动电路包含有led指示灯且led指示灯为红、绿、黄三色共阳极指示灯，火灾报警及系统发生故障时以不同的颜色及闪烁状态进行报警提示。

工作原理：首先通过电源输入保护电路对外部供电电源进行过流保护、过压保护、防反接保护，然后通过dc-dc电源变换电路将外部供电电源转换为3.3v系统电源，为高性能32位arm处理器、集成电路及系统供电，基于高性能32位arm处理器的强大性能，实现了较为精确的火灾数据曲线模拟及复杂的火灾识别判断算法，将大量的火灾信息实验数据存储于arm处理器内，实时采集环境中的紫外红外光谱信息及环境温度，对所采集的紫外红外光谱信息进行软件滤波及温度补偿，再进行相关的计算及数据比对，根据拨码开关所设的模式及灵敏度状态，最终准确判断是否发生火灾，若发生火灾，通过led指示灯进行火灾报警提示，同时将火警信号输出至各输出接口，并将相关火警状态信息通过can总线及rs485总线上报，led指示灯采用红、绿、黄三色共阳极指示灯，可对系统多种状态进行提示，正常情况下led指示灯为熄灭状态，每间隔10秒点亮一次绿灯提示工作正常，出现火警时点亮红灯进行火灾报警提示，出现故障时点亮黄灯、红灯或绿灯进行故障提示，同时将火警信号输出至各输出接口，使两组灭火器驱动输出电路实现两次有效灭火操作，启动一个灭火器进行火灾扑救，5秒后若还探测到火灾，即火灾尚未被扑灭，则启动另一个灭火器进行灭火增援，并将相关火警状态信息通过can总线及rs485总线上报。

最后应说明的是：以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。