光电检测技术.doc

火源探测报警装置

课程名称 光电技术
专业年级 机自114
学 号 1108030173
姓 名
指导教师 蔡家斌

二〇一 四年 五 月

目录
绪论……………………………………………………..1
摘要……………………………………………………..2
一、 火源报警装置结构原理……………………………… 2
（一）光学结构………………………………………………5
(二) 电学结构………………………………………………6
二、 火源报警装置在实践中的应用…………………..8
（一）直接报警装置……………………………………8
（二）间接报警装置……………………………………8
三、 对火源探测器的展望……………………………..8
四、 设计思路…………………………………………..9
五、 使用火源探测器应注意的问题………………….11
六、 总结……………………………………………….11
参考文献………………………………………………..12

绪论

光电检测是指利用各类光电传感器实现检测，将被测量的量转换成光学量，再转换成电量，综合利用信息传输和处理技术，完成在线和自动测量。光电检测技术是将传统光学与现代微电子技术、计算机技术紧密结合在一起的一门高新技术，是获取光信息或者借助光来获取其他信息的重要手段。随着现代科学技术的发展和信息处理技术的提高，光电检测技术作为一门研究光与物质相互作用的新兴学科、已成为现代信息科学的一个极为重要的组成部分。
光电检测技术运用广泛，几乎可以运用到现代科学技术发展的各个领域和日常工业活动中。其研究物质光是一种在生活中随处可见的物质，光电检测技术可以根据发光强度、辐射强度、亮度、波长、辐射频率等的强度或变化来进行检测，也可以根据不同性质的光来进行检测。如今，光电检测技术已经发展出纳米、亚纳米的高精度光电测量新技术，新式技术逐渐取代过往常用的技术，并逐步向三维测量技术和大空间三维测量技术发展。
由于光电检测技术的灵敏度高、响应速度、不受电磁干扰、可实现光信号的远距离传输等优点，因此光电检测技术和光电转换技术打发展在未来将更受关注，一切新兴技术都在朝着自动化，智能化，微型化，人性化等方向发展，光电检测技术也不例外。其中智能化将是一个重要的发展方向。

摘要：尽管在不同的情况下，发生火灾的情况不同，但在火灾发生的区域都伴随着温度升高、产生火光和烟尘等。根据探测区域的性质可选用不同的报警装置，以火源为辐射光源的报警装置是一种常用的报警装置。火灾产生时火光中的红外光波长较长，能透过一定的烟尘在一定距离内由红外元件吸收，从而装置能将红外辐射转为电信号输出，达到报警目的。
关键字：火源探测器 报警装置 红外线 辐射 火灾

一、 火源报警装置的结构原理
火灾探测系统是用来探测初期火灾已经发生的迹象、信号或变化因素的。它的主要用途是探测火灾并把探测到的火灾信号转换成可见或可听得见的声光信号。因此，它有一定的电学结构和光学结构来完成探测报警的这个过程。是光电式的报警装置。（图1引用《光电检测原理及应用》70页）

图1.火源探测器框图
1.火源 2.光学系统 3. 红外接收器 4.放大器
5.后接电路 6.音频振荡器 7.报警灯 8.音频放大器
图中光学系统2即为图4聚光装置，该装置采用了球面反射式光学聚焦作为红外元件以充分利用红外能量，因为火源会产生可见光和紫外线，所以必须要在红外元件接收器外面加一个薄膜滤光片使红外线通过滤掉其它光线，滤光后，红外元件所接收到的光即为不可见的红外光；当火灾发生产生火源发出红外线由圆弧形的聚光器将光集中反射到红外接收器C上，红外接收器为光敏电阻，光敏电阻接收照射后电阻很快便小，在外电场作用下产生电流经过放大器4放大后触发后接电路5，后接电路稳定运行使音频振荡器震荡导通报警灯7（发光二极管）报警器接通开始报警。
（一）光学结构及原理
由于在燃烧过程中会产生红紫外光线和红外光，这两者的波长均为不可见光，红外线波长在0.75~1000um之间（如图3）,根据波长范围可把红外线分为近红外、中红外、远红外和极远红外（如图2），它与一般光线类似，具有折射、反射功能。当火灾发生是，它能在一定距离内透过烟尘被红外元件吸收，因此可将该报警装置设定为红外探测系统。当火灾发生时，光源发出红外光线，红外线透过烟尘被红外元件接收，红外元件接收后经过调制解调或放大器将火灾信号放大后接后接电路，即将火灾信号转变为电信号，在电路中接入报警装置即可实现火灾报警。由于火灾发生的区域是不定的，所以一个仪器必须能监视多个区域，即采用多面镜来达到反射聚焦的目的，以太阳光为例，其光学结构如图4：

图2

图3

图4聚光装置

（二）电学结构及原理
火灾发生时，需将红外接收器接收到的光信号转变为电信号输出并接通报警装置完成报警，但是光信号是一种微弱的信号所以必须经过放大器放大使光信号能触发电路发出报警信号。其电路图如下：
由于光敏电阻没有极性，纯粹是一个电阻器件，无光照时，光敏电阻的阻值很大，电路中电流很小。接受光照时，由光照产生的光生载流子迅速增加，其阻值急剧减小。在外电场作用下光生载流子沿一定方向运动，在电路中形成电流，光生载流子越多电流越大。 所以，当可探测区域出现火灾时， 光敏电阻便立即产生电信号，经过放大，触发电路发出报警信号。第一级放大器由BG1、BG2组成，第二级放大器由BG3、BG4组成。放大后的脉冲经过电容C3和二极管D2对电容C4充电，为BG5提供基极电流使BG5、BG6稳定导通， 同时BG7开始震荡，外接发光二极管D4，D3导通，二极管D4发光，开始报警，当闭合开关K时，BG6接地，R11起保护作用，BG7与R13接报警器与报警器组成音频振荡器，报警完成。（引用《光电检测原理及应用》70页）

图5

二、 火源报警装置在实践中的应用
在实际应用中，有的火灾火源是可在探测区域内直接探测到的采用的是直接报警法。但有时火源在建筑物的夹壁、天花板等夹层内，造成多处冒烟但找不到火源，对于这种情况，采用的是间接报警法。
（一）直接报警法
直接报警法可以直接检测火源，原理与上述描述相同，采用红外光源探测装置。如：当房屋或仓库等地发生火灾时，火焰发出的光经滤波器滤波后被红外元件接收开始报警，与上述描述同理
（二）间接报警法
当火源在夹层中时，红外线无法透过夹层等障碍物夹层有没有小孔等可使红外线发生衍射被聚光装置反射吸收，但是火源会产生热辐射和热传导，因此，可用红外探热装置进行检测。

三、 对火源探测器的展望
1.火源探测器报警相对灵敏度及可靠性还比较低，只能确定确定火源的大致区域，还不能确定火源所在的准确位置，自动报警，灭火装置应该结成一体，如果火势过大或是红外辐射强烈，如何可以加上自动打火警求救装置。
2.对运用在不同的场合应该有不同的设置，这就要求对该报警装置进行参数控制，火灾发生时可以抑制火灾发生信号的产生，是否可以运动计算机及现有的信息电子控制技术完成这一控制，从而研究出能自动报警灭火的综合防火治理方案。
3.在很多场所是必须要杜绝火源的，比如：矿井、发电厂、加油站等，如何在这些场所在火源还没有产生即将发生火灾时根据气体的浓度、着火点、燃烧条件等方面来进行设计，预防火灾。即时采取措施避免人员伤亡和财产损失。
总而言之，火灾预防无论是在工业上还是民用生活中，都极其重要，而现在还有很多技术处于待成型阶段，展望未来，一定会逐渐完善，而光电检测将扮演主要角色。

四、 设计思路
1. 提出问题
无论在任何场所，火灾防护都是重要的安全措施，火灾一旦发生，所造成的生命损伤的财产损失都是不可挽回的， 特别是在矿井、发电厂、轮船等场合，怎样才能在火灾发生时第一时间收到信息并及时处理，最简单可行的方法就是用光电检测系统进行及时报警，如何设计光电电路？
2. 设想
当火灾发生是会产生光源，光源里含有紫外线和红外线的不可见光，其中红外线波长较长，传播距离较长，且能绕过一定的障碍物，因为光敏电阻是近红外波段最灵敏的光电导探测器件，原理图如图6所示，所以可以采用红外线敏感器件来进行光信号的传递并通过电路将信号输出去。

图6

3. 设计
因为火源发出的光信号比较复杂，所以在红外元件接收之前要通过相应的滤波器进行滤波来得到红外线，由于火灾发生的方向是不确定的，所以必须设计一个光学系统使得无论在那个方向上发生火灾都可以使探测元件探测到，因此采用反射聚光装置，如图4。但是红外光信号极其微弱，所以要将感测元件感测到的微弱信号转变放大为较大的电信号驱动报警装置，PbS光敏电阻对光敏感性强，灵敏度高，在电路中被光照射时，电阻能极具减小使电路电流增大，再通过放大器将电信号放大即可驱动报警装置。如图5。

五、 使用火源探测器应注意的问题
（一）误报警
因为火源探测器对光比较敏感，易受其他红外光的干扰，对红外灯，打火机、火柴火、烟火、或其他红外辐射光源有可能发生误报警情况，所以应尽量避免在检测区域出现检测干扰信号和尽量不要安装在光照较强或有太阳光照射的水面附近。
(二) 不报警
由于报警装置安装时间过长，导致光学系统被灰尘中感光元件被灰尘等挡住而当火灾发生时无法感测红外线或电路故障而导致无法报警。因此，在安装后，要经常清洁光学系统和电路检查、维修。

六、 总结
俗话说：三百六十行，行行出状元，每一个领域，都有其不可被剥夺的地位和不可或缺性。在科学发展中，每一个领域都是相互独立而又相互依存的，例如：光的技术可作为一个独立的研究领域，电子技术也是一个独立的领域；但是单一的光学技术和单一的电子技术适用范围较窄，两者结合过后能开辟新的科学技术领域，如光电检测技术。
要想把两样技术或更多技术融合在一起，就必须去积累各项技术的有关知识，在这次论文写作过程中，这一点感受颇深，由于知识有限，写起来举步维艰，难以下笔，没有任何储备的知识，只能现学现用，好不狼狈。
人每一次的成长应该就是观人而自省，做事而自省，做完而后自省了。

参考文献：《光电技术》第三版第三章、第十章，王庆友主编
《光电检测技术》郭天太，陈爱军，沈小燕，刘辉军编著华中科技大学出版社第一章第一节
《火灾探测与火灾系统》（美）约翰L·布赖恩著 冯绍全 唐祝华译，1988年03月第1版，群众出版社，第十章，第十三章。
《火灾探测与控制工程》吴龙标 袁宏永编著999年11月第1版，中国科学技术大学出版社，第三章。
《红外光电技术》匡定波主编；中国科学院上海技术物理研究所著，2004年出版，中国科学技术出版社
《光电仪器设计》马宏，白素平主编2007出版，兵器工业出版社，第一章第三节
《光电探测技术及应用》卢春生著，1992年03月第1版，机械工业出版社，第二章。
《光电检测原理及应用》秦积荣著，1989年09月第1版，国防工业出版社，第六章。
论文《基于通信网络的无线火灾报警器设计》徐子东著
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