红外线传感器.docx
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红外线传感器
£力乂呀
YANGTZEUNIVERSITY
防火防爆课程设计报告
题目名称
红外线传感器选型和传感接口电路选型
学
院
（系
）
继
续教育学
院
专
业
班
级
油工101
学
生
姓
名
王涛
（04）
指
导
教
师
杨
雄（教
授）
日
期
2012-2-12
至
2012-4-20
1火焰探测器（传感器）1
1.1火焰探测器（传感器）的重要性1
1.2火焰探测器（传感器）的工作原理1
1.3火焰探测器（传感器）的选择方法2
1.4火焰探测器（传感器）的种类及特点4
1.5红外线火焰探测器的选型8
2传感接口电路（光耦合器）12
2.1传感接口电路（光耦合器）的特点及优点12
2.2传感接口电路（光耦合器）的工作原理13
2.3传感接口电路（光耦合器）的选择方法14
2.4传感接口电路（光耦合器）的种类15
2.5传感接口电路（光耦合器）的选型15
3总结18
4参考文献19
1.火焰探测器（传感器）
1.1火焰探测器（传感器）的重要性
在生产、加工、储存、使用和运输各种可燃物质的部门，比如飞机停机库、大型油气罐区、关键的石油化工装置及自动加工工厂等部门，都需要配备性能可靠、反应灵敏的火焰探测器。
我们在设计燃油（气）锅炉内部的火焰探测器时，也需要考虑传感器的特点。
众所周知：
若能在火苗刚刚燃起时，火焰探检器就能立即探测到“小火”，我们便能尽快采取灭火措施，从而避免或减少损失，往往比较容易奏效。
因此，无论是单纯的火焰探测系统，还是作为自动灭火系统一部分的火焰检测，都对火焰探测探头提出了相当高的要求；首先是探头要有高的灵敏度，同时要有高的可靠性，再有就是希望探头要有大的检测距离，即有大的保护范围。
一般，人们往往简单地认为，只要设计采用高灵敏度的紫外（U"、红外（IR）传感器或紫外/红外（UV/IR）传感器，就能达到灵敏探测的目的。
但是，问题并不是人们所想象的那样简单。
因为一般火焰探测器（探头）都安装在生产现场，而在现场存在许多并非火焰的红外光和紫外光辐射源，而这些随机可能出现的辐射能将会干扰火焰探测探头的正常工作，以致使探测器产生误报警，甚至真的当有火焰出现时，探测器倒反而不报警了，是相当危险的。
因此，人们要求火焰探测器能够根据它所探测到的信号，做出正确的分析判断，区分究竟是“火焰”还是“干扰”，做到既不漏报警，也不误报警。
[1]
1.2火焰探测器（传感器）的工作原理（红外线传感器）
火焰传感器利用红外线对对火焰非常敏感的特点，使用特制的红外线接受管来检测火焰，然后把火焰的亮度转化为高低变化的电平信号，输入到中央处理器中，中央处理器根据信号的变化做出相应的程序处理。
火焰传感器能够探测到波长在700纳米〜1000纳米范围内的红外光，探测角度为60°，其中红外光波长在880纳米附近时候的灵敏度达到最大。
远红外火焰探头
将外界红外光的强弱变化转化为电流的变化，通过A/D转换器反映为0〜255范围内
数值的变化。
外界红外光越强，数值越小；红外光越弱，数值越大。
[2]
红外测距传感器利用红外信号遇到障碍物距离的不同反射的强度也不同的原理,进行障碍物远近的检测。
红外测距传感器具有一对红外信号发射与接收二极管，发射管发射特定频率的红外信号，接收管接收这种频率的红外信号，当红外的检测方向遇到障碍物时，红外信号反射回来被接收管接收，经过处理之后，通过数字传感器接口返回到中央处理器主机，中央处理器即可利用红外的返回信号来识别周围环境的变化。
般红外线传感器是由一只光电三极管构成，其电路图如下:
5Vhxvl
HIK
图一：
红外线传感器电路图
当光电三极管接收到红外线信号时，其电阻减小，在管两端的电压分压减小，输出口电压上升，输入到AD转换芯片进行转换。
⑻
1.3火焰探测器（传感器）的选择方法[4]
在提供解决方案的时候，选择合适的产品是很重要的一个环节，就传感器而言，种类就有很多，一旦选的不好，就会给后期工作带来很多的麻烦。
因此，选择好一个合适的产品，是十分重要的。
1.3.1根据测量对象与测量环境确定传感器的类型
要进行一个具体的测量工作，首先要考虑采用何种原理的传感器，这需要分析多方面的因素之后才能确定。
因为，即使是测量同一物理量，也有多种原理的传感器可供选用，哪一种原理的传感器更为合适，则需要根据被测量的特点和传感器的使用条件考虑以下一些具体问题：
量程的大小；被测位置对传感器体积的要求；测量方式为接触式还是非接触式；信号的引出方法，有线或是非接触测量。
在考虑上述问题之后就能确定选用何种类型的传感器，然后再考虑传感器的具体性能指标。
1.3.2灵敏度的选择通常，在传感器的线性范围内，希望传感器的灵敏度越高越好。
因为只有灵敏度高时，与被测量变化对应的输出信号的值才比较大，有利于信号处理。
但要注意的是，传感器的灵敏度高，与被测量无关的外界噪声也容易混入，也会被放大系统放大，影响测量精度。
1.3.3频率响应特性
传感器的频率响应特性决定了被测量的频率范围，必须在允许频率范围内保持不失真的测量条件，实际上传感器的响应总有—定延迟，希望延迟时间越短越好。
传感器的频率响应高，可测的信号频率范围就宽，而由于受到结构特性的影响，机械系统的惯性较大，因有频率低的传感器可测信号的频率较低。
在动态测量中，应根据信号的特点（稳态、瞬态、随机等）响应特性，以免产生过火的误差。
1.3.4线性范围传感器的线形范围是指输出与输入成正比的范围。
以理论上讲，在此范围内，灵敏度保持定值。
传感器的线性范围越宽，则其量程越大，并且能保证一定的测量精度。
在选择传感器时，当传感器的种类确定以后首先要看其量程是否满足要求。
但实际上，任何传感器都不能保证绝对的线性，其线性度也是相对的。
当所要求测量精度比较低时，在一定的范围内，可将非线性误差较小的传感器近似看作线性的，这会给测量带来极大的方便。
1.3.5精度
精度是传感器的一个重要的性能指标，它是关系到整个测量系统测量精度的一个重要环节。
传感器的精度越高，其价格越昂贵，因此，传感器的精度只要满足整个测
量系统的精度要求就可以，不必选得过高。
这样就可以在满足同一测量目的的诸多传感器中选择比较便宜和简单的传感器。
如果测量目的是定性分析的，选用重复精度高的传感器即可，不宜选用绝对量值精度高的；如果是为了定量分析，必须获得精确的测量值，就需选用精度等级能满足要求的传感器。
对某些特殊使用场合，无法选到合适的传感器，则需自行设计制造传感器。
自制传感器的性能应满足使用要求。
1.3.6稳定性传感器使用一段时间后，其性能保持不变化的能力称为稳定性。
影响传感器长期稳定性的因素除传感器本身结构外，主要是传感器的使用环境。
因此，要使传感器具有良好的稳定性，传感器必须要有较强的环境适应能力。
在选择传感器之前，应对其使用环境进行调查，并根据具体的使用环境选择合适的传感器，或采取适当的措施，减小环境的影响。
传感器的稳定性有定量指标，在超过使用期后，在使用前应重新进行标定，以确定传感器的性能是否发生变化。
在某些要求传感器能长期使用而又不能轻易更换或标定的场合，所选用的传感器稳定性要求更严格，要能够经受住长时间的考验。
1.4火焰探测器（传感器）的种类及特点一般安装火焰探测器的场合危险性比较高，同时它所保护的设备、物资等对象也比较昂贵。
正因为如此，人们对火焰探测器的可靠性就相当严格，对其报警准确性的要求也相当苛刻。
另外，市场的要求也加速了对火焰探测器的理论研究和产品开发，促使其不断发展，出现了采用不同原理（如物化、物理、电/光、电磁物理、电磁频谱分析和热力学原理）的各种火焰探测器。
在“火焰”的辐射能中有30%〜40%是以电磁辐射的形式消耗的。
这些电磁辐射包括紫外线（UV，可见光和红外线（IR）。
下图是典型的碳氢化合物火焰的电磁辐射频谱图，图中带斜线的频段就是通常的火焰探测器所选择的频段。
0.2290.42.7K3
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图二：
典里的磁紅化合物火焰辆射谱图
各种光学火焰探测器探头都选择火焰光的某些频带范围，而且是“火焰”所具有的比较特殊的频带。
频带通常很窄，探测器根据探头接收到的确定波长（频带）的
辐射信号，按照预先确定的分析方法，进行如下一种或几种的计算和分析判断。
探闪烁频率分析；
探阈值能量信号比较；
探信号间的数学相关分析；
探逻辑比较分析；
探与储存的频带曲线对照分析。
采用上述分析方法的宗旨，使火焰探测器有高的灵敏度和高的可靠性。
在近二十年，下述的4种火焰探测器应用比较广泛。
探UV紫外线探测器；
探IR红外线探测器；
探UV/IR紫外线/红外线探测器；
探IR/IR红外线/红外线探测器。
上述各种系列的探测器尽管都采用了一种或几种参数分析方法并采用了能接受特殊波长辐射能的高灵敏度探头，但往往这些探测器只能局限于应用在符合某些规定要求的场合。
而这种应用场合的确认，就必须进行可能引起检测器误报警的环境因素的分析评定。
这显然是一个相当棘手的问题。
[5]
1.4.1UV紫外线火焰探测器
由于紫外线频带的波长比较短，因此易被周围的物质，如烟尘、有机物蒸气和其他一些气体吸收，尤其是波长小于0.3卩m的辐射（太阳光中也有这种频段的辐射），更易被环境中的气体吸收。
但从这个角度来说，由于太阳光中这一频带的辐射能（无臭氧层空洞）被空气中的某些物质吸收，反倒不容易使探测器误报警。
UV紫外线探测器探检火焰的原理，是在可燃物质燃烧或爆炸刚点燃的瞬间，会以极快的速度（3〜4毫秒）辐射出较强能量的紫外线。
但是，象闪电、电弧、电焊光和透过臭氧层空洞的太阳光等，很容易引起UV紫外线型火焰探测器的误报警。
1.4.2IR红外线火焰探测器
“火焰”都会辐射出红外线。
IR红外线火焰探测器就是基于检测火焰的高温以及由火焰引起的大量的高温气体都能辐射出各种频带的红外线的原理。
但是，能够辐射出红外线的不仅仅是火焰，一些高温物体的表面，如炉子、烘箱、卤素白炽灯、太阳等都能辐射出与“火焰”红外线频带相吻合的红外线。
因而这些并非火焰的红外源就十分容易使IR红外火焰探测器产生误报警。
为了能从其他各种红外光源特殊频带的信号中真正区分出火焰的信号，目前都普遍采用多参数分析和数学计算技术，用得比较多的是闪烁分析和红外光窄频阈值信号（4.i〜4.6卩m分析。
⑹
1.4.3双探头探测器
为了使误报警减少到最小程度，目前许多火焰探测器都装有两个吸收不同频段辐射的探头，主要有：
UV/IR紫外/红外双探头火焰探测器；IR/IR红外/红外双探头火焰探测器。
近年来，双探头的火焰探测器得到不断发展，同时也出现了旨在进一步降低误报警率的好的分析方法。
1.4.3.1UV/IR紫外/红外火焰探测器
UV/IR紫外/红外双探头火焰探测器选用了一个紫外线探头和一个高信噪比的窄频带的红外线探头。
虽然紫外探头本身就是探测火焰的一个好的探头，只是由于它特别容易受电焊光、电弧、闪电、X射线等（紫外线辐射）触发而产生误报警。
因此，为了防止误报警的发生，它增加了一个IR红外检测通道。
在许多被探测范围不大的
场合，可以采用这一类型的探测器。
只有当探测器同时接收到特殊频带的红外信号，同时又接收到特殊频带的紫外线信号时，才确认有火焰存在。
但是，这一看来似乎很好的技术也还有其缺点。
这是因为不同形式的火焰，其辐射的紫外线强度和红外线强度的比值是各不相同的。
例如，氢火焰辐射出大量紫外线，而辐射的红外线很少；相反，煤的火焰就辐射出比较多的红外线，而辐射的紫外线就很少。
而双探头的探测器是两个信号通过“与门”来进行判断的，因此象上述的情况就有可能无法检测出来。
为此，为了保证探测火焰信号的可靠性，在探测器中设置UV，IR和两者比值的阈
值逻辑判断功能。
如果在火焰探测器的工作场所同时存在UV和IR的干扰光源；如
UV紫外线电焊光、电弧、闪电、火炬（一般石油化工厂都有）IR红外线一
——烘箱、卤素灯、炉子等等，那么这种火焰探测器还是可能会受到干扰而出现误报警。
更严重的问题是，如果当存在强的紫外线光源（电焊光）的时候，同时又刚好有火焰产生，由于这个强的紫外线信号可能会中断探测器将红外通道信号进行逻辑判断的功能，从而会造成漏报警。
显然，这是相当危险的。
虽然可以再进一步判别各种信号的持续时间，以减少误报警的概率，但是误报警还是难以避免，尤其还可能会出现漏报警这样的更严重的问题。
1.4.3.2IR/IR红外/红外火焰探测器
IR/IR红外/红外火焰探测器是另一种双探头的型式，内装有两个接收窄频带的红外线探头，根据一般碳氢化合物火焰的频谱曲线，通常的IR/IR双探头火焰检测器采用0.9卩m和4.3卩m窄频带的两个探头，并对其信号进行分析，其中4.3〜4.5卩m的信号是由火焰产生的热CO外其他辐射的，是个很明显的尖峰信号，这是双红外探头火焰探测器的一个主信号。
通常，探测器将两个探头所采集到的信号要进行如下的数学分析：
※闪烁分析；
※辐射能量与确定的阈值对照分析；
※两个信号的比值分析。
如前所述，一般的双红外探头中都有一个作为主信号的4.3卩m的频带的探头，这个频带能量的辐射是由于火焰产生的热CO存在的缘故。
但是这一频带的辐射能也
）不大。
容易被大气中的CO气体所吸收，因此它的检测范围（或称“覆盖范围”
1.5红外线火焰探测器的选型
1.5.1MSAIR3三（红外）探头火焰探测器上述的各种探测器都存在这样或那样的缺点，尤其在某些使用场合，原先那种传统的或经典的分析方法已经不能胜任。
随着电/光技术的不断发展，就有可能对火焰的光谱做更广的分析。
正如大家所知道的，探头接收到的辐射能量受到探头与被测火焰间的距离以及探测光路中CO浓度的直接影响。
有下列两个原因影响双IR红外探头火焰探测器在某些场合的应用：
①火焰能量的辐射，在3.3卩m频带附近的辐射强度，随距离的增加将急剧地减少，尤其在大气中CO浓度比较高的情况下，以至探头接收的信号很弱，甚至探测器无法判断火焰的存在；②4.3卩m的尖峰信号是火焰的一个主信号，但是由于在传播过程中环境影响造成的损失以至分别从4.3卩m及第二通道0.9卩m两个探头得到的信号的比值接近1:
1;不再是通常的火焰应有的比值；即就是有火焰存在，探测器也不能发出“有火”的信号，这当然是相当危险的。
要克服第一个缺点，可以选择一个宽频带的探头，以提高所接收到信号的强度，但是它无法克服第二个缺点；虽然可以采取一些措施来弥补上述的缺陷，但采用了更复杂的分析方法。
简而言之，虽然双红外探头IR/IR火焰探测器能在一些室内场合和有条件地在一些室外场合使用，但是它无法使用在要求检测距离大的场合。
为了解决上述的问题，一种新的产品———MSAIR3三（红外）探头的火焰探测器已经推向市场，它是基于这样的技术原理，绝大多数火焰的辐射是由燃烧生成的热CO气体和水蒸汽分子产生的。
我们可以把“火焰”看作是一个“交替”的红外光源；在CO辐射频带的辐射强度比较强，而在本底频段的辐射强度就比较弱；而其他许多红外光源，即会触发火焰探测器误报警的红外光源，如热的物体表面等，就没有这个特性。
基于这样的考虑，在探测器中装有3个接收火焰特殊频带的红外探头，可以在3个接受不同频带的信号间建立起能够区分是“火焰”还是“干扰”的逻辑判断和相关
的数学关系，做到几乎没有误报警。
同时，进一步的红外分析技术，还能精确探测已产生的热CO气体，但尚无明火，即“阴燃”的火。
1.5.2MSAIR3三（红外）探头火焰探测器调理电路
火焰传感器的好坏对于该系统的功能能否实现十分重要。
我们设计制作的火焰传
感器及其调理电路如图二所示。
火焰传感
图三：
火焰传感器及其调理电路
在该电路中，当火焰传感器没有检测到火焰时，火焰传感器不导通而使得火焰传感器的阳极上拉电阻R1上拉为高电平，经比较器滤波整形后输出高电平。
当检测到火焰时，火焰传感器导通，比较器输出低电平。
经试验验证，本电路工作性能稳定，能耗较低，因此我们选择此电路作为我们的传感器检测与调理电路。
1.5.3MSAIR3三（红外）探头火焰探测器的技术参数
MSA公司推出的FlameGardIR3火焰探测器，既有相当高的灵敏度，检测距离可达60m（—般的IR/IR，UV/IR双探头火焰探测器的检测距离仅有15m），同时又几乎无误报警，应该说是一个比较理想的产品。
图四：
FlameGardIR3火焰探测器
FlameGardIR3是一个专利产品，其3个红外探头接收的频带是经过仔细地选择，并设计了科学的计算和分析程序，最大程度地与“火焰”辐射的波长/强度相匹配。
FlameGardIR3由内置的微处理器进行输入信号的分析判断以及输出信号的变换，根据采集的信号，动态进行闪烁、阈值、相关和比值等分析，作出准确的判断，几乎无误报警。
该仪表具有极高的可靠性MTBF>100，OOOh，超过11年。
主要技术指标如下。
探防爆等级：
CENELECEEXBT5;适用1区；
探灵敏度：
0.1m的可燃性介质（汽油、柴油、航空煤油、乙醇、庚烷），灵敏度有4档量程（15m/30m/45m/60m）可设置。
探响应时间：
2s;有延时功能，0〜30s，可调；
※视角：
水平90°;
垂直90°
探工作电压范围：
DC4.5-5.5V
探功耗：
200mA（正常工作时）;150mA（报警时）;
探自检功能：
自动和手动；
探信号输出：
4〜20mADC;RS-485;
探继电器触点：
报警2A，30VDC或250VAC;
故障2A，30VDC或250VAC;
探电缆出口螺纹：
标准3/4〃（1〃=25.4mm）;14NPT螺纹；
探工作温度：
-40〜70C；
探重量：
3.5kg;6.5kg（不锈钢材质）。
探在黑暗环境中（无光照），光照电压5V,无火源输出电压4.8V。
有火源输出
电压与距离成一定关系，具体如下:
距离
输出电压
10mm
0.06V
20mm
0.07V
40mm
0.09V
60mm
0.1V
80mm
0.11V
100mm
0.13V
200mm
0.18V
300mm
0.19V
400mm
0.22V
500mm
0.25V
600mm
0.30V
700mm
0.32V
800mm
0.43V
900mm
0.50V
1000mm
0.70V
2000mm
1.44V
8000mm
3.52V
探在室内可见光会对传感器有一点的影响，可以通过增加热缩管解决问题探电位器为灵敏度调节旋钮，调节电位器可以改变灵敏度。
1.5.4火焰传感器的安装
我们所设计的火焰传感器在每一侧都有一“近视”火焰传感器和“远视”火焰传感器。
这样“远视”传感器和“近视”传感器的配合使用可以防止错误检测到火焰的情况的出现。
我们只需要在相应的位置打开或关闭“近视”和“远视”传感器就可以对不同距离的火焰进行测量。
“近视”传感器实现
在传感器上面加上铝合金的小管可以增加传感器的准确度。
是通过在铝合金小管上加黑色塑料纸实现的。
经过这样的改装，“近视”传感器可以只检测到一个方格而远视传感器可以检测到3个以上的方格。
锅炉上采用了3只远红外传感器（700nm-1000nm）构成红外传感系统，主要用来检测前方、左前方和右前方的热源，检测距离范围为0〜1m用户可以通过调节电位器来调节远红外传感器灵敏度。
远红外传感器将远红外光的变化转化为电流的变化，在电阻上产生电压，我们可以通过A/D转换器反映为0〜1023范围内的数值。
外界红外光越强，数值越小。
因此越靠近热源，显示读数越小。
根据函数返回值的变化能判断红外光线的强弱，从而能大致判别出热源的远近。
由于远红外火焰探头工作温度为-25C~85C，存放温度为30C〜100C,超过以上温度范围，远红外火焰探头可能会出现工作失常甚至损坏，所以在使用过程中应注意火焰探头离热源的距离不能太近，以免造成损坏。
远红外传感器探测角度为60°，测试时最好让热源处于探头的检测范围内。
[7]
2.传感器接口电路（光耦合器）
2.1传感器接口电路（光耦合器）的特点及优点
光耦合器（opticalcoupler，英文缩写为0C亦称光电隔离器，简称光耦。
光耦合器以光为媒介传输电信号。
它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它在各种电路中得到广泛的应用。
目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。
光耦合器一般由三部分组成：
光的发射、光的接收及信号放大。
输入的电信号驱动发光二极管（LED,使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进一步放大后输出。
这就完成了电—光—电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。
由于光耦合器输入输出间互相隔离，电信号传输具有单向性等特点，因而具有良好的电绝缘能力和抗干扰能力。
又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件，因而具有很强的共模抑制能力。
所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。
在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件，可以大大增加计算机工作的可靠性。
光电耦合器件具有以下特点[9]：
1.体积小，重量轻，使用方便，性能稳定；2.不受磁场影响，不需磁屏蔽，抗干扰能力强；3.无触点，寿命长，响应速度快，可以传输高达几MHZ的脉冲信号；4•隔离电压等级高，输入和输出两端之间绝缘电压可达万伏以上；由于光电耦合器件具有上述一系列特点，目前已广泛应用于计算机测量控制系统中，成为接口技术中十分重要的隔离器件。
光耦合器具有以下优点：
信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离，输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效率高。
光耦合器是70年代发展起来产新型器件，现已广泛用于电气绝缘、电平转换、级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离、脉冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR、仪器仪表、通信设备及微机接口中。
在单片开关电源中，利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路，通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。
[10]
2.2传感器接口电路（光耦合器、的工作原理[11]在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小，此光照射到封装在一起的受光器上后，因光电效应而产生了光电流，由受光器输出端引出，这样就实现了电-光-电的转换。
光电耦合器是把发光器件与光敏接收器件集成在
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