非色散紅外CO2飛機火警探測器的設(shè)計摘要在現(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器來對火災(zāi)進行報警。非色散紅外CO2火警探測器采用非色散技術(shù)來進行火警的探測與報警，和傳統(tǒng)探測器相比誤報率會極大的降低。關(guān)鍵詞飛機火災(zāi)；非色散技術(shù)；火警探測器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，由于現(xiàn)代技術(shù)的迅速進步，人們的旅行也變得越來越多樣化。在眾多交通工具中，飛機由于它的便捷快速，無疑變成大眾的首選出行工具。飛機由于與其他交通工具運作方式的不同，雖然出現(xiàn)事故的概率小，但如果一旦出現(xiàn)事故，機毀人亡的概率很大。因此相關(guān)工作人員一直在對飛機的結(jié)構(gòu)、材料以及飛行儀器在進行不斷的升級與改進，同時對飛機駕駛員的要求也在不斷的提高。但是，為了保護飛機的飛行安全，其中一個問題也不容忽視，就是飛機上的火災(zāi)問題。相對于其他交通工具而言，飛機的結(jié)構(gòu)復(fù)雜且飛行環(huán)境實在高空，一旦出現(xiàn)火災(zāi)，人員的傷亡和財產(chǎn)的損失是不可避免的。相比于其他，乘客的自救難度大，且飛機的空間狹小，不利于移動。若是在空中出現(xiàn)這種情況，可能會對飛機的雷達系統(tǒng)造成影響，從而進一步影響到地面人員對飛機位置及火情的了解，使機毀人亡的可能性大大增加。綜上所說，飛機的人員密集，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)，如果不能及時獲得其異常情況，隨著時間增長，火勢只會越來越大，等到這個情況發(fā)生，在進行相關(guān)的滅火措施也于事無補，所以對于火災(zāi)的探測就顯得尤為重要，這樣利于機組人員和乘客及時作出反應(yīng)，將損失降低下去。傳統(tǒng)的火警探測系統(tǒng)是針對火災(zāi)所產(chǎn)生火焰的某一特性（如所產(chǎn)生的的煙霧的濃度，飛機內(nèi)部周圍的溫度等），對其探測所用的傳感器的結(jié)構(gòu)不使用多么復(fù)雜的結(jié)構(gòu)或者對其設(shè)置一個簡單的數(shù)值，以這個作為依據(jù)來判斷是否發(fā)生火災(zāi)。就拿飛機上常用的煙霧火警探測器來說，雖然這一設(shè)置對探測火情沒有出現(xiàn)過失誤，但是假警報出現(xiàn)的幾率卻很高。假警報的出現(xiàn)會給飛機帶來不可必要的損失，也可能帶來其他的安全隱患問題。然而假警報的出現(xiàn)時具有偶然性的，是人們不可預(yù)知的。同時，為了快速的控制火勢蔓延，火災(zāi)探測器必需在火災(zāi)發(fā)生的初始階段內(nèi)迅速發(fā)出警報，這樣才能讓機組人員在有限的時間內(nèi)將隱患消除。因此，我們需要一種高靈敏度，低誤報率的火警探測器來代替現(xiàn)有的火警探測器。1.2火災(zāi)的特點及其探測技術(shù)的發(fā)展1.2.1火災(zāi)的特點火災(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、點火源。可燃物必需有一定的初始能量，達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)均勻可燃氣體的燃燒是鏈式反應(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，并且在累計一段時間（誘導(dǎo)期）之后，它將自動著火或爆炸。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，燃料就會快速升溫而著火。這種與流動和傳熱密切相關(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。在燃料的活動強，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著火。在大氣壓力下,某些空氣中某些可燃氣體的著火性能如表1-1所示。表1-1可燃氣體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)探測技術(shù)的發(fā)展火災(zāi)探測技術(shù)的出現(xiàn)其本身是不會影響火災(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，準確發(fā)現(xiàn)火災(zāi)和及時報警對于組織人員疏散以及控制火勢蔓延具有重要意義?；馂?zāi)探測器已經(jīng)發(fā)展了近100年，從19世紀40年代到20世紀40年代，感溫探測器一直處于主導(dǎo)地位，其探測器期間也有了進一步的發(fā)展，出現(xiàn)了定溫探測器、差溫探測器等一系列探測器。直至20世紀50年代到70年代，出現(xiàn)了感煙火災(zāi)探測器。到80年代，由于單片機技術(shù)的普及，總線制火災(zāi)探測器應(yīng)運而生。在到90年代，人們對火災(zāi)的了解越來越深入，與此同時，隨著計算機、電子技術(shù)的快速發(fā)展，火災(zāi)探測器的改進也到了智能化階段，出現(xiàn)火災(zāi)智能報警系統(tǒng)，火災(zāi)的探測也越趨于準確。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，火災(zāi)探測技術(shù)也在不斷發(fā)展。在火災(zāi)探測技術(shù)的發(fā)展史上，它是朝著兩個方向發(fā)展的，一個是縱向發(fā)展，根據(jù)火災(zāi)的識別與判據(jù)來發(fā)展新的探測器。另一個是橫向開發(fā)，在現(xiàn)有探測器的基礎(chǔ)上開發(fā)新的信息采集和處理方法，以改進探測器系統(tǒng)。研發(fā)或改進出新的探測器，其最終目的都是為了能夠快速準確的對火災(zāi)進行探測，并及時發(fā)出警報，同時將周圍的干擾降到非常低的值，甚至為零，雖然這個目標極難實現(xiàn)，但我們不能否認火災(zāi)探測技術(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)，一些新型的探測器運用到飛機中，這也是飛機火警探測技術(shù)發(fā)展的趨勢，必將成為未來發(fā)展的重點。2火警探測器總體設(shè)計方案2.1火警探測器的選擇在火災(zāi)發(fā)生過程中，會發(fā)生一系列的物理、化學(xué)反應(yīng)，這些都會造成人員的傷亡和財產(chǎn)的損失，因此需要使用火警探測器來減少火災(zāi)所造成的一系列損失。火警探測器就是利用火災(zāi)中所產(chǎn)生的煙霧、溫度等一系列參量來報警的，目前采用這些參量的探測器都有用了其所對應(yīng)的產(chǎn)品，如感煙式探測器、感溫式探測器、氣體式探測器等。=1\*GB2⑴感煙式火警探測器感煙式火警探測器是通過檢測周圍環(huán)境中的煙霧濃度來實現(xiàn)對火災(zāi)的報警。在火災(zāi)的早期階段，有一個陰燃階段，在此階段下，會產(chǎn)生大量的煙；隨著煙霧顆粒的持續(xù)增長，內(nèi)部傳感器也進行相應(yīng)的物理變化，這些物理變化被處理成電信號，以供檢測器識別。在本文中選擇用于比較的探測器是光電感煙式火警探測器光電感煙式火警探測器如圖2-1所示，它以煙霧集散室為核心，探測器內(nèi)部主要組成部件有光電管、信標燈、試驗燈。光電管與信標燈之間的夾角為90°，在沒有發(fā)生火災(zāi)的情況下，信標燈發(fā)出的光線是無法達到光電管上的。只有當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，周圍環(huán)境中的煙霧進入到煙霧集散室中，信標燈發(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)電流的大小達到探測器的警戒值時，探測器就會發(fā)出相應(yīng)的告警信號，提醒機組人員及時作出反應(yīng)。圖2-1光電感煙式探測器光電感煙式火警探測器的優(yōu)點是內(nèi)部有光學(xué)迷宮，對煙霧粒子的感應(yīng)較為靈敏，工作效能穩(wěn)定可靠，結(jié)構(gòu)設(shè)計獨特。缺點有以下幾個=1\*GB3①如果飛機在起飛和著陸階段時發(fā)生晃動，機內(nèi)的一些雜質(zhì)會進入到探測器中，被探測器誤認為是煙霧粒子的話，就會發(fā)出假警報。=2\*GB3②并不是所有的煙霧會對光產(chǎn)生散射，這在一定程度上會對探測器的靈敏度造成干擾。=3\*GB3③光電感煙式火警探測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，對探測器的準確度會有一定程度上的影響。=4\*GB3④如果產(chǎn)生的是黑色煙霧的話，其對光線主要是吸收，散射能力會大大減小。=2\*GB2⑵感溫式火警探測器感溫式火警探測器是對周圍環(huán)境的異常溫度和溫度上升速度做出反應(yīng)的探測器。它使用熱敏元件來檢測火災(zāi)，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，四周環(huán)境中不光會有煙霧的產(chǎn)生，同時也會伴隨熱量的產(chǎn)生。隨著溫度的上升，檢測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，并發(fā)送給探測器，使其做出相應(yīng)的舉措。在本文中選擇用于比較的探測器是熱敏電門式火警探測器。熱敏電門式火警探測器如圖2-2所示，它采用的是雙金屬熱敏型開關(guān)，當(dāng)周圍的溫度達到警戒值時，會使兩端的金屬片受熱變形，從而使觸點接觸，使這段的電路接通，發(fā)送相應(yīng)的告警信號，使機組人員知曉，并做出相應(yīng)的措施。圖2-2熱敏電門式火警探測器結(jié)構(gòu)熱敏電門式火警探測器的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)簡單，運行可靠，但也存在一些缺點，其缺點如下：=1\*GB3①如果使用的時間過于長，會使探測器內(nèi)部的金屬片失去彈性或彈性降低，其靈敏度就會大大降低，很有可能有誤報信息的情況出現(xiàn)，不利于機組人員的判斷。=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到探測器的警戒值，就不能準確的發(fā)出火警信號。=3\*GB3③當(dāng)發(fā)生的火情已經(jīng)被及時處理了，其警告信息還會顯示。只有經(jīng)過冷卻后，金屬片變?yōu)樵瓉淼臓顟B(tài)，信號才會斷開。=4\*GB3④有的時候只是探測器周圍的工作部件經(jīng)長期運行后，導(dǎo)致其溫度上升，但并不是有火情出現(xiàn)，探測器也會做出相應(yīng)的報警。=3\*GB2⑶氣體式火警探測器氣體式火警探測器可用于檢測環(huán)境中各個氣體的濃度，它能夠長期檢測環(huán)境中氣體爆炸下限內(nèi)的濃度值，根據(jù)該濃度值變換，來檢測是否發(fā)生火災(zāi)，并且執(zhí)行警報處理。在本文中選擇用于比較的探測器為紅外吸收式氣體探測器。非色散紅外氣體檢測器是基于非色散紅外檢測（NDIR）原理的濃度探測技術(shù)，也是最常用的檢測氣體濃度的方法之一。如果氣體分子具有兩個不同的原子，即含有極性共價鍵的分子，則當(dāng)使用紅外光照射充滿氣體的氣室時，紅外光的入射光強度是不同的。當(dāng)紅外光通過充滿氣體的氣室時，氣體吸收相應(yīng)波長的光譜，這會導(dǎo)致紅外光強度的衰減。根據(jù)氣體吸收的波長的差異確定氣體的類型，并根據(jù)紅外光強度的衰減強度來計算氣體濃度的大小。非色散紅外氣體探測器主要由以下部分組成，即：紅外光源、氣室、紅外探測器。紅外光源發(fā)出紅外光，通過氣室后被氣體吸收并到達紅外探測器。根據(jù)紅外探測器測得的紅外光強度以及相應(yīng)的波長，得到被測氣體的種類和濃度。紅外吸收式火警探測器具有以下優(yōu)點：靈敏度高、選擇性好、運行可靠、操作方便。表2-1探測器對比探測器種類優(yōu)點缺點光電感煙式火警探測器對煙霧粒子的感應(yīng)較為靈敏、工作效能穩(wěn)定可靠、結(jié)構(gòu)設(shè)計獨特受環(huán)境影響，靈敏度會有所下降、可能會出現(xiàn)誤報熱敏電門式火警探測器結(jié)構(gòu)簡單、工作可靠可能會出現(xiàn)誤報、需要一定時間，報警信號才會斷開非色散紅外火警探測器靈敏度高、選擇性好、運行可靠、操作方便綜合上面所敘述的火警探測器，如表2-1所示，每個火警探測器都有其各自的優(yōu)缺點，結(jié)合實際的使用環(huán)境，火災(zāi)發(fā)生時所產(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)勢頭并不大，其產(chǎn)生的溫度也不高，又因為火災(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，感煙式火警探測器與感溫式火警探測器就不能接受火災(zāi)所產(chǎn)生的煙霧與溫度信息，對火災(zāi)的報警就會產(chǎn)生延誤，不利于人們做出正確的判斷，如果其發(fā)生在飛機上，就會更加危險。這些年以來，隨著氣體檢測技術(shù)的不斷發(fā)展，利用氣體火災(zāi)探測技術(shù)來檢測火災(zāi)的發(fā)生，已引起越來越多人的關(guān)注。對于飛機上火災(zāi)的探測，越早發(fā)現(xiàn)，對機組人員進行下一步的對策越有利，可以在最大程度上，對火災(zāi)進行抑制，并且減少經(jīng)濟上的巨大損失。氣體探測技術(shù)相對于感溫、感煙探測技術(shù)而言，它能在火災(zāi)發(fā)生的初期階段就檢測到火災(zāi)的發(fā)生，并做出相應(yīng)的操作，氣體式火警探測器的靈敏度和準確度與感煙、感煙式火警探測器相比，更有優(yōu)勢。因此本次設(shè)計所選擇的火警探測器是非色散紅外火警探測器。2.2火警探測參量的選擇像大多數(shù)的感煙、感溫式火警探測器是利用火災(zāi)中煙霧與溫度的特性來進行報警的。在20世紀80年代中期，Cooper的研究報告指出，33%的煙霧探測器不會像預(yù)期的那樣發(fā)出警報，95%的煙霧探測器由于周圍因素而受到誤報。根據(jù)這種情況，使用氣體式火警探測器對火災(zāi)進行報警成為了一個新的手段。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)出時間也早于煙霧，由于水蒸氣對濕度有要求，所以不對它進行選擇參量。根據(jù)Milke等人進行的實驗表明，可燃物燃燒均會產(chǎn)生CO和CO2。就目前的情況而言，CO火警探測器對于所探測到的濃度較低，達不到火警探測器所要求的標準，而CO2的濃度在火災(zāi)發(fā)生時會有一個明顯的變化。因此，可以根據(jù)CO2濃度的變化，來判斷火災(zāi)的發(fā)生，并對其進行相應(yīng)的報警。2.3探測器結(jié)構(gòu)設(shè)計需要考慮到的問題2.3.1硬件方面在飛機飛行過程中，除了起飛和降落階段，其飛行都是在平流層完成的。飛機飛行的高度大多為8000m到12000m之間，在這個高度下，飛機都是長時間處于一個低溫、低壓的環(huán)境中，在此環(huán)境下，會使非色散紅外CO2火警探測器的精度大打折扣，這也是此探測器所面臨的難點之一，如若不解決，會使飛機處于一個非常危險的環(huán)境中。為了解決這一難點，利用采用加熱保溫技術(shù)，就是在火警探測器中添加以下組件：溫度傳感器、保溫材料以及加熱元件。溫度傳感器是來檢測飛機飛行過程中的溫度變化。加熱元件是為了對火警探測器進行加熱，來確?；鹁綔y器在惡劣環(huán)境下能有一個合適的溫度，同時為了防止其溫度在低溫、低壓的環(huán)境中流失，又采用保溫材料對其進行保溫，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行相關(guān)的報警。2.4總體結(jié)構(gòu)非色散紅外CO2火警探測器總體結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。圖2-3探測器總體結(jié)構(gòu)3非色散紅外CO2火警探測器硬件設(shè)計3.1探測器結(jié)構(gòu)組成探測器的結(jié)構(gòu)由主要以下部分組成：紅外光源、氣室、濾光片、紅外探測器。如圖3-1所示，此圖為探測器的示意圖，紅外光源產(chǎn)生紅外光，紅外光經(jīng)過紅外窗口后，進入到氣室中，通過氣室，到達測量濾光片和參比濾光片，紅外探測器接受到一個包含氣體濃度值的測量信號和一個包含光源和環(huán)境信息的參比信號。圖3-1探測器示意圖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)計中較為主要的一個部分之一，選擇適當(dāng)?shù)募t外光源，可以為接下來的檢測提供高的準確度，同時另一方面也可以減少損耗和成本。在此設(shè)計中我們對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，將會導(dǎo)致吸收能量的差異，從而會使測量數(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時間使用，具有良好的穩(wěn)定性和強抗氧化性。=5\*GB2⑸在長時間的使用過程中，不會產(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實物圖圖3-3不同波長的紅外光與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啟動電壓5V損耗0.57W發(fā)熱狀態(tài)下阻值43Ω運行壽命4000小時由于紅外光源經(jīng)發(fā)出到達紅外探測器時，此時的紅外光強度已經(jīng)非常小了，所以我們還需要對紅外光源進行調(diào)制，傳統(tǒng)的機械調(diào)制由于其有一些缺點，并不適合本設(shè)計使用，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)波長為4μm時調(diào)制深度和頻率成反比關(guān)系，當(dāng)調(diào)制深度到達10%時，相對應(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紅外探測器紅外探測器是硬件設(shè)計中最為重要的部件，紅外探測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和測量信號。其功能在很大情況下決定了火警探測器的靈敏度以及準確度。在現(xiàn)行的紅外探測器中，最為多見的探測器有紅外光子探測器、熱電堆探測器和熱釋電探測器。=1\*GB2⑴紅外光子探測器紅外光子探測器是采用光電效應(yīng)制成的紅外探測器。當(dāng)探測器吸收紅外光輻射的光子時，探測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)的強度取決與輻射源的輻射強度和探測器的靈敏度。紅外光子探測器有波長選擇性和響應(yīng)范圍小的缺點。由于紅外光子探測器的使用環(huán)境較為苛刻，所以不列入比較范圍內(nèi)，不對其進行詳細的選型。=2\*GB2⑵熱電堆探測器熱釋電探測器是依據(jù)熱釋電效應(yīng)制成的紅外探測器。圖3-5為熱釋電原理圖，紅外光射入到探測器中，熱晶體隨著溫度的增加其本身的自極化程度會有所減小，這樣熱晶體就會產(chǎn)生漂浮電荷，并形成電信號。本設(shè)計使用的熱電堆探測器是PerkinElmer公司生產(chǎn)的的TPS2534雙通道探測器，其實物如圖3-5所示。圖3-5TPS2534實物圖在每個通道上都有一個TPS2534和一個濾光片。TPS2534內(nèi)部有一個有熱敏電阻，而熱敏電阻會受到溫度的干擾，所以也可以用它來為火警探測器的測量參數(shù)提供參考。TPS2534擁有四個引腳，即：熱敏電阻、測量通道、參比通道、接地引腳。由于賽貝克效應(yīng)的存在，熱電堆探測器的熱端與冷端有溫差時，就會產(chǎn)生電壓，因此它不需要啟動電壓就可以產(chǎn)生相應(yīng)的電壓信息，從而輸出相應(yīng)的參比信號和測量信號。=3\*GB2⑶熱釋電探測器熱釋電探測器是依據(jù)熱釋電效應(yīng)制成的紅外探測器。圖3-6為熱釋電原理圖，紅外光射入到探測器中，熱晶體隨著溫度的增加其本身的自極化程度會有所減小，這樣熱晶體就會產(chǎn)生漂浮電荷，并形成電信號。圖3-6熱釋電效應(yīng)原理本設(shè)計使用的熱釋電探測器為PerkinElmer公司生產(chǎn)的PYS3228探測器，其實物如圖3-7所示。圖3-7PYS3228實物圖PYS3228探測器有兩個獨立的探測頭，每個探測頭也要安裝相應(yīng)的濾光片。其海外探測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)，信號輸出能達到80%。因此為了確保信號的準確度，需要將探測器安裝在特殊的位置。在電源方面也需要電源來驅(qū)動其正常運作。綜合上面所介紹的紅外探測器，如表3-2所示，對紅外探測器進行對比。表3-2紅外探測器對比型號優(yōu)點缺點熱電堆探測器（TPS2534）靈敏度高、響應(yīng)速度快、不需要電源啟動受溫度影響熱釋電探測器（PYS3228）頻譜響應(yīng)較寬、響應(yīng)速度快受溫度影響、需要電源運作熱電堆探測器和熱釋電探測器都有個共通的優(yōu)點：響應(yīng)速度快，但熱電堆探測器不需要單獨電源啟動，而熱釋電卻需要，結(jié)合優(yōu)缺點，本設(shè)計所選用的紅外探測器為熱電堆探測器（TPS2534型）。雖然TPS2534不需要電源啟動,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引腳表示測量端，3引腳表示參比端，4引腳為接地端。由于TPS2534探測器不需要電源啟動，所以此電路只用于熱敏電阻的啟動電壓。3.1.3氣室氣室是用以連接紅外光源和紅外探測器的一個中間部分，也是檢測氣體的主要地點。設(shè)計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，僅通過進氣口和出氣口進出氣體。=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，因為是在飛機上使用。綜合上述要求，選擇CE公司的90003型氣室，如圖3-9為氣室實物圖。圖3-9氣室實物圖從圖3-9可以得出，氣室的外部結(jié)構(gòu)為長方體，氣室外部為吸收膜。氣室的上測為進氣口和出氣口，這兩個部分，一方面可以測量CO2濃度，另一方面可以進行氣體的標定實驗。在理論上氣室越長，這樣的話就可以容納更多的氣體，但在實際的使用過程中，由于飛機的空間有限，氣室的長度應(yīng)該與探測器的測量范圍和氣體成分來決定。如表3-3所示，不同長度的氣室，探測器都有著不同的響應(yīng)時間。表3-3氣室長度與響應(yīng)時間的關(guān)系氣室長度40mm60mm80mm100mm120mm響應(yīng)時間12s13s16s25s41s結(jié)合表中信息，伴隨著長度的增加，響應(yīng)時間也隨之邊長，而在40-60mm的區(qū)間內(nèi)，時間變化幅度不大，所以本設(shè)計使用的氣室長度為50mm。綜合上述，氣室的大致結(jié)構(gòu)如圖3-10所示。此氣室的特點有：使用單個氣室，單個光源，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確的方法來修改到達探測器的光譜分布、紅外強度的元件。從圖3-11可以看出，參比濾光片在低范圍波長時成上升趨勢，達到4.0μm時達最大值，之后又成下降趨勢；測量濾光片與參比濾光片相似，在4.26μm時達到最大值，所以確定兩種濾光片的波長分別為4.26μm和4.0μm。TPS2534探測器擁有獨立的紅外傳感窗口，濾光片就分別安裝在兩個窗口上，濾光片分別為參比濾光片和測量濾光片。表3-3是兩種濾光片的參數(shù)。圖3-11參比濾光片與測量濾光片的透射率曲線表3-3濾光片參數(shù)參數(shù)測量濾光片參比濾光片波長4.26μm4.0μm波長誤差范圍±30nm±40nm寬度180nm90nm寬度范圍±20nm±20nm透射率＞73%＞76%非色散紅外CO2火警探測器在溫度低的情況下，探測器對于探測火災(zāi)的靈敏度會有所降低，所以會在該探測器中會加裝溫度傳感器、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器能在合適的溫度下工作，以確保探測器的準確度。3.2非色散紅外CO2火警探測器工作過程首先使用來啟動紅外光源裝置，紅外光源裝置發(fā)出紅外光，將整個氣室照亮，之后如若發(fā)生火災(zāi)，空氣中產(chǎn)生的二氧化碳通過進氣孔進入到氣室中，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)射到紅外光子探測器中。紅外光子探測器檢測氣體得到參比電壓信號和測量電壓信號，將這兩個信號經(jīng)信號調(diào)理和模數(shù)轉(zhuǎn)化過程，電壓信號變?yōu)閿?shù)字信號，數(shù)字信號在經(jīng)過進一步的數(shù)據(jù)處理，輸出到外界，當(dāng)進入氣室的二氧化碳濃度發(fā)生變化時，發(fā)出的紅外光強度也會發(fā)生變化，從而電壓變化，在通過一系列的計算得二氧化碳濃度，來供紅外火警探測器參考使用。4非色散紅外CO2火警探測器軟件設(shè)計4.1電路設(shè)計在電路設(shè)計上，要滿足其下功能：紅外光源的啟動，電壓信號變化為數(shù)字信號，對溫度、測量以及參比信號的處理。電路設(shè)計如圖4-1圖4-1非色散紅外火警探測器電路設(shè)計原理如圖所示，外部電源通過驅(qū)動模塊來啟動探測組件，并探測到三組信號，溫度信號直接進入到數(shù)據(jù)處理模塊，輸出后，經(jīng)轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換，在輸出到計算機終端。測量信號與參比信號需要先輸入到信號調(diào)理模塊，之后在輸入到A/D裝換模塊，將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后和溫度信號處理方法一致。4.2火警探測器算法設(shè)計通過Milke等人做的實驗可以了解到，當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，空氣中二氧化碳的濃度會快速增加，變化速率可以達到5ml/（m3?s），最高時可達到10ml/（m3?s），探測器不斷檢測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，絕大多數(shù)情況，都是發(fā)生了火災(zāi)。所以，探測器的工作依據(jù)以二氧化碳濃度變化為準則，檢測空氣中的二氧化碳濃度，根據(jù)濃度變化來計算出速率，若該速率超過探測器所設(shè)置的警戒值，則會發(fā)出警告，并進行報警。自適應(yīng)報警算法它的優(yōu)點是可以自動感覺出所處環(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，以來進行火警探測器的報警，其算法及其流程如下：=1\*GB2⑴自適應(yīng)報警算法開始工作后，先在五分鐘內(nèi)連續(xù)檢測所處環(huán)境中的二氧化碳濃度值（讀數(shù)頻率為1Hz），之后再計算出它的平均值φ0，并對這個平均值進行不斷的更新與保存，計算過程如下：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)時間內(nèi)每一次讀取的二氧化碳濃度值，n代表在相應(yīng)時間內(nèi)所讀取濃度值的次數(shù)=2\*GB2⑵計算所處環(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）是此時的二氧化碳濃度值，△t是所需要的時間，△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）代表實時當(dāng)前濃度值，φ0為當(dāng)前所處環(huán)境中的二氧化碳濃度值?！鳓?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計算出綜合邏輯值，X1，X2之間實行邏輯與運算，得到的結(jié)果為綜合邏輯值yt，其運算過程如下：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計算出報警輸出邏輯值，依照5s內(nèi)的綜合邏輯值yt實行邏輯與運算，運算結(jié)果為報警輸出邏輯值Y，運算過程如下：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，則表示有火警信號，進行火警報警輸出；如若Y=0，則表示當(dāng)前為正常情況，不需要進行火警報警，進行正常信號輸出。通過圖4.2可以看出其流程圖4.2報警流程圖全文總結(jié)