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1、防火防爆课程设计报告题 目 名 称 燃油（气）锅炉火焰监控系统设计 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 目 录1 火焰探测器（传感器） 11.1火焰探测器（传感器）的重要性11.2火焰探测器（传感器）的工作原理 11.3火焰探测器（传感器）的选择方法 21.4火焰探测器（传感器）的种类及特点 41.5 红外线火焰探测器的选型82 传感接口电路（光耦合器）122.1传感接口电路（光耦合器）的特点及优点122.2
2、传感接口电路（光耦合器）的工作原理132.3传感接口电路（光耦合器）的选择方法142.4传感接口电路（光耦合器）的种类152.5传感接口电路（光耦合器）的选型153 总结 184 参考文献 191.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
3、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（UV）、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
4、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。11.2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
5、映为0255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。 一般红外线传感器是由一只光电三极管构成，其电路图如下： 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
6、出口电压上升，输入到AD转换芯片进行转换。31.3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
7、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
8、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，
9、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
10、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
11、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。图二：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
12、算和分析判断。 闪烁频率分析； 阈值能量信号比较； 信号间的数学相关分析； 逻辑比较分析； 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。 UV紫外线探测器； IR红外线探测器； UV/ IR紫外线/红外线探测器； 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。51.
13、4.1 UV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. 3m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（34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。1.4.2 IR红外线火焰探测器“火焰”都会辐射出红外线。IR红外线火焰
14、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. 14. 6m）分析。61.4.3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。1.4.3.1 UV/ 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
