火焰长距离定向检测光学设计方法的研究
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第２ ５卷第 ｌ 期
２ ０ １ ３年 ２ 月
宁 德 师 范学 院学 报 （ 自然 科 学 版）
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｎ ｉ ｎ ｇ ｄ ｅ Ｎ ｏ ｒ ｍ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ （ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ）
了实 现火 焰 的定 向检 测 ， 本 文给 出 两种 实现 定 向的类 型 ， 一种 是视角 近似 为一个 平 面 （ 严 格 意义 上是一 个楔 形体 ） ， 也 就 是可
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ ２ — ０ １
通讯作者 ： 庄坤森 （ １ ９ ８ ３ 一 ） ， 男， 助教 ． Ｅ － ｍａ ｉ ｌ ：ｚ ｈ ｕ ａ ｎ ｇ ８ ３ １ １ ０ ６ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｎ ｌ
第 １ 期
庄坤森 ： 火 焰 长 距 离 定 向检 测 光 学 设 计 方 法 的研 究
－ ６ １・
幅提高系统 的抗 干扰 能力． 本设计 采用德 国Ｉ ｆ ｒ ａ ｔ ｅ ｅ ｈ 公 司Ｌ Ｉ Ｅ ３ ２ ２ 型
双通 道热释电火焰 检测传感器．
通 常热 释 电传 感 器最 多 只能检 测 大约三 、 四十米 的火 焰 信 辐 号， 而且视 角 较大 ， 传 感器 本 身无 法实 现火 焰 的定 向检 测 【 ９ 】 ． 为
关 键词 ：火 焰 检 测 ； 定向 ； 长距 离 ； 光 学设 计 中图分类号 ： Ｔ Ｕ ８ ９ ２ 文献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ： ２ ０ ９ ５ ． ２ ４ ８ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ ． ０ ０ ６ ０ ． ０ ６
随着 技术 的进 步 以及 各种不 同建筑 对火灾 预 防和检测需 求 的多样化 ， 火焰 检测技 术 近年来 取 得 了较
测 波段 其 中区域Ｉ Ｉ Ｉ 部分 也是太 阳光辐射 的主要 区域 ， 因此 ， 太
阳光是热释电传感器 的一个主要干扰源． 为了降低太阳辐射及其它类似干扰的影响， 本设计采用双波段热 释电检测方法 ， 即本传感器有两个检测单元 ， 一个用于检Ｎ４ ． ３ ｍ 的Ｃ Ｏ 峰值波长 ， 另一个用于检ｉ 贝 ０ 相邻 的 ３ ． ８ ｔ ｘ ｍ的辐射 光波谷 ． 两 者对不 同的辐射 源有不 同的反 应 ， 通 过逻辑 判断就 可 以得 出火焰 的存 在 性 ， 可 以大
电传感器的火焰检测方法 ， 通过在传感器上配置专门设计的光学系统实现火焰的定 向检测 ， 在此基础上 ， 通过多个探测装置的配合使用 ， 即可实现火焰的定位功能． 本设计方法基于光学设计实现火焰定 向检’ 坝 ０ ， 实现方法简单 、 可靠 ， 成本较低 ， 开发周期短 ， 探测范围可 以依据设计要求进行调整 ， 灵活性较大． 本文给 出 了该 方案 的详 细设 计 方法 ．
快的发展【 １ ］ ． 常用感烟 、 感温式火焰探测器 ， 以及红外 、 紫外火焰探测技术和产品等都 已被广泛使用［ ２ １ ． 现有 的技术 和方 法 ， 火 焰 探测 范 围相对较 小 ， 通 常检 测半 径在 几 十米之 内 ， 更 主要 的是 ， 现有 火 焰检 ｉ 贝 ０ 产 品往 往追 求大视 角 ， 因此 通 常只能 检测 可视 范 围内火焰 的存 在性 ， 并 不能 判断火 焰 的具 体方 向和位 置［ ３ ］ ． 因此 ， 就不 能利用 现有 火 焰检 测设 备实 现火 焰定 位 和进 一步 的灭 火行 动 ，不 能为 实施 自动 灭火 或 人工 救 火提 供准确的信息． 随着大空间建筑的大量 出现 以及森林 防火等室外火灾探测需求的不断增加 ， 及时准确地 检 测火灾 的方 向和位 置信 息变得 越来 越重要 ［ ４ １ ． ’
１火焰 长距离定 向检测 的功能定位及其设计方案
本设计拟采用热释电红外传感器实现火焰 的检测 ， 热释电传感器专门感受碳氢类化合物等燃烧产生 的Ｃ Ｏ 的辐 射 光谱 ． 这类 火焰 的光谱 图如 图１ 所示 ， 其 中区域Ｉ 为可 见光 ， 区域 Ｉ Ｉ 为 红外 辐 射 ， １ １ 段 为 紫 外探
尽管 图像 型火 焰探 测技 术 近几年 得 到快 速发 展 ， 并有 产 品问世 ， 并有希 望 成为 火焰 检测 与 定 位 的新 型 技术 手段 【 ５ ． ６ １ ． 但 图像 型火 焰探 测器 受环 境影 响较 大［ １ ６ ， 实 现火 焰定 位 的技 术难 度很 大 ， 抗 干 扰 和 可靠 性 都 有待提 高 ， 开 发周 期 长 ， 真 正实 现火 焰定位 的 图像型 火灾探 测器 未见报道 ． 鉴 于此 ， 本 文采 用基 于 热释
Ｖｏ １ ． ２ ５ Ｎｏ ． １
Ｆｅ ｂ． ２ Ｏ１ ３
火焰长距离定向检测光学设计方法的研究
庄 坤 森
（ 福 建 师 范 大 学 闽 南科 技 学 院 ， 福建 泉州 ３ ６ ２ ３ ３ ２ ）
摘要 ：针对 现有火焰探测装置探测距离短 、 不能实现火焰 的定 向检测等问题 ， 提出了一种基于热释电火焰 传感器的光学设 计方法和实现方案． 在该方案中给 出了两种火焰定向检测类型 ， 一种实现面 向型定 向检测 ， 另一 种实现线 向型定 向检测 ． 在面 向型火焰定向检测方案 中 ， 探测装置 的视角在水平方 向和垂直方 向采 用非对称 的 光学设计 ， 垂直方 向通过专 门设计的透镜实现较大范围聚焦 ， 水平方 向通过专 门设计的夹缝控制视角的大小． 线 向型火焰定 向检测 主要基于超小视角的透镜设计得 以实现． 基于本设计方案 的火焰探测 器 ， 可 以通过适 当调节 光学参 数改变探 测距离 ， 并能实现远距离火焰探测 ， 火焰检测具有定 向性． 这在大空间 自动消防水炮设计 、 森林 防火等领域具有广 阔的应用前景． 试验证 明， 本系统达到 了预期的效果．
２ ０ １ ３年 ２ 月
宁 德 师 范学 院学 报 （ 自然 科 学 版）
Ｊ ｏ ｕ ｎａ ｒ ｌ ｏ ｆ Ｎ ｉ ｎ ｇ ｄ ｅ Ｎ ｏ ｒ ｍ ａ ｌ Ｕ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙ （ Ｎ ａ ｔ ｕ ｒ ａ ｌ Ｓ ｃ ｉ ｅ ｎ ｃ ｅ ）
了实 现火 焰 的定 向检 测 ， 本 文给 出 两种 实现 定 向的类 型 ， 一种 是视角 近似 为一个 平 面 （ 严 格 意义 上是一 个楔 形体 ） ， 也 就 是可
收稿 日期 ： ２ ０ １ ２ — １ ２ — ０ １
通讯作者 ： 庄坤森 （ １ ９ ８ ３ 一 ） ， 男， 助教 ． Ｅ － ｍａ ｉ ｌ ：ｚ ｈ ｕ ａ ｎ ｇ ８ ３ １ １ ０ ６ ＠１ ２ ６ ． ｃ ｏ ｎ ｌ
第 １ 期
庄坤森 ： 火 焰 长 距 离 定 向检 测 光 学 设 计 方 法 的研 究
－ ６ １・
幅提高系统 的抗 干扰 能力． 本设计 采用德 国Ｉ ｆ ｒ ａ ｔ ｅ ｅ ｈ 公 司Ｌ Ｉ Ｅ ３ ２ ２ 型
双通 道热释电火焰 检测传感器．
通 常热 释 电传 感 器最 多 只能检 测 大约三 、 四十米 的火 焰 信 辐 号， 而且视 角 较大 ， 传 感器 本 身无 法实 现火 焰 的定 向检 测 【 ９ 】 ． 为
关 键词 ：火 焰 检 测 ； 定向 ； 长距 离 ； 光 学设 计 中图分类号 ： Ｔ Ｕ ８ ９ ２ 文献 标 识 码 ： Ａ 文章 编 号 ： ２ ０ ９ ５ ． ２ ４ ８ １ （ ２ ０ １ ３ ） ０ １ ． ０ ０ ６ ０ ． ０ ６
随着 技术 的进 步 以及 各种不 同建筑 对火灾 预 防和检测需 求 的多样化 ， 火焰 检测技 术 近年来 取 得 了较
测 波段 其 中区域Ｉ Ｉ Ｉ 部分 也是太 阳光辐射 的主要 区域 ， 因此 ， 太
阳光是热释电传感器 的一个主要干扰源． 为了降低太阳辐射及其它类似干扰的影响， 本设计采用双波段热 释电检测方法 ， 即本传感器有两个检测单元 ， 一个用于检Ｎ４ ． ３ ｍ 的Ｃ Ｏ 峰值波长 ， 另一个用于检ｉ 贝 ０ 相邻 的 ３ ． ８ ｔ ｘ ｍ的辐射 光波谷 ． 两 者对不 同的辐射 源有不 同的反 应 ， 通 过逻辑 判断就 可 以得 出火焰 的存 在 性 ， 可 以大
电传感器的火焰检测方法 ， 通过在传感器上配置专门设计的光学系统实现火焰的定 向检测 ， 在此基础上 ， 通过多个探测装置的配合使用 ， 即可实现火焰的定位功能． 本设计方法基于光学设计实现火焰定 向检’ 坝 ０ ， 实现方法简单 、 可靠 ， 成本较低 ， 开发周期短 ， 探测范围可 以依据设计要求进行调整 ， 灵活性较大． 本文给 出 了该 方案 的详 细设 计 方法 ．
快的发展【 １ ］ ． 常用感烟 、 感温式火焰探测器 ， 以及红外 、 紫外火焰探测技术和产品等都 已被广泛使用［ ２ １ ． 现有 的技术 和方 法 ， 火 焰 探测 范 围相对较 小 ， 通 常检 测半 径在 几 十米之 内 ， 更 主要 的是 ， 现有 火 焰检 ｉ 贝 ０ 产 品往 往追 求大视 角 ， 因此 通 常只能 检测 可视 范 围内火焰 的存 在性 ， 并 不能 判断火 焰 的具 体方 向和位 置［ ３ ］ ． 因此 ， 就不 能利用 现有 火 焰检 测设 备实 现火 焰定 位 和进 一步 的灭 火行 动 ，不 能为 实施 自动 灭火 或 人工 救 火提 供准确的信息． 随着大空间建筑的大量 出现 以及森林 防火等室外火灾探测需求的不断增加 ， 及时准确地 检 测火灾 的方 向和位 置信 息变得 越来 越重要 ［ ４ １ ． ’
１火焰 长距离定 向检测 的功能定位及其设计方案
本设计拟采用热释电红外传感器实现火焰 的检测 ， 热释电传感器专门感受碳氢类化合物等燃烧产生 的Ｃ Ｏ 的辐 射 光谱 ． 这类 火焰 的光谱 图如 图１ 所示 ， 其 中区域Ｉ 为可 见光 ， 区域 Ｉ Ｉ 为 红外 辐 射 ， １ １ 段 为 紫 外探
尽管 图像 型火 焰探 测技 术 近几年 得 到快 速发 展 ， 并有 产 品问世 ， 并有希 望 成为 火焰 检测 与 定 位 的新 型 技术 手段 【 ５ ． ６ １ ． 但 图像 型火 焰探 测器 受环 境影 响较 大［ １ ６ ， 实 现火 焰定 位 的技 术难 度很 大 ， 抗 干 扰 和 可靠 性 都 有待提 高 ， 开 发周 期 长 ， 真 正实 现火 焰定位 的 图像型 火灾探 测器 未见报道 ． 鉴 于此 ， 本 文采 用基 于 热释
Ｖｏ １ ． ２ ５ Ｎｏ ． １
Ｆｅ ｂ． ２ Ｏ１ ３
火焰长距离定向检测光学设计方法的研究
庄 坤 森
（ 福 建 师 范 大 学 闽 南科 技 学 院 ， 福建 泉州 ３ ６ ２ ３ ３ ２ ）
摘要 ：针对 现有火焰探测装置探测距离短 、 不能实现火焰 的定 向检测等问题 ， 提出了一种基于热释电火焰 传感器的光学设 计方法和实现方案． 在该方案中给 出了两种火焰定向检测类型 ， 一种实现面 向型定 向检测 ， 另一 种实现线 向型定 向检测 ． 在面 向型火焰定向检测方案 中 ， 探测装置 的视角在水平方 向和垂直方 向采 用非对称 的 光学设计 ， 垂直方 向通过专 门设计的透镜实现较大范围聚焦 ， 水平方 向通过专 门设计的夹缝控制视角的大小． 线 向型火焰定 向检测 主要基于超小视角的透镜设计得 以实现． 基于本设计方案 的火焰探测 器 ， 可 以通过适 当调节 光学参 数改变探 测距离 ， 并能实现远距离火焰探测 ， 火焰检测具有定 向性． 这在大空间 自动消防水炮设计 、 森林 防火等领域具有广 阔的应用前景． 试验证 明， 本系统达到 了预期的效果．