紫外线火焰监测系统的设计分解

哈尔滨石油学院课程设计报告

传感器课程设计报告

设计题目: 紫外线火焰监测系统的设计

业测控技术与仪器

测控一班

学生姓名指导教师

2016 年6月17日

一、课程设计的目的：

（1）通过紫外线火焰监测系统的设计，要求大家回顾电路基础、模拟电子技术、单片机和传 感器原理的基础知识；

（2 ）掌握通过紫外线传感器，单片机判断是否发生火灾的原理；

（3）掌握紫外线传感器、模数转换器、液晶显示器，单片机的结构及工作原理； （4）能根据紫外线火焰监测系统的设计原理绘制电路图。

二、课程设计的要求：

根据紫外线火焰监测系统的工作原理，确定系统的设计方案，对单片机最小系统、紫外线 传感器、模数转换器、液晶显示器、报警电路进行设计，并用 P rotel 画出系统电路图，同时

记录当天的实习日志。

志、；

第10天：书写实习总结报告。

四、成绩

指导教师签名:

三、课程设计内容及安排：

第1天：查找资料，了解紫外线火焰监测系统的工作原理；记录当天的实习日志；

第2天：查找资料,根据紫外线火焰监测系统的工作原理，确定系统的设计方案；记录当天 的实习日志；

第3天：熟悉设计中所用到的紫外线传感器、模数转换器、液晶显示器，单片机的结构及工 作原理；

记录当天的实习日志

单片机最小系统的设计，记录当天的实习日志；

紫外线模块的设计； 模数转换电路的设计

液晶显示电路的设计；记录当天的实习日志； 报警电路的设计，记录当天的实习日志；

把所有电路模块进行整理，并用

P rotel 画出系统总原理电路图；记录当天的实习日

第4天: 5天: 6 天: 7天: 8 天: 9 天:

年月曰

、设计要求

、设计方案及其特点

1.1方案一

2.2方案二

2.3方案三.....

三、传感器工作原理

四、电路的工作原理五、单元电路设计、参数计算和器件选择

5.1参数计算

5.2器件选择

参考文献0. 1

紫外线传感器应用电路设计

、设计要求

电路设有预定的火焰预警范围，当火焰超过给定的紫外线辐射最低量量时， 电路会在毫秒级的数量级上报警，并切断燃料供应；火焰的紫外线辐射量低于给 定个范围，对电路没有影响。可见光、红外线的辐射不会对电路造成影响

⑴。

二、设计方案及其特点

紫外线是一种不可见光，光子能量大。利用光电效应有光敏电阻、光敏二极 管、光敏三极管三种方案。方案如下：

1、方案一

采用光敏电阻。光敏电阻又称光导管，为纯电阻原件，其工作原理是基于光 电导效应，其阻值随光照增强而减小。其设计简单，造价低廉，但舍弃这个方案 的主要原因是光敏电阻多数是非线性的，不宜做定量监测，如图

1所示。其次光

光电流

光通量/Im

O 图1光电流与光照强度之间的关系

0.2

0.4

0.6

0.8

O O O

O

敏电阻具有延时性的特点，而且时间常数都很大。再次光敏电阻具有温度特性， 随着温度升高，其暗电流和灵敏度下降 ⑵。

2、方案二

采用光敏三极管。光敏三极管的光照特性近似线性关系，故可以做定量测量。 而且，温度变化对光电流的影响很小，对暗电流的影响很大，但电子线路中应对 电流进行温度补偿⑻。舍弃方案二的主要原因是无论是硅管还是锗管都对紫外线不 敏感，从图2的光谱特性可以看出。

图2光敏三级管的光谱特性

光敏三极管对紫外线不敏感，对可见光和红外线较敏感，而对于火焰监测系 统来说，要避免可见光及炉壁红外辐射的干扰，所以光敏三极管不适合本设计。

3、方案三

采用光电管作为敏感元件，可应通过感受紫外线的强度，来完成对电路的控 制，实现自控预警。如图 3光电管（又称电子光电管）由封装于真空管内的光电 阴极和阳极构成。当入射光线穿过光窗照到光阴极上时，由于外光电效应，光电 子就从极层内发射至真空 ⑷。在电场的作用下，光电子在极间作加速运动，最后被 高电位的阳极接收，在阳极电路内就可测出光电流，其大小取决于光照强度和光 阴极的灵敏度等因素。方案方框图如图 4。

0 800 1000 1200入射光波长

400

600

三、传感器工作原理

天然气、煤气、石油液化气、汽油、柴油、酒精等类物质，其火焰能见度低, 点燃快，有爆炸危险，在燃烧时必须有熄火保护。在火情预报时没有引燃阶段， 采用紫外探测比其他形式的探测有明显的优势能在毫秒级时间内快速反应，可以 避免可见光及炉壁红外辐射的干扰。在本文中我们利用紫外线能量强的原理，当 有一定量的紫外线照射在阴极上时，光电流迅速增大。

光子是具有能量的粒子，每个粒子具有的能量可以由下列是自确定：

E =hv

普朗克常数，6.626x10r 34 J S ； v 0 --- 电子逸出速度。

在光照射下，电子逸出物体表面向外发射的现象称为外光电效应 发射效应。当物体中的电子吸收入射光子的能量且足以克服电子逸出功 子就会逸出物体表面，产生光电子发射。如果一个想逸出，光子能量 逸出功A o ,超过部分的能量表现为逸出电子的能量［5］。根据能量守恒定理:

式中：h

(1)

，亦称光电子

A 时，电

hv 必须超过

O

图3光电管工作原理图

图4紫外线火焰监测系统方框图

1 2

hv = — mv o + A o

2

式中：m ---- 静止电子质量，m=9.1091x10-31kg ；

vo ---- 电子逸出速度。

根据爱因斯坦方程我们得出以下三点：入光成分不变，产生的光电流与光强 成正比；光电子能否产生，取决于光电子的能量是否大于该物体的表面电子逸出 功A o ；光电表面具有初始动能子逸出物体表 1/2mv o 。

当光照射在阴极上时，中央阳极可以收集从阴极上溢出的电子，在外电场作 用下形成电流I 。

四、电路的工作原理

当没有火焰产生或火焰紫外线辐射没有达到最低阈值时，光电管没有导通， 三极管Q1、Q2、Q3均截止，此时二极管D2截止，光声报警器中发光二极管和扬 声器均不工作。

当火焰燃烧会辐射各种各样的光，如图 5若火焰紫外线辐射超过最低阈值， 光电管会瞬间导通，则三极管Q1、Q2导通，Q2经R4产生的发射极输出电压将三 极管Q3导通，此时发光二极管和扬声器均工作，起到了报警作用。当火焰强度得 到控时，光电管截止，光声报警器也停止工作。

调节RP1可以控制紫外线辐射的最低强度即调节阈值，从而提高电路的灵敏 度和实用性。在不同的场合，对紫外线辐射强度报警要求不同，通过改变调节器 的位置，可使用在

(2)错误！未指定书签。

图5紫外线火焰报警系统电路