适用于隧道场所的点型红外火焰探测器的信号放大电路的制作方法

1.本实用新型涉及消防火灾探测技术领域，更具体涉及适用于隧道场所的点型红外火焰探测器的信号放大电路。


背景技术：

2.隧道火灾往往由于汽车相撞、车辆装载物品燃烧或爆炸、电力电气线路短路等事故引发，其火灾特点是起火速度快、明火事故多于阴燃火，而且由于隧道内大多数情况下无人值守，一旦发生火灾，会造成较大损失。目前隧道红外传感类火焰探测器主要包括了单波段红外火焰探测器和多波段红外火焰探测器，相对于光纤及感温电缆，红外火焰探测器由于采用红外探测技术，不受隧道风速的影响，报警响应速度迅速、灵敏度高。探测器安装于隧道侧壁，安装维护不影响隧道交通运营。隧道由于终年阴冷且保持一定风速，给感温探测带来不稳定性和滞后性。相比之下，火焰探测方式具有响应速度快、灵敏度高、保护面积大、不受环境变化的影响等特点。
3.早期，国际上使用的单波段红外火焰探测器作为保护大空间及地下建筑消防安全的手段，但由于其受技术水平及工艺水平的限制，在实际应用中对环境干扰的抵抗能力较差，易产生误报警。三个或者三个以上波段的传感器被选择运用于此项火焰探测技术，其中的每一个传感器分别探测不同红外福射的特定波长，因而更可靠地区分真正的火焰信息和其他各种热体红外福射干扰。但是这对各个传感器的输出信号的分析处理带来了难度，同时，由多个探测器组成的电路的时滞会增大，也增加了探测器的反应时间。双波段红外火焰探测器结合了火焰检测波段和背景参考波段两个不同波长的红外辐射，考虑到了参考背景中存在的干扰辐射，解决隧道内应用的双波段的红外火焰探测器由于车辆的灯光干扰而导致的检测精度低、误报率高的问题属于行业研究热点，研究过程中由于信号微弱且传感器探测的信号难以直接由控制器采集，需要设置信号放大电路对信号进行放大，放大以后的信号进行采集并送入控制器进行火焰检测。


技术实现要素：

4.本实用新型所要解决的技术问题在于红外火焰探测器直接获取的信号微弱且传感器探测的信号不属于电信号难以直接由控制器采集的问题。
5.本实用新型通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：适用于隧道场所的点型红外火焰探测器的信号放大电路，所述红外火焰探测器包括第一传感器q3，信号放大电路包括一级放大单元、二级放大单元、三级放大单元以及跟随单元，一级放大单元、二级放大单元、三级放大单元以及跟随单元顺次连接，所述一级放大单元包括电容c18、电阻r14、电容c20、电阻r16、电阻r17、电容c23、放大器u3a、电阻r12以及电容c19，所述第一传感器q3的漏极接 9v电源，第一传感器q3的栅极接地，第一传感器q3的源极分别接电容c18的一端、电阻r14的一端以及放大器u3a的同相端，电容c20的一端、电容c23的一端以及电阻r17的一端均与放大器u3a的反相端连接，电阻r16的一端与电容c20的另一端连接，电阻r17的另一端、
电容c23的另一端以及电阻r12的一端均与放大器u3a的输出端连接，电阻r12的另一端通过电容c19接地，电容c18的另一端、电阻r14的另一端及电阻r16的另一端均接地。
6.本实用新型设置信号放大电路，通过一级放大单元、二级放大单元、三级放大单元以及跟随单元对传感器采集的信号逐级放大滤波，首先将传感器探测的信号转化为电信号并且电信号被放大从而增强信号强度，确保信号能够被后端控制器识别，便于控制器对放大以后的信号进行采集后进行火焰检测。
7.进一步地，所述二级放大单元包括电容c21、电阻r19、放大器u3d、电阻r18、电容c24、电阻r13、电容c22、电阻r15、电阻r21、电容c26及电阻r26，所述放大器u3d的同相端与电阻r12的另一端连接，放大器u3d的反相端分别与电容c21的一端、电阻r18的一端以及电容c24的一端连接，电容c21的另一端与电阻r19的一端连接，电阻r19的另一端接地；电容c24的另一端、电阻r18的另一端、电阻r13的一端以及电容c22的一端均与放大器u3d的输出端连接；电阻r14的另一端通过电阻r15接地，电容c22的另一端分别与电阻r21的一端、电容c26的一端以及电阻r26的一端连接，电阻r21的另一端与 9v电源连接，电容c26的另一端及电阻r26的另一端均接地。
8.更进一步地，所述三级放大单元包括电阻r23、电阻r25、电容c25、电阻r29、电容c29以及放大器u3c，电阻r23的一端与电阻r21的一端连接，电阻r23的另一端与放大器u3c的同相端连接，放大器u3c的反相端分别与电容c25的一端、电阻r29的一端以及电容c29的一端连接，电容c25的另一端通过电阻r25接地，电容c29的另一端以及电阻r29的另一端均与放大器u3c的输出端连接。
9.更进一步地，所述跟随单元包括放大器u3b、电阻r24及电阻r28，放大器u3b的同相端与放大器u3c的输出端连接，放大器u3b的反相端分别与放大器u3b的输出端以及电阻r24的一端连接，电阻r24的另一端通过电阻r28接地。
10.进一步地，所述第一传感器q3的型号为lhi807_k2。
11.进一步地，所述放大器u3a、放大器u3d、放大器u3c以及放大器u3b的型号均为ad8643arz。
12.本实用新型的优点在于：本实用新型设置信号放大电路，通过一级放大单元、二级放大单元、三级放大单元以及跟随单元对传感器采集的信号逐级放大滤波，首先将传感器探测的信号转化为电信号并且电信号被放大从而增强信号强度，确保信号能够被后端控制器识别，便于控制器对放大以后的信号进行采集后进行火焰检测。
附图说明
13.图1为本实用新型实施例所公开的一种适用于隧道场所的点型红外火焰探测器的结构框图；
14.图2为本实用新型实施例所公开的一种适用于隧道场所的点型红外火焰探测器中滤光片在红外波段的透过曲线；
15.图3为本实用新型实施例所公开的一种适用于隧道场所的点型红外火焰探测器中电源模块的第一降压单元的原理图；
16.图4为本实用新型实施例所公开的一种适用于隧道场所的点型红外火焰探测器中电源模块的第二降压单元的原理图；
17.图5为本实用新型实施例所公开的一种适用于隧道场所的点型红外火焰探测器中第一信号放大电路的原理图；
18.图6为本实用新型实施例所公开的一种适用于隧道场所的点型红外火焰探测器中主控模块的原理图；
19.图7为本实用新型实施例所公开的一种适用于隧道场所的点型红外火焰探测器中灵敏度调节模块的原理图；
20.图8为本实用新型实施例所公开的一种适用于隧道场所的点型红外火焰探测器中报警输出模块的原理图；
21.图9为本实用新型实施例所公开的一种适用于隧道场所的点型红外火焰探测器中复位模块的原理图；
22.图10为本实用新型实施例所公开的一种适用于隧道场所的点型红外火焰探测器中状态指示模块的原理图。
具体实施方式
23.为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
24.本实用新型提供的信号放大电路应用在适用于隧道场所的点型红外火焰探测器中，适用于隧道场所的点型红外火焰探测器设置有两组结构相同的信号放大电路，分别为第一信号放大电路3和第二信号放大电路4，本实用新型只列举了第一信号放大电路3的原理，为了更加清楚的理解本实用新型提供的信号放大电路，本实用新型实施例详细介绍整个红外火焰探测器的电路结构。
25.如图1所示，一种适用于隧道场所的点型红外火焰探测器，包括滤光片1、电源模块2、用于检测波段的第一传感器q3、用于检测背景干扰的第二传感器q4、第一信号放大电路3、第二信号放大电路4、主控模块5、灵敏度调节模块6、报警输出模块7、复位模块8以及状态指示模块9。所述第一传感器q3和第二传感器q4均接收经过滤光片1的光源，第一传感器q3经第一信号放大电路3与主控模块5连接，第二传感器q4经第二信号放大电路4与主控模块5连接，电源模块2、灵敏度调节模块6、报警输出模块7、复位模块8以及状态指示模块9均与主控模块5连接。
26.滤光片1采用了氟化钙玻璃，它是一种以caf_2为主的新型氟化物玻璃，具有低色散、深紫外到中红外宽光谱高透过等优异性能。它可以很好的滤除掉干扰信号波段，对需要采集的红外信号波段具有很高的透过性，使采集到的信号更加准确。该滤光片1在红外波段的透过曲线见图2。
27.电源模块2采用dc24v供电，后续进行降压，分别降到9v和3.3v。9v用于给第一传感器、第二传感器q4、第一信号放大电路3、第二信号放大电路4、报警输出模块7、复位模块8供电，3.3v用于给主控模块5、灵敏度调节模块6和状态指示模块9供电。其中24v转9v主芯片使用金升阳dc
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dc电源模块，型号vrb2409s
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6wr3。9v转3.3v主芯片采用线性稳压器lm1117
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3.3v。具体的，所述电源模块2包括第一降压单元和第二降压单元，如图3所示，所述第一降压单元包括整流桥d4、保险丝f1、放电管gdt1、压敏电阻mov1、esd保护管d2、二极管d1、二极管d3、顺序编号的电容c1至电容c8、电感器l1及芯片u1，所述芯片u1的型号为vrb2409s_10wr3，整流桥d4的交流正端以及交流负端分别接在24v交流源的两端，整流桥d4的直流正端与保险丝f1的一端连接，整流桥d4的直流负端与放电管gdt1的一端连接，保险丝f1的另一端、放电管gdt1的另一端、压敏电阻mov1的一端、esd保护管d2的一端以及二极管d1的阳极连接；二极管d1的阴极、二极管d3的阴极、电容c6的正极、电容c2的一端以及电感器l1的第二引脚均连接；放电管gdt1的一端、压敏电阻mov1的另一端、esd保护管d2的另一端、二极管d3的阳极、电容c6的负极、电容c2的另一端以及电感器l1的第一引脚均连接；电感器l1的第三引脚、电容c7的正极、电容c3的一端、电容c1的一端、芯片u1的第二引脚均连接，电感器l1的第四引脚、电容c7的负极、电容c3的另一端、电容c8的一端、芯片u1的第一引脚均连接；电容c1的另一端、芯片u1的第六引脚、电容c4的一端以及电容c5的一端均连接并作为 9v电源的接口，电容c8的另一端、芯片u1的第七引脚、电容c4的另一端以及电容c5的另一端均连接并接地；
28.如图4所示，所述第二降压单元包括顺序编号的电容c9至电容c12以及芯片u21，所述芯片u21的型号为lm1117
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3.3v，电容c9的一端、电容c10的一端以及芯片u21的第三引脚均与 9v电源连接，芯片u21的第二引脚、芯片u21的第四引脚、电容c11的一端以及电容c12的一端均连接并作为 3.3v电源的接口；电容c9的另一端、电容c10的另一端、芯片u21的第一引脚、电容c11的另一端以及电容c12的另一端均接地。
29.所述第一信号放大电路3和第二信号放大电路4的电路结构相同，所述第一信号放大电路3包括一级放大单元、二级放大单元、三级放大单元以及跟随单元，如图5所示，所述一级放大单元包括电容c18、电阻r14、电容c20、电阻r16、电阻r17、电容c23、放大器u3a、电阻r12以及电容c19，所述第一传感器q3的型号为lhi807_k2，第二传感器q4的型号为lhi807_k3。所述第一传感器q3的漏极接 9v电源，第一传感器q3的栅极接地。第一传感器q3的源极分别接电容c18的一端、电阻r14的一端以及放大器u3a的同相端，电容c20的一端、电容c23的一端以及电阻r17的一端均与放大器u3a的反相端连接，电阻r16的一端与电容c20的另一端连接，电阻r17的另一端、电容c23的另一端以及电阻r12的一端均与放大器u3a的输出端连接，电阻r12的另一端通过电容c19接地，电容c18的另一端、电阻r14的另一端及电阻r16的另一端均接地；
30.所述二级放大单元包括电容c21、电阻r19、放大器u3d、电阻r18、电容c24、电阻r13、电容c22、电阻r15、电阻r21、电容c26及电阻r26，所述放大器u3d的同相端与电阻r12的另一端连接，放大器u3d的反相端分别与电容c21的一端、电阻r18的一端以及电容c24的一端连接，电容c21的另一端与电阻r19的一端连接，电阻r19的另一端接地；电容c24的另一端、电阻r18的另一端、电阻r13的一端以及电容c22的一端均与放大器u3d的输出端连接；电阻r14的另一端通过电阻r15接地，电容c22的另一端分别与电阻r21的一端、电容c26的一端以及电阻r26的一端连接，电阻r21的另一端与 9v电源连接，电容c26的另一端及电阻r26的另一端均接地；
31.所述三级放大单元包括电阻r23、电阻r25、电容c25、电阻r29、电容c29以及放大器u3c，电阻r23的一端与电阻r21的一端连接，电阻r23的另一端与放大器u3c的同相端连接，
放大器u3c的反相端分别与电容c25的一端、电阻r29的一端以及电容c29的一端连接，电容c25的另一端通过电阻r25接地，电容c29的另一端以及电阻r29的另一端均与放大器u3c的输出端连接；
32.所述跟随单元包括放大器u3b、电阻r24及电阻r28，放大器u3b的同相端与放大器u3c的输出端连接，放大器u3b的反相端分别与放大器u3b的输出端以及电阻r24的一端连接，电阻r24的另一端通过电阻r28接地，电阻r24的另一端与主控模块5连接。
33.如图6所示，信号采集部分采用主控模块5的主芯片u2内部ad，所述主控模块5的主芯片u2型号为stm32l07irbt6，主控模块5的主芯片u2的第二十一引脚与电阻r24的另一端连接。
34.灵敏度调节采用外部遥控器控制方式，通过hs0038b红外接收头，接收遥控信号，达到外部遥控的目的。灵敏度可分为高、中、低三个等级，分别代表了不同的探测距离和不同误报率，需结合实际工况进行调节，如图7所示，所述灵敏度调节模块6包括芯片ir1、电阻r5、电容c41及esd保护管d41，所述芯片ir1的型号为hs0038b，芯片ir1的第三引脚与电阻r5的一端连接并接 3.3v电源，芯片ir1的第二引脚接地，电阻r5的另一端、电容c41的一端、esd保护管d41的一端以及主控模块5的主芯片u2的第二十九引脚均与芯片ir1的第一引脚连接，电容c41的另一端以及esd保护管d41的另一端均接地。
35.报警故障输出方式为继电器干节点输出，报警继电器正常工作时处于常开状态，报警时切换到闭合状态，故障继电器正常工作时处于常闭状态，报警时切换为断开状态。通过继电器与外部隔离，如图8所示，所述报警输出模块7包括电阻r3、电阻r4、电容c31、三极管q1、二极管d11以及继电器k1，电阻r3的一端与主控模块5的主芯片u2的第五十六引脚连接，电阻r3的另一端分别与电阻r4的一端、电容c31的一端以及三极管q1的基极连接，电阻r4的另一端、电容c31的另一端以及三极管q1的发射极均接地，三极管q1的集电极分别与二极管d11的阳极以及继电器k1的线圈的一端连接，继电器k1的线圈的另一端以及二极管d11的阴极均与 9v电源连接；继电器k1的常开触点控制端与其常闭触点控制端连接，继电器k1的常开触点的两端以及常闭触点分别与报警器的对应引脚连接。
36.如图9所示，所述复位模块8包括电阻r1、芯片有u4、二极管d21、电容c51以及电阻r2，所述芯片u4的型号为tlp521
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1gb，电阻r1的一端与
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9v电源连接，电阻r1的另一端与芯片u4的第一引脚连接，芯片u4的第二引脚与二极管d21的阳极连接，二极管d21的阴极与外部复位按钮连接，芯片u4的第三引脚与电容c51的一端连接并接地，电容c51的另一端分别片u4的第四引脚、电阻r2的一端以及主控模块5的主芯片u2的第五十一引脚连接，电阻r2的另一端接 3.3v电源。
37.状态指示模块9通过红绿双色指示灯实现，红灯常亮为报警，红灯闪烁为故障，绿灯常亮代表正常工作，如图10所示，所述状态指示模块9包括电阻r8、电阻r9以及指示灯led1，所述电阻r8的一端与主控模块5的主芯片u2的第二十七引脚连接，电阻r9的一端与主控模块5的主芯片u2的第二十八引脚连接，电阻r8的另一端与指示灯led1的第一引脚连接，电阻r9的另一端与指示灯led1的第三引脚连接，指示灯led1的第二引脚接地。
38.本实用新型的火焰检测算法过程为：检测双波段红外火焰探测器的工作状态也即第一传感器和第二传感器q4的状态，从内存中读取设定好的灵敏度参数，以及出厂前调试好的参数，执行系统硬件故障检测，当检测到系统无故障时，状态指示模块9的绿灯正常亮
起，若硬件故障时，报警输出模块7动作，对应的故障报警指示灯点亮。
39.双波段红外火焰探测器采用两路热释电传感器的组合(也即第一传感器和第二传感器q4组合检测)，主控模块5的adc以200hz的采样率连续采样5秒钟两路传感器的信号。将两路adc信号经过滤波处理去噪，再执行减均值操作，依次求取两路信号的标准差、波峰波谷数以及幅值超限数。
40.当以火焰检测波段的热释电传感器也即第一传感器计算的标准差、波峰波谷数以及幅值超限数三个特征分别大于以主检测信号干扰的热释电传感器(也即第二传感器q4)相应的三个特征，则相应的报警计数加1，接着采样下一5秒钟数据，进行重复计算。
41.上一步骤中求得的报警计数，若大于设定的预警阈值，则认为检测到了火焰，报警指示灯点亮，同时报警输出模块7中报警继电器输出动作。
42.需要说明的是，本实用新型只保护硬件架构，对于以上涉及的算法流程或者控制逻辑等均不做保护，只是为了方便理解本实用新型的硬件电路而做出的展开说明。
43.通过以上技术方案，本实用新型设置用于检测波段的第一传感器q3和用于检测背景干扰的第二传感器q4，第一传感器和第二传感器q4采集两路信号分别送入对应的信号放大单元进行放大处理，再由主控模块5的信号采集单元采集后进行火焰检测处理，当检测到火焰信号，报警输出模块7输出报警和故障信号，实现在隧道中具有较高的火焰探测准确率，并且充分考虑背景干扰，在车灯干扰时也不会出现误报。
44.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围。