光电探测器（共8篇）
光电探测器 篇1
国外某公司推出三种新型感烟探测器, 可提供更精准报警并减少误报的发生。
新型感烟探测器的电离室在灵敏度与响应能力方面更强。三种新型感烟探测器均配有最新软件以提高报警准确率, 减少火灾误报的发生, 均可与之前感烟探测器产品兼容, 安装更便捷。三种新型感烟探测器的特点分别为:
(1) ALN-EN光电感烟探测器。ALN-EN光电感烟探测器采用新型高性能电离腔技术, 增加探测器阈值水平, 提高报警信号的信噪比, 减少误报的发生。
(2) ATJ-EN多级温度测点探测器。该探测器采用变温感应元件与温升速率感应元件。在判断是否发生火灾时, 热敏元件被激活或两个元件同时被激活。
(3) ACC-EN复合感烟探测器。ACC-EN复合探测器具有3种模式, 该探测器便于取出或更换、维修。
光电探测器 篇2
为估算光电系统的目标探测距离,研究了目标的红外辐射特性和在实验室内对系统灵敏度进行测试的.方法.在系统设计阶段,可以利用系统设计参数估算光电系统目标探测距离;在系统样机研制完成后,可以利用系统灵敏度测试,对光电系统目标探测距离进行估算.经实际系统试飞试验表明目标探测距离评估方法是可行的.
作 者：张红刚 **山 龚惠兴 ZHANG Hong-gang LU Guang-shan GONG Hui-xing 作者单位：张红刚,龚惠兴,ZHANG Hong-gang,GONG Hui-xing(中科院上海技术物理研究所,上海,83)
**山,LU Guang-shan(中国一航洛阳电光设备研究所,河南,洛阳,471009)
红外光电探测器系统电路设计 篇3
红外光电系统本质是一个光学—电子系统,用于接收波长0.75µm～1000µm的电磁辐射。它的基本功能是将接收到的红外辐射转换成为电信号并加以应用。接收系统把目标和背景的入射光能量经光学系统会聚于光电探测器上进行光电转换。探测器输出的信号经处理电路检出。在此过程中,背景噪声和系统内部的探测器噪声及电路噪声等都与信号一起进入系统[1]。
本文设计的红外光电探测系统应用探测目标物距离。用红外线作为媒质进行探测时,首先要有能够产生红外线的光源和接收红外线信号的探测器,并有一定的要求:1)为了增大光电探测系统的信号和信噪比,光源和光电器件之间的光谱应尽可能匹配;2)光源要有一定的强度,如果光源强度过低,系统获得信号过小,无法正常检测;光源强度过高,可能会导致系统工作的损坏。本系统中所采用的光源是红外发光二极管HG505,探测器是光敏三极管3DU5。
1 系统电路设计
1.1 信号发射电路(如图1所示)
红外发光二极管和光敏三极管是反应快速的器件,因而一个红外光束系统的有效范围是由馈送给红外发光二极管的峰值电流而不是由其平均电流所决定的[2]。
由U1、R1、R2、C1和D1组成20Hz的调制脉冲振荡器。其中D1用以调整脉冲周期的占空比,在C1充电时D1正向偏置,充电电流由电源→R1→D1→C1,充电时间为:t充电=0.7R1C1≈1ms。在C1放电时,D1反向偏置,放电电流由C1→R2→(7)脚→地,放电时间为:t放电=0.7R2C1≈49ms,U1的(3)脚输出占空比为1∶50振荡信号。由U2、R3、R4和C3组成20kHz的载频脉冲振荡器,该振荡器受U1的(3)脚控制,当U1的(3)脚为高电平时,U2开始振荡,输出20kHz载频脉冲;当U1的(3)脚低电平时,U2停振,输出高电平。当U2振荡时,它的输出使Q1以20kHz的频率导通与截止,并驱动D2发出峰值电流600mA左右的红外脉冲信号。系统仅消耗6mA左右的平均电流。
红外发光二极管有二种驱动方式[3],即直流驱动和脉冲驱动。多数情况下采用脉冲驱动,脉冲驱动允许瞬间通过发光管的峰值电流大于额定电流(本电路的中,HG505通过的峰值电流为600mA左右),效率较高。
1.2 前置放大器电路(如图2所示)
通过光敏三极管Q2和R7串联,将Q2接收到的红外反射信号转变为相应的交变电压信号,通过电容C8耦合到放大电路中去,该信号通过运放U3、U4进行放大,两级运放能够提供的最大信号增益约为1020。这两级放大器的幅频响应曲线以20kHz为中心,由C8、C10、提供低频段的二次衰减曲线,而高频段的三次衰减曲线由C5和运放内部的电容来提供。
此电路中,光敏三极管Q2将接收到的红外线脉冲转换成电信号后通过电容C8耦合到放大电路中去,其目的:抑制背景的需要,用交流耦合电路即具有这种功能;消除探测器上的任何直流偏置电位;能把探测器的1/f噪声的干扰影响减至最小。
1.3 检波电路(如图3所示)
来自前置放大器输出的20kHz的单音信号波形通过D3、D4、C12、R18、R19、C13网络转换成直流并通过R20馈送到电压比较器运放的非反相输入端上,此运放的反相输入端连接到可变电位器POT上。整个电路的工作过程为:当一个20kHz的单音输入信号出现时,运放的输出为高电平,当单音信号消失时,运放的输出为低电平,这样,电压比较器的输出就随单音脉冲信号的包络线而变化。通过调节可变电位器POT来改变电路的灵敏度,当运放的反相输入端电位越低,检波电路的灵敏度越高;反之,灵敏度越低。
1.4 选通驱动电路(如图4所示)
来自U1(3)脚的信号与检波电路的输出信号一起送到选通门U6A,当U1(3)脚是高电平且检波器输出信号也是高电平时,与非门输出一个低电平触发U7,U7(3)脚输出高电平使Q3导通。选通门的目的在于消除杂散背景光的干扰,使与U1(3)脚的信号不同频同相的信号被禁止,从而保证了在信号波形的“空白”部分中不被触发,提高了传感器的环境适应能力。
U7、Q4、C15、R23、POT2组成单稳态可重复触发延时电路,在电路的暂稳态期间内,有新的触发脉冲加入,电路的暂稳态将延续,直到触发脉冲的时间间隔超过tp0,电路才返回稳态,当U7(2)脚输入负向脉冲后,电路进入暂稳态,三极管Q4导通,电容C15放电,输入低电平撤除后,C15充电,U7(6)脚的电位上升,在未达到32Vcc之前,电路仍然处于暂稳态,如果此时,U7(2)脚又来负向脉冲,三极管Q4又导通,C15再次放电,电路将仍然维持在暂稳态。只有在U7(2)负向脉冲出现后的tp0时间内没有新的触发脉冲,电路才返回稳态。tp0=0.7(POT2+R23)C15。延时时间tp0通过POT2来调节。
2 实际应用
把传感器灵敏度调到当40×40cm白画纸板与传感器光轴正对时探测距离为6m,然后把香樟叶板与光轴成不同角度,记下传感器的探测距离。
从表1发现:当香樟叶板与光轴的角度越大,传感器探测的距离越大,当香樟叶板与光轴的角度越小,传感器探测的距离越小。因为香樟叶板与光轴的角度影响到有效反射面,当香樟叶板与光轴的角度越大,有效反射面越大,反射回来的光的能量也越大,传感器的探测距离越大。反之,有效反射面越小,反射回来的光的能量也越小,传感器的探测距离越小。
3 结束语
基于红外发光二极管HG505和探测器是光敏三极管3DU5,设计了红外光电探测系统电路。该系统中传感器部分,红外信号采用单音脉冲方式发射、采用滤波和选通方法接收,增强了探测系统在工作时的抗干扰能力,适用于距离探测应用。
参考文献
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[2]安东尼.Rogalski.红外探测器概述[J].2002,43(3):187-210.
光电探测器 篇4
在太阳能光伏发电或光热利用中, 集能装置的太阳能利用率与集能面和太阳入射光线形成的角度密切相关, 如果使集能面始终保持与太阳入射光线垂直, 就可以在有效的面积内更多地利用太阳能。常规光伏发电系统中, 一般采用光伏组件固定安装方式, 不能充分利用太阳能, 因此太阳自动跟踪系统的设计与应用是很有必要的。
1太阳自动跟踪系统的工作原理
目前太阳自动跟踪技术主要有两种:视日运动轨迹跟踪和光电跟踪。视日运动轨迹跟踪又分为两类:第一类是严格按照天文日历计算出当地每日每个时刻的太阳高度角和方位角的数值进行二维跟踪, 如图1所示;第二类是按照太阳每小时相对地球转过15o进行方位角跟踪, 高度角每日的变化较小, 按月或季来调整。光电跟踪系统主要由光电探测器、光电池组件、电机、支架等组成, 其原理为:当光电探测器检测到太阳光线非垂直照射光伏阵列时, 控制系统就发出驱动信号, 驱动电机进行方位角、高度角的调整, 使光伏阵列正对太阳。光电跟踪过程如图2所示。
由上述可以看出, 第一类视日运动轨迹跟踪方式的算法过程十分复杂, 其计算量的增大会增加控制系统的成本, 而且这种跟踪装置为开环系统, 无角度反馈值做比较, 因而为了达到高精度跟踪的要求, 不仅对机械结构的加工水平有较严格的要求, 而且与仪器是否正确安装的关系极为密切, 该种方式在国内应用很少。第二类视日运动轨迹跟踪方式应用较多, 但跟踪精度不高。成本较低而跟踪精度相对较高的是光电式跟踪, 如果将视日运动轨迹跟踪与光电跟踪两者结合, 各取其长处, 可以获得较满意的跟踪结果。目前这种跟踪方式已应用在许多大型太阳能发电装置上, 但其计算过程十分复杂, 高精度光电探测器成本也很高, 对于需要降低成本的小型太阳能发电装置来讲并不十分适用。不管是光电跟踪还是视日运动轨迹与光电相结合的跟踪, 都要用到太阳跟踪光电探测器, 本文设计了一种新型光电探测器。
2新型光电探测器的结构及工作原理
新型光电探测器的具体结构如图3所示。设置一个空腔薄壁的梯体框架, 框架每个侧面的内表面两侧分别布置一排型号为2CR21的硅光电池, 底面为平面镜。
该探测器对太阳的高度角和方位角进行二维跟踪, 框架相对的两侧面上的光电池一对检测方位角偏差, 另一对则检测高度角偏差。当太阳光线垂直照射平面镜时, 检测方位角的光电池均没有接收到太阳光的直接照射;当太阳入射光与平面镜的夹角在α～90o之间 (α为框架侧面与底面的夹角) , 太阳光经平面镜反射到用来检测方位角偏差的一个侧面上的部分或全部光电池上, 这些光电池两极之间产生较强的电压, 而检测方位角偏差的另一侧面没有接收到太阳光的照射, 其上的光电池两极间产生的电压相对微弱, 这样经过适当处理的信号送入控制单元, 控制单元发出控制信号, 使电机动作直到太阳光垂直照射到框架底面的平面镜上;当太阳入射光与平面镜的夹角在0～α之间, 太阳光可以直接照射到检测方位角偏差的一个侧面的部分或全部光电池上, 而检测方位角偏差的另一个侧面没有接收到太阳光的照射, 如上述, 两侧光电池的电信号也可进行比较。高度角方向上的偏差探测与之同理, 探测器工作原理如图4所示。探测精度与框架的几何参数有关, α角取值越接近90o, 探测精度越高, 但这样会减小探测范围, 适当地增大框架高度H探测精度也会增高。本设计取α=75o, 框架的底面边长和高分别为200 mm和96 mm, 探测精度可达0.5o, 探测范围在5o～175o之间时即方位角或高度角的偏差值在5o～175o之间, 该探测器可以正常工作。用光电池作为光敏元件较用光敏电阻作为光敏元件的显著优点在于光电池不需外加电源便可达到检测光照强弱的目的。
现研究该探测器框架上相对两侧面上的光电池接收光照和其短路电流ISC的情况。太阳光线与探测器底面的平面镜成θ角照射, θ在α～90o之间时, 受平面镜反射光照射的部分光电池, 因其安装在与平面镜成α角的框架内侧面上, 接收的光强较太阳直接照射减弱, 不考虑散射的影响, 根据框架的几何参数, 可得减弱系数为 (cosα+sinα/tanθ) , 而与之相对的另一侧面上的光电池只受环境散射光的照射。θ在0～α之间时, 一个侧面上的部分或全部光电池接收太阳光的直射, 而与之相对的另一侧面只受环境散射光的照射。由硅光电池的特性知, 光电池的短路电流ISC与入射光照度成正比, 所以本探测器采集的是光电池的短路电流ISC, ISC信号经电流-电压变换、滤波、放大后由数据采集卡送入计算机处理。设该探测器处在太阳光可以直接照射的环境中, 环境光照度为 (1～1.3) ×105 lx, 以型号为2CR21的硅光电池为例, 表1列出了接收太阳光经平面镜反射和相应环境散射的光电池的光照度和短路电流ISC, 表2列出了接收太阳光直接照射和相应环境散射光的光电池的光照度和短路电流ISC。从表1和表2可以看出, 只要在控制部分设置合适的临界值, 就可以准确检测到方位角上是否存在偏差。高度角上的情况与此类似。
3结束语
该光电探测器具有结构简单、价格低廉、设计简便且探测范围大和探测精度较高等优点, 其传感装置采用了性能稳定、价格低廉的光电池作为敏感元件, 无需复杂的计算。因此本文所设计的光电探测器在太阳跟踪系统中具有广阔的应用前景。
参考文献
[1]汪文杰, 曾学文, 施建华.光电技术[M].北京:科学出版社, 2009.
[2]孙茵茵, 鲍剑斌, 王凡.太阳自动跟踪器的研究[J].机械设计与制造, 2005 (7) :157-159.
光电探测器 篇5
荧光检测方法在基因信息检测,病毒检测,DNA序列测试等方面获得了广泛的应用,它是目前生物化学领域最重要,最方便的检测技术之一。传统荧光检测系统大多是采用冷却CCD相机系统,光电倍增管和雪崩二极管来作为检测传感器,同时配合复杂光路对荧光进行检测。这种检测方法主要的缺点有两点[1,2]:一是传统荧光检测传感器具有体积大,成本高,等缺点,有的还需要冷却系统和高压支持,并且不能与标准CMOS工艺兼容,不能实现集成化;二是传统检测方法需要复杂光路配合,微弱荧光在光路中的损失使得必须增大染料浓度来提高系统灵敏度;CMOS兼容的光电探测器,以其低成本,低功耗,小体积,高集成度并且不需要光路配合等优势正渐渐取代传统的检测传感器[3,4,5]。
本课题组通过对标准CMOS工艺的研究,提出一种与工艺相兼容的光电探测器的光电转换模型,同时分析比较了标准CMOS工艺下三种寄生光电探测器性能特点,并且通过SMIC 0.18µm CMOS工艺进行流片验证。测试结果表明,所提出的光电转换模型正确,三种传感器测试性能与理论上接近。
2 与CMOS工艺相兼容光电探测器的设计
2.1 光电转换模型建立
光照在半导体表面,光子能量被半导体吸收,转化成电子-空穴对。在耗尽区的电子-空穴对在电场作用下向两极漂移产生漂移电流,同时在耗尽区边界处,由于存在少数载流子浓度梯度,使得少子向内部扩散从而产生了扩散电流。漂移电流和扩散电流是光电流的主要组成部分。
假设电场全加在耗尽区上,并且忽略多子浓度的变化。以表面处为坐标原点,P区宽度为WP,耗尽区宽度为W,N区宽度为WN,Vr为反偏电压。设入射光光功率为Pin,则器件表面光通量为φ0=Pinλ/hSc,那么距离半导体表面x处电子-空穴对的产生率为
其中:α是半导体吸收系数,h是普朗克常数,c是真空光速,λ是光波长,S为感光面积。
在稳态情况下,P型半导体中性区内少数载流子浓度满足连续型方程:
其中:δnp是过剩少数载流子浓度,Ln是P区电子扩散长度,Dn是P区电子扩散系数。
边界条件为δnp(0)=0和δnp(Wp)=-np01(-exp(-qVr/kT)),其中np0是平衡情况下少子浓度,k是玻尔兹曼常数,T是绝对温度,则P区内电流密度为
同理,在N区内产生的扩散电流密度为
其中:pn0是平衡情况下少子浓度,Lp是N区中空穴扩散长度,Dp是N区中空穴扩散系数。
耗尽区漂移电流密度可以表示为
光电探测器光电转换灵敏度被定义为产生的光电流与吸收光功率之比,即:
2.2 器件仿真及性能分析
标准CMOS工艺下有三种寄生光电器件,如图1所示,图1(a)是P+/Nwell光电二极管;图1(b)是Nwell/Psub光电二极管;图1(c)是N+/Psub光电二极管。根据所提供的工艺参数以及一些经验公式[6],结合式(6),利用Matlab对这三种器件进行光电转换灵敏度模拟,结果如图2所示。
从图2中可以看出,在灵敏度方面,图1(b)(c)结构要好于图1(a)结构,这是因为在图1(a)结构中,由于Nwell的隔离作用使得阱区的少子扩散仅能达到阱底的深度,而其他两种结构中少子可以扩散到衬底很深的地方,因此图1(b)(c)结构衬底扩散电流比(a)结构阱区扩散电流大的多;图1(c)结构比图1(b)结构灵敏度稍高,这是因为(c)结构中衬底比(b)更深;峰值响应波长方面,图1(a)(c)结构峰值响应波长略大于图1(b)结构,这是因为硅半导体对光吸收系数与光的波长成反比,因此波长短的光容易在器件表面被吸收,而波长长的光则容易在器件内部被吸收。
3 测试结果及分析
3.1 芯片照片
本设计采用SMIC0.18µm标准CMOS工艺进行流片验证,芯片照片如图3所示,设计了如图1所示的三种光电探测器,感光面积分别为100µm×100µm,10µm×10µm,10µm×10µm,芯片面积730µm×840µm。为测试光电探测器的光电转换特性,本设计采用了简单的三管单元作为测试电路,如图4所示,如果入射光光强一定,那么产生的光电流与输出电压斜率成正比,另外光强可以通过照度计测量得到。
3.2 测试结果及分析比较
芯片输出波形如图5所示,图5(a)为没有光照时由暗电流产生的积分输出,对应图1中的三种结构,暗电流大小分别为55 nA/cm2,64 nA/cm2,600 nA/cm2。N+/Psub型结构暗电流最大,主要是因为这种结构不但容易受到来自衬底噪声的干扰,而且还受到来自于器件表面由于不平整等非理想因素而产生闪烁噪声的影响;P+/Nwell型结构中的Nwell能有效隔离衬底,避免衬底噪声耦合;Nwell/Psub型结构感光结远离器件表面,因此能防止器件表面闪烁噪声干扰,所以Nwell/Psub型结构和P+/Nwell型结构的噪声性能要优于N+/Psub型结构;图5(b)为强光照射时出现的饱和现象,芯片线性输出电压范围100～800 mV。
三种结构灵敏度的定量测试结果如图6所示,与图2比较可以看出,图6(a)(c)结构灵敏度比仿真结果偏低,这主要是由于仿真时忽略了器件表面非理想因素的影响,例如表面的不平整,闪烁噪声等等,这些都将减小光电流的产生。另外,仿真时忽略了表面膜折射率和反射率对灵敏度的影响,实际上,表面膜的折射率和反射率是输入光波长的复杂函数[7],这也是导致实际相邻测试点跨度比较大的原因之一,例如在图6中,在550 nm附近存在灵敏度极小值点,这就是因为在该波长处,芯片表面膜的反射率,折射率最大,真正被芯片吸收的光很少,因此灵敏度偏小。
表1给出了三种光电探测器的测试参数以及与其它文献的比较。本文所设计的P+/Nwell型光电二极管和Nwell/Psub型光电二极管最大灵敏度均高于文献[8]和文献[9]中的。N+/Psub型光电二极管的最大灵敏度则低于文献[10]中的,这主要是因为文献[10]通过增加了P+注入层以及适当的退火工序来改善传感器的灵敏度;所设计的三种探测器暗电流比参考文献略大,这是因为暗电流(主要由二极管反偏电流组成)主要与扩散浓度,阱深度等有关,不同工艺下各种工艺参数的不同使得探测器在暗电流性能上差异比较大;另外,暗电流与加在探测器上的反偏电压成正比,本设计中的反偏电压为系统电源,因此所设计的探测器暗电流普遍偏大。除此,文献[10]中通过增加特殊工序能大大改善暗电流性能,但这种方法同时增加了制作成本,不利于大规模生产。
4 结论
本文设计了三种基于SMIC 0.18µm标准CMOS工艺参数的光电探测器,通过理论推导分析了三种探测器在灵敏度,光谱响应,暗电流等方面的性能差异并流片验证。其中Nwell/Psub型结构灵敏度最高,能达到0.35 A/W,峰值响应波长580 nm;P+/Nwell型结构峰值响应波长最短,为460 nm,并且其暗电流最小,为55 nA/cm2。本文为不同荧光检测系统选择标准CMOS兼容光电传感器提供了理论基础和实践经验。
参考文献
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光电探测器 篇6
1 光电式感烟探测器工作原理
1.1 光电式感烟探测器基本原理
根据米氏 (Mie) 光散射理论, 如果入射光为自然光, 散射示意图如图1。则总散射光强I为:
式中:λ-入射波波长;R-接收点 (x, y, z) 到烟散射粒子的距离;i1 (θ) , i2 (θ) -散射强度函数。
在研究平行光照射下, 球形颗粒的散射问题时, 通常引入无因次粒径参量a=mπd/λ, 其中λ是入射光在真空中的波长, d是球形颗粒的直径, m1是颗粒周围分散介质的折射率。给出颗粒的大小a及颗粒材质的折射率m后, 散射光强i1 (θ) 和i2 (θ) 可通过数值计算得到。例如图2给出了m=1.33和m=1.55时散射强度函数i1 (θ) 和i2 (θ) 曲线。
1.2 粒子尺度的影响分析
经典米氏散射理论是适用于所有球形颗粒的普遍情况, 颗粒无因次参量可从很小到很大, 颗粒的折射率也可有一个很大的变化范围。这两个参数唯一地决定了颗粒的散射规律。
米氏散射理论在工程实践中应用较多的有两种特殊情况。分别为:大颗粒近似-夫琅和弗衍射、小颗粒近似-瑞利散射。
大颗粒近似-夫琅和弗衍射对应散射
式中:
J1 (aθ) -是关于的一阶贝塞尔函数。
J1 (aθ) 数值可查有关数学用表。令aθ=X, [2J1 (X) /X]2曲线见图3, 该函数的极大值和极小值的数值见表1。
入射光为自然光时, 小颗粒近似-瑞利散射对应散射强度为:
一般粒子尺度影响子直径与入射光波比, 基本上划分成区域, 分别为:瑞利区 (d<0.1λ) ;米氏区 (0.1λ<d<4λ*) ;卡尔散射区: (d>。在米氏-瑞利散的交界处, 光电接输出信号与粒径的方成正比, 并开始弦阻尼方式振荡。erker认为夫琅和弗测同a1=40公因知光于几射理论适用于测量d>4λ的情况。Miebye的计算表明:当颗粒的直径d<0.3λ/时, 瑞利公式才能适用。这时, 瑞利公式算结果与严格Mie解相差大约2%～3%不同折射率而有所不同) 。
2烟雾、粉尘颗粒粒度分析
2.1粉尘和烟雾粒径分布
近年来对颗粒粒径的基础研究有了更深的了解, 对很多粉尘颗粒的粒度进行了统计, 颗粒的粒度定义为颗粒所占据空间大小的尺度。它的范围变化很大, 可以从零点几纳米到几千微米, 表2给出了烟雾、粉尘的大致情况。
由粉尘和烟雾的粒径统计情况可以, 烟雾颗粒大小在1μm左右, 而一般颗粒大于1μm。因此可以利用烟雾颗径大小来分辨粉尘与烟雾。从而排除所导致的光电式感烟探测器误报警。
2.2波长与颗粒粒径影响分析
令双波长分别为λ1和λ2, 对应光电探器的散射角为θ。则对应粒径为d的相颗粒条件, 其无因次粒径参量分别为mπd/λ1和a2=mπd/λ2。
当a1>12和a2>12 (布里卡尔散射) , θ=°≈0.2π时, a1θ>6π和a2θ>6π, 则可采用式2可计算散射光强。由夫琅和弗衍射子可看出其值很小。根据米氏效应可, 随着无因次粒径参量a的增大, 散射强分布的对称性开始变差, 前向散射强后向散射。随着a进一步增大, 散射光乎全部集中在前向θ=0°的附近, 如图4所示。由于θ=40°≈0.2π, 因此λ1和λ2通过颗粒散射到光电探测器的信号都很小, 其差值可忽略。
当0.3<a1<12和0.3<a2<12 (米氏散射) , θ=40°≈0.2π时。则可由散射强度函数曲线看出, 不同的无因次粒径参量对应相对强度差异具有数量级的变化, 且此时光散射强度大。如果此时, 合理的选择双波长, 实现较大的无因次粒径参量差值, 再通过双波长比较进行烟雾粒子的散射信号提取, 将会得到很大的比较信号。如果根据烟雾与粉尘颗粒粒径大小的差异, 将光电感烟探测器光源波长设置在此区域。则可实现光电感烟探测器在高灵敏度的条件下, 对粉尘颗粒的抗干扰能力。
假设选择波长分别为0.4μm和0.9μm的双光源, 散射角θ=40°, 烟雾颗粒粒径范围0.1μm～1.0μm, 则对应无因次粒径参量大概为0.8～7.9和0.3～3.5, 无因次粒径参量差几乎为2.3倍, 即可采用双波长产生的散射强度的比较实现烟雾的高灵敏度检测。此时, 如果粉尘颗粒为4μm则对应无因次粒径参量大于12, 则其比较信号可忽略。即通过波长的选择和散射角的设计, 实现烟雾颗粒部分高灵敏检测, 同时降低粉尘颗粒的干扰。
结语
本文通过对光散射原理及颗粒粒度分布进行分析, 根据不同散射区的工程实践函数及散射强度分布图等, 对烟雾颗粒及粉尘颗粒大小分布进行烟雾探测器的抗干扰设计分析, 提出降低粉尘导致感烟探测器误报的一种方式。但由于颗粒粒度分布的交叉性与差异性, 可根据实际工作场合, 合理的选择匹配光源, 及散射角设计进行光电感烟探测器的设计。在提高微弱散射信号检测能力的同时, 可采用双波长散射光信号比较方式进行散射光信号处理, 能够进一步提高光电感烟探测器的感烟灵敏性和抗干扰能力。
摘要：简要介绍了散射型光电感烟探测器的光散射原理及粉尘、烟雾颗粒的分布。根据不同波长对相同颗粒的散射特性的差异, 通过无因次粒径参量简单计算分析, 采用双波长比较方式, 对不同散射区特性进行分析。说明利用双波长比较方式, 实现光电散射型感烟探测器抗粉尘颗粒干扰成为可能。
关键词：光散射,粒径参量,颗粒分布
参考文献
[1]朱福成, 彭仁明.光电感烟探测器的研究.自动测量与控制, 2006, 25 (9) .
[2]彭仁明, 贺春林, 朱福成.基于平行光束的后向散射光电感烟探测器的研究.西华师范大学学报, 2006, 27 (4) .
[3]蔡小舒, 苏明旭, 沈建琪.颗粒粒度测量技术及应用.化学工业出版社, 2010.
智能型光电感烟火灾探测器的设计 篇7
关键词：智能,光电感烟,火灾探测器,微处理器,软件
1 引言
近年来,随着城市建设的发展、人们防火意识的增强以及国家有关法律、法规的健全,越来越多的高层建筑、公共场所安装了火灾探测报警系统,在早期发现火灾、预防火灾方面发挥了重要作用。火灾探测器是火灾自动报警系统的关键设备,安装于各个建筑防护区,时刻监视着火灾的发生。火灾探测器按其响应形式可分为感烟探测器、感温探测器、感光探测器和复合探测器等,各种探测器都有其特定的适用场所,其中应用最多、最广泛的是点型光电感烟火灾探测器。
点型光电感烟火灾探测器一般由电路板、光学迷宫、壳体、底座等部分构成,通过光学迷宫探测烟雾,由电路板进行火灾判定,并实现报警指示、通讯等功能。
点型光电感烟火灾探测器经历了开关量、模拟量和智能型三个阶段的发展。早期的开关量火灾探测器靠硬件电路判断火警,即当光学迷宫的信号达到比较电路的触发电平时,输出一个火警信号,其误报率高,已被模拟量探测器取代。模拟量探测器本身不进行火灾判断,而是将连续检测的火灾参数传送给火灾报警控制器,由火灾报警控制器统一对火警做出判断,因而误报率有所降低,但同时却加重了火灾报警控制器的负担,使火灾报警控制器既要进行数据处理又要兼顾数据通讯,当系统中火灾探测器较多时,将面临计算量大和存储资源匮乏的问题。因此必须对处理速度、计算能力、通讯速度、系统容量等进行折中处理,影响了火灾报警系统的进一步发展。
半导体技术和计算机技术的快速发展使火灾探测器实现智能化成为可能,火灾探测器中的微处理器对火灾参数进行处理及火警判断,使火灾报警控制器从繁重的信号处理中摆脱出来,从容地实现更多的管理功能,构成目前最先进的分布智能火灾探测报警系统。
2 智能型光电感烟火灾探测器的发展现状
光电感烟火灾探测器的智能化是通过微处理器和软件算法实现的,其智能化水平主要体现在火灾探测的可靠性、自适应能力、抗干扰能力等方面。目前,国内各厂家生产的光电感烟火灾探测器已普遍内置微处理器,但微处理器的作用却不尽相同,智能化水平更是参差不齐:有的微处理器仅起到通讯作用,取代以前的专用解码芯片;有的微处理器对光学迷宫的探测器信号仅作简单比较,取代以前的比较电路;有的微处理器对火灾探测器信号进行了一些分析,但算法简单,火灾探测的可靠性(防误报、漏报)依然较低。
本项目通过自主设计的立式双向散射感烟探测器光学迷宫和前向、后向检测电路,通过内置的微处理器实时计算前向、后向散射光路的响应比值,按前向/后向相对光强比算法进行分析、判断,实现对各种颜色烟雾和明火的均衡响应,可识别水雾、灰尘等非火警干扰因素,可避免漏报、消除误报,对于缓慢变化的灰尘积累进行动态补偿,通过先进、可靠的通讯协议实现快速响应,整体智能化水平高。
3 智能型光电感烟火灾探测器的设计
3.1 电路设计
本文设计的光电感烟火灾探测器的电路系统主要由CPU、存储器、发射电路、接收放大电路、总线接口电路、稳压电路、信号返回电路及确认灯电路组成,如图1所示。
我们从性价比、功耗等方面综合考虑,选用了美国Microchip公司的PIC系列单片机,它是业界首先采用了RISC结构的嵌入式微控制器,其高速度、低电压、低功耗、大电流LCD驱动能力和低价位OTP技术等都体现出单片机产业的新趋势。该系列单片机引入了原用于小型计算机的双总线和两级指令流水结构,具有指令少、执行速度快等优点。
此外,PIC系列单片机的结构特点还体现在寄存器组上,如寄存器I/O口、定时器和程序寄存器等都是采用了RAM结构形式,而且都只需要一个周期就可以完成访问和操作。而其它单片机常需要两个或两个以上的周期才能改变寄存器的内容。PIC系列单片机指令总数少,且大都为单周期指令。
PIC系列8位单片机产品共有三个系列,即基本级、中级和高级。火灾探测器作为火灾报警系统部件的一种,也同样对CPU的选择有I/O线、低功耗、低成本的要求,综合考虑选择了中级的PIC16C712,利用CPU的捕捉输入端口接收控制器发来的地址、命令与数据,并将探测器的地址、报警阈值等信息存入E2PROM中,对接收放大电路输出电压进行A/D转换。
主要功能特点如下:
高性能RISC结构精简指令集,仅35条单字指令,基本为单周期指令。
八级硬件堆栈,多种硬件中断,直接、间接、相对三种寻址方式。
4路8位A/D转换输入。
双向可独立编程设置I/O引脚,高驱动电流,每个I/O引脚最大拉电流25mA,最大灌电流25mA。
8位定时器/计数器TMR0,带8位预分频;8位定时器/计数器TMR2,带有8位的周期寄存器及预分频器和后分频器。16位定时器/计数器TMR1,睡眠中仍可计数。
具有1路捕捉输入/比较输出/P W M输出(CCP)。
低功耗,<2mA@5V,4MHz,<15μA@3V,32kHz,<1μA低功耗Sleep模式下。
全静态设计,宽工作电压:2.0V～6.0V,宽工作温度范围。
内置自振式(RC振荡)看门狗;程序保密位,可防程序代码的非法拷贝;掉电保护电路;在线串行编程。
内置上电复位电路(POR):上电定时器,保障工作电压的稳定建立;振荡定时器,保障振荡的稳定建立;断电复位锁定,即当芯片电源电压下降到某一值以下时,使芯片保持复位。当电源电压恢复正常后,芯片恢复运行。
四种可选择振荡方式:低成本阻容RC、标准晶体/陶瓷XT、高速晶体/陶瓷HS、低频晶体LP。
本系统选用串行E2PROM存储器,用于存储探测器的出厂序列号、地址编码、报警阈值等信息,该存储器可在线电擦除、电写入,具有体积小、接口简单、数据保存可靠、可在线改写、功耗低等特点。
目前常用的串行E2PROM有两线制、三线制两种,两线制产品用于需要I2C总线、有抗噪声性能、I/O口线受限制的应用中;三线制产品用于有限制规约要求且采用SPI规约、需要有更高时钟频率要求,或需要16位数据字宽的应用中。
为节约C P U的I/O口线,选用两线制串行E2PROM芯片24LC01。它采用低功耗CMOS工艺制造,具有擦除/写入周期10万次和数据保留100年的高可靠性。
采用时钟(SCL)和数据(SDA)两根线进行数据传输,接口十分简单。SDA是串行数据脚。该脚为双向脚,漏极开路,用于地址、数据的输入和数据的输出,使用时需加上拉电阻。SCL是时钟脚。该脚为器件数据传输的同步时钟信号。
SDA和SCL脚均为施密特触发输入,并有滤波电路,可有效抑制噪声尖峰信号,保证在总线噪声严重时器件仍能正常工作。
3.2 总线接口电路设计
火灾探测器与火灾报警控制器之间采用总线连接,在直流24V电源上叠加7.5V脉冲信号,直流为火灾探测器提供电源,脉冲信号(包含地址与数据)经耦合后送至C P U进行译码、接收。
火灾探测器利用CPU的捕捉输入口接收控制器发来的地址、命令和数据信息,将探测器的地址、报警阈值等信息存入E2PROM中,对接收放大电路输出电压进行A/D转换。
为了在通讯时使总线的电压保持相对的恒定,采用高低电平交替发送信息的办法,即通过高电平或低电平的不同宽度来表示不同的信息,可以有效利用总线的带宽。在本系统中,为了减少脉冲个数,每个脉冲表示两位2进制码,如表1所示。
火灾报警控制器在巡检时最多发16位数据、2位校验位,其中前8位是地址或命令、后8位是数据。起始信号为5ms的低电平,校验脉冲同时也是停止脉冲。控制器还向火灾探测器等部件发送广播信号,探测器根据不同的命令接收或返回相应的数据。
当探测器接收到与自身地址码相同的寻址信号时,CPU控制信号返回电路以脉冲幅度固定的电流信号向控制器返回探测器的地址、检测值、故障、火警状态等信息。返回的数据共10位,其中8位数据、2位校验。探测器在控制器发数完成1ms后立即返回数据,脉冲幅度为40mA。信号波形如图2所示。
3.3 报警广播协议设计
为使火灾报警控制器能快速响应探测器的报警信息,我们设计了报警广播通信协议。火灾报警控制器定时向整个回路发送广播信息,探测器收到广播信号时,如该探测器有报警信号需要发送,则开始逐位发送自己的地址,此时可能有多个探测器有报警信号,例如这两个探测器的地址分别是1和2(以下简称1#和2#探测器),探测器首先发送自己的最低位,如图3中A点,如是1则发送脉冲宽度是1.024ms,如为0则宽度为0.768ms。
当两个探测器同时发送时,返回的实际数据是1,控制器收到1信号后,立刻把1通过总线返回,如图3中B点;当2#收到该信号1时,与自己刚才发送的0相比较,发现不一致即退出通讯,1#则继续通讯,发送自己的后边的所有地址位,直到发送完成。控制器在通讯完成后,已经获得1#探测器有新报警,则通过巡检该地址的方式获得该探测器的报警信息。
1#探测器在成功进行一次报警广播通讯后,不再进行广播通讯,除非有新报警信息产生(所有信息有新的变化)。当控制器在下一个周期发送广播通讯时,2#探测器继续返回自己的信号,直到通讯完成。这样控制器在两个巡检周期内就完成了两个报警信息的查询。
探测器发送的每个脉冲必须在收到脉冲0.5～1ms时返回,所有探测器必须保持一致。
由于每次广播通讯的过程中低电平的脉冲宽度都小于5ms,因此其它探测器可以根据此判断通讯是否结束。
3.4 报警判据设计
本文设计的光电感烟火灾探测器采用两发一收的双向光路迷宫,微处理器实时计算发射管1、发射管2分别与构成前向散射光路和后向散射光路的接收管响应输出值的比值,根据不同颜色、粒径的粒子的响应输出比值的不同,按前向/后向相对光强比算法对进入探测室的烟雾颗粒进行分析、判断,确认烟雾颜色及水雾、灰尘等非火警因素,并根据烟雾颗粒的颜色自动调整探测器的响应阈值,实现对各种颜色烟雾的均衡响应。
前向散射、后向散射可各设一浮动阈值,其中后向散射阈值小,当检测值变化量超过浮动阈值进行连续采样判断。当前向散射、后向散射有一路出现故障时,另一路可独立进行火警判断。
发射管1、发射管2分时发光,将接收管对发射管1、发射管2的响应输出值以一定时间间隔进行平均,根据两个平均值判定迷宫内灰尘的积累程度。对于缓慢变化的灰尘积累进行补偿(漂移补偿),超出限定幅度的给出污染告警信号,以延长探测器的使用寿命,减少误报。
因为光学探测室的内壁不可能成为绝对黑体,发光元件发出的光经过内壁多次反射后,必然在探测空间内形成一定照度的背景光,通过对背景光变化信号的分析,判断发光元件的发光强度、接收元件的接收灵敏度、探测室的状态等,使探测器实现自诊断。
3.5 软件设计
火灾探测器根据控制器发送的命令返回相应的数据,具有设置地址、阈值校准、判断火警、判断传感器故障等功能。
为了使软件有良好的可维护性,采用模块化设计,程序框图见图4所示。
(1)模块1(主程序)功能
实现对该程序的初始化设置,检查探测器的地址、阈值、传感器故障,判断火警,写EEPROM等。
(2)模块2(捕捉中断)功能
该模块接收控制器发送的编码信号。
(3)模块3(比较中断)功能
该模块向控制器发送返回信号。
(4)模块4(定时器0中断)功能
该模块对接收到的编码信号进行分析处理,准备需向控制器返回的数据。
(5)模块5(定时器2中断)功能
该模块进行A/D采样间隔、巡检闪灯间隔的计时。
4 结束语
本文设计的智能型光电感烟火灾探测器已通过国家消防电子产品质量监督检验中心的检验,完全满足GB4715-2005的要求,能均衡响应黑烟、白烟,灵敏度高,报警响应速度快,具有较强的抗干扰、防误报能力,现已大批量生产,并成功地应用于多个消防报警工程,取得较好的经济效益和社会效益。
光电感烟火灾探测器实现智能化,可大大提升火灾探测器的技术性能,使火灾报警控制器从繁重的现场信号处理中摆脱出来,实现更多、更有意义的管理功能,方便地构成分布智能火灾探测报警系统。
参考文献
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[2]窦振中,汪立森.PIC系列单片机应用设计与实例[M].北京:北京航天航空大学出版社,1999.
[3]王殊,窦征.火灾探测及其信号处理[M].武汉:华中理工大学出版社,1998.
[4]窦征,王殊,沈光进.火灾探测的误报警及其对策[C].消防技术与产品信息增刊,2001.
全向凝视型光电探测技术 篇8
1 光学设计
全向凝视型多波段光电探测光学系统主要采用全反射全景镜头,无需要扫描伺服机构,可完成方位全向、俯仰不小于80°视场范围内的监视.全向环形成像系统是基于投射方法FCP,将透镜周围圆柱区域的景物转换到同一平面的平面圆柱透视成像,从而将空间360°全向投影到二维有限平面,实现全向成像.
FCP是基于视觉延展法,通过合适的照明方式,将一个圆柱区域投影到二维像平面上的圆环区域,如图3所示.像平面上环形区域的宽度与物空间视场角α相对应,环形区域内的每个同心圆代表物空间中与光轴有一定夹角的光锥面上所有点的投影,灭点在圆心处.图3a显示了空间视场角α所代表的角度范围内的入射光线均遵循这样的成像方式,而β所代表的角度范围内的入射光线则无法成像,β代表了FCP成像的中心盲区.图3b示出了像平面上与图3a中的角度相对应的环形像的大小.
光学上,FCP成像系统可以分为折射式和反射式2类.前者一般利用全向环形透镜实现,后者通常采用非球面镜作为前置反射元件以达到全向成像的目的.在此主要讨论全向环形反射成像技术,其基本思想是以单个反射曲面实现一定的角放大率,从而将与光轴夹角很大的入射光线反射成为与光轴夹角较小的光线,经后继光学系统按常规成像方式成像,其原理如图4所示.
设入射光线与光轴的夹角为u,经该曲面反射后的光线与光轴夹角为u′,则反射曲面的角放大率γ按式(1)计算:
du/du′=γ (1)
如图4所示,对ΔABC应用外角定理,并考虑反射定律有-2i=u′+u,可得:
du+du′+2di=0 (2)
式中,各物理量均按几何光学符号的规定取得相应的符号.由图4可得:
rdu′/dr=tanφ (3)
式中,φ为反射光线与曲面在该点处的切线的夹角,r为AB之间的距离.显然di=dφ,代入式(2),并结合式(1)可得:
dφ/du′=(-1/2)(γ+1)=k (4)
由式(3)、式(4)可求出微分方程的通解为:
arctan(rdu′/dr)=ku′+α (5)
式中α为积分常数,其值为当u′=0时(即顶点处)的φ角,可根据情况取不同的数值.将式(5)两边积分得:
ln[sin(ku′+α)]/k=lnr+lnb=ln(br) (6)
将式(4)中的k代入式(6)可得式(7)反射曲面的面形方程:
undefined
式中,b为积分常数.式(7)为单个反射曲面全向成像系统的理论模型,可以根据不同的角放大率要求和顶点处的曲面形状解出曲面方程.
以单个反射曲面作为前置元件可以实现全向成像要求,如图5所示.
根据以上分析,以非球面作为反射元件的全向环形发射成像系统具有数倍角放大率,把它置于CCD等成像器件之前,可以将CCD的物方视场放大,从而实现全向成像.并且非球面前置元件是一种反射元件,不会引进新的色差,只会引入单色像差,该单色像差可以通过其后的转像系统来补偿和校正.
根据需求可镀可见光全反射与红外全反射膜等多波段反射膜,通过全反射的方式成像于光电传感器上,光电传感器可根据需要选用不同的可见光CCD与红外成像器件.
2 全景图像展开
为便于观察和测量,需要将环形像线性化处理,也就是将环形像展开成矩形像.将环形像看作是矩形像的一种几何畸变,由于任何一种几何失真都可以描述成原始图像坐标和畸变图像坐标之间的关系,因此可采用坐标变换对目标像进行处理,以恢复原图像.事实上不可能将非矩形像无误差地转化为矩形像格式,但由此所引入的畸变可通过所采用的映射方式加以修正.
将全向环形透镜所生成的环形像展开成矩形像要进行2步线性化,一是切线方向线性化,二是径向方向线性化.切线方向线性化是将视场范围内环形像的一个楔形部分转换成矩形;径向线性化是由于环形像在垂直方向上也非线性,故需要在垂直方向上将得到的矩形图像进行伸展处理.
对于切线方向线性化,可采用以其圆心为原点的极坐标f(r,θ)来表示所得到的环形像,将其转换为以图像左下角为原点的直角坐标,可按式(8)进行变换:
undefined
式中(Ox,Oy)为环形像圆心在目标坐标系中的坐标值.
对于径向线性化,可按式(9)进行描述:
undefined
式中,(x,y)为切线方向线性化后的坐标,(x′,y′)为图像完全复原后的坐标.
由于FCP映射的特殊关系,y与y′之间不是简单的线性关系,必须由系统标定来确定,通常可采用多项式的方法进行拟和.
在线性化过程中,原图像中的一部分被放大了,为防止输入像素未被映射到其附近位置而使一些输出像素漏掉,造成输出图像的退化,可采用向后映射算法,即将输出像素逐次逐个地映射回输入图像中,以便确定其灰度级.但是,向后映射通常把输出像素映射到输入图像中的非整数位置,为了确定与该位置相对应的灰度值,必须进行插值运算.
对正在计算中的非整数地址(x,y)上的像素P,包围它的单位正方形A、B、C、D 4个顶点的灰度值已知,则希望通过双线性插值得到(x,y)位置的灰度值.令f(x,y)为2个变量的函数(以f表示各点的灰度值),则双线性方程式如式(10)所示:
f(x,y)=(fb-fd)x+(fc-fa)y+
(fd+fa-fb-fc)xy+fa (10)
由此可定义一个双曲抛物面与4个已知点拟和,然后根据(x,y)的取值计算灰度值f(x,y).
综上所述,全景图像的展开基于全景镜头的几何构造对捕捉到的环形图像进行校正得到矩形区域图像.具体步骤是,首先确定图像中心,其次进行几何变形校正,第三由极坐标变换得到虚拟的圆柱图像,第四进行垂直方向校正,第五将圆柱图像直接展开为矩形图像,第六进行灰级计算.
3 结 束 语
本文对全向凝视型光电探测的技术进行了理论探讨,重点分析了全向环形反射成像技术.应用单个反射曲面将与光轴夹角很大的入射光反射为与光轴夹角较小的光线.继而使后续的光学系统以常规方式成像.在全景图像展开的设计方法上,采用了线性化处理方法,进行切线方向与径向方向的线性校正,并采用后向映射的算法及插值运算,降低由于线性化引起的输出图像的退化,较好地实现以非球面作为反射元件的全向凝视成像。
参考文献
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