红外线传感器.docx

1、红外线传感器力乂呀YANGTZE UNIVERSITY防火防爆课程设计报告题目名称 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2012-4-201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传感接口电路（光耦合器）的工作原理 132.3传感接口

2、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，往往比较容易奏效。因此，无论是单纯的火

3、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（U、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，探测器倒反而

4、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

5、流的变化，通过 A/D转换器反映为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。般红外线传感器是由一只光电三极管构成，其电路图如下:5V hxvlHIK图一：红外线传感器电路图当光电三极管

6、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 出口电压上升，输入到AD转换芯片进行转换。1.3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一个具体的测量工作，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

7、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

8、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。

9、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， 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

10、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

11、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

12、，图中带斜线的频段就是通常的火焰探测器所选择的频段。0.2 29 0. 4 2.7 K 3卜可见尤+ 辽什线 切121生J逆勺一到这地瞬的尢则 K1 100，OOOh，超过11年。主要技术指标如下。探 防爆等级：CENELECEEXB T5 ;适用1区；探灵敏度：0. 1m的可燃性介质（汽油、柴油、航空煤油、乙醇、庚烷），灵敏 度有4档量程（15m/ 30m/ 45m/ 60m ）可设置。探 响应时间：2s ;有延时功能，030s，可调；视角：水平 90;垂直 90探工作电压范围：DC4.5-5.5V探 功耗：200mA （正常工作时）;150mA （报警时）;探自检功能：自动和手动；探 信号

13、输出：420mA DC; RS - 485 ;探 继电器触点：报警 2A，30V DC或250V AC ;故障 2A，30V DC或 250V AC ;探 电缆出口螺纹：标准 3/ 4 （ 1 = 25. 4mm）; 14N P T螺纹；探 工作温度：-4070C；探 重量：3. 5kg ; 6. 5kg （不锈钢材质）。探在黑暗环境中（无光照），光照电压5V,无火源输出电压4.8V。有火源输出电压与距离成一定关系，具体如下:距离输出电压10mm0.06 V20mm0.07 V40mm0.09 V60mm0.1V80mm0.11V100mm0.13V200mm0.18V300mm0.19V40

14、0mm0.22V500mm0.25V600mm0.30 V700mm0.32 V800mm0.43V900mm0.50 V1000mm0.70 V2000mm1.44V8000mm3.52 V探 在室内可见光会对传感器有一点的影响，可以通过增加热缩管解决问题 探电位器为灵敏度调节旋钮，调节电位器可以改变灵敏度。1.5.4火焰传感器的安装我们所设计的火焰传感器在每一侧都有一“近视”火焰传感器和“远视”火焰传 感器。这样“远视”传感器和“近视”传感器的配合使用可以防止错误检测到火焰的 情况的出现。我们只需要在相应的位置打开或关闭“近视”和“远视”传感器就可以 对不同距离的火焰进行测量。“近视”传感

15、器实现在传感器上面加上铝合金的小管可以增加传感器的准确度。 是通过在铝合金小管上加黑色塑料纸实现的。经过这样的改装， “近视”传感器可以 只检测到一个方格而远视传感器可以检测到 3 个以上的方格。锅炉上采用了 3只远红外传感器（700nm-1000 nm）构成红外传感系统，主要用 来检测前方、左前方和右前方的热源，检测距离范围为 01m用户可以通过调节电 位器来调节远红外传感器灵敏度。远红外传感器将远红外光的变化转化为电流的变化， 在电阻上产生电压， 我们可 以通过 A/D 转换器反映为 01023 范围内的数值。外界红外光越强，数值越小。因 此越靠近热源， 显示读数越小。 根据函数返回值的变

16、化能判断红外光线的强弱， 从而 能大致判别出热源的远近。由于远红外火焰探头工作温度为-25 C 85C，存放温度为30C100 C,超过 以上温度范围， 远红外火焰探头可能会出现工作失常甚至损坏， 所以在使用过程中应 注意火焰探头离热源的距离不能太近，以免造成损坏。远红外传感器探测角度为 60，测试时最好让热源处于探头的检测范围内。 72.传感器接口电路（光耦合器）2.1传感器接口电路（光耦合器）的特点及优点光耦合器（optical coupler，英文缩写为0C亦称光电隔离器，简称光耦。光 耦合器以光为媒介传输电信号。它对输入、输出电信号有良好的隔离作用，所以，它 在各种电路中得到广泛的应用

17、。目前它已成为种类最多、用途最广的光电器件之一。 光耦合器一般由三部分组成： 光的发射、 光的接收及信号放大。 输入的电信号驱动发 光二极管（LED,使之发出一定波长的光，被光探测器接收而产生光电流，再经过进 一步放大后输出。这就完成了电光电的转换，从而起到输入、输出、隔离的作用。由于光耦合 器输入输出间互相隔离， 电信号传输具有单向性等特点， 因而具有良好的电绝缘能力 和抗干扰能力。 又由于光耦合器的输入端属于电流型工作的低阻元件， 因而具有很强 的共模抑制能力。所以，它在长线传输信息中作为终端隔离元件可以大大提高信噪比。在计算机数字通信及实时控制中作为信号隔离的接口器件， 可以大大增加计算

18、机工作 的可靠性。光电耦合器件具有以下特点 9：1. 体积小，重量轻，使用方便，性能稳定； 2. 不受磁场影响，不需磁屏蔽，抗干扰能力强； 3. 无触点，寿命长，响应速度快，可以 传输高达几MHZ的脉冲信号；4隔离电压等级高，输入和输出两端之间绝缘电压可达 万伏以上； 由于光电耦合器件具有上述一系列特点， 目前已广泛应用于计算机测量控 制系统中，成为接口技术中十分重要的隔离器件。光耦合器具有以下优点：信号单向传输，输入端与输出端完全实现了电气隔离， 输出信号对输入端无影响，抗干扰能力强，工作稳定，无触点，使用寿命长，传输效 率高。光耦合器是 70 年代发展起来产新型器件， 现已广泛用于电气绝缘、 电平转换、 级间耦合、驱动电路、开关电路、斩波器、多谐振荡器、信号隔离、级间隔离 、脉 冲放大电路、数字仪表、远距离信号传输、脉冲放大、固态继电器（SSR、仪器仪表、 通信设备及微机接口中。 在单片开关电源中， 利用线性光耦合器可构成光耦反馈电路， 通过调节控制端电流来改变占空比，达到精密稳压目的。 102.2传感器接口电路（光耦合器、的工作原理 11 在光电耦合器输入端加电信号使发光源发光，光的强度取决于激励电流的大小， 此光照射到封装在一起的受光器上后， 因光电效应而产生了光电流， 由受光器输出端 引出，这样就实现了电 -光-电的转换。光电耦合器是把发光器件与光敏接收器件集成在