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/ImO 图1光电流与光照强度之间的关系0.20.40.60.8O O OO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400600三、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 2hv = — mv o + A o2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不同环境。

五、单元电路设计、参数计算和器件选择1、单元电路设计(1)接收器单元图6接收器单元至原低阈值时，如图6三极管Q1,Q2开始到导通工作。

其中光电管起到十分重要的作用，它相当于启动电路的开关，紫外线辐射低于阈值，光电管截止，辐射高于阈值，光电管导通。

光电管(Phototube)基于外光电效应的基本光电转换器件。

光电管可使光信号转换成电信号。

光电管分为真空光电管和充气光电管两种。

如图7光电管的典型结构是将球形玻璃壳抽成真空，在内半球面上涂一层光电材料作为阴极，球心放置小球形或小环形金属作为阳极。

若球内充低压惰性气体就成为充气光电管。

光电子在飞向阳极的过程中与气体分子碰撞而使气体电离，可增加光电管的灵敏度。

用作光电阴极的金属有碱金属、汞、金、银等，可适合不同波段的需要。

光电管灵敏度低、体积大、易破损，已被固体光电器件所代替光电管原理是光电效应⑹。

光电二极管是一种半导体材料类型的光电管，它的工作原理：光电二极管又叫光敏二极管，是利用半导体的光敏特性制造的光接受器件。

当光照强度增加时, PN结两侧的P区和N区因本征激发产生的少数载流子浓度增多，则反向电流增大，因此，管是一种特殊的二极管，（2）声光报警器如图8在输出电压如果二极管反偏,光电二极管的反向电流随光照的增加而上升。

光电二极它工作在反向偏置状态下。

U o为低电平时，即小于三极管的开启电压，Q3截止,极管D2截止，此时发光二极管和扬声器由于 D2的截止和停止工作。

图8光声报警器原理在输出电压U O为高电平时，即大于三极管的开启电压， Q3导通，其发射极的输出电压将二极管D2导通，此时发光二极管和扬声器电路导通，D3发光，LS1 发出报警声。

2、参数计算接收器电路由光电管D1,晶体三极管Q1、Q2,电阻R1、R2、R3 R4,电位器PR1,电池BT1和扬声器LS1组成。

声光报警电路由电阻R5 R6 R7,晶体三极管Q3、Q4,普通二极管D2,发光二极管D3,和扬声器BL组成。

R1-R7选用1/4W碳膜电阻器或金属膜电阻器；RPI叫选用超小型合成碳膜电位器或可变电阻器。

Q1-Q4选用3AX31型PNP晶体三极管；D1选用GD-7锑铯阴极真空光电管;D2选用1N4148型硅开关二极管；D3采用选用SE303型红外发光二极管。

BL1选取8Q、0.5W扬声器；BTI选用9V电池。

设接受器电路中电池电压(4)(5) 则三极管Q2发射极电流I E2(6)则三极管Q3发射极电流I E3V1 -U BEQ2I E2=R3 + R4(7)则三极管Q1发射极电流I EI V EE,通过光电管D1的电流为11,则I1为,VEEU D111 —(3)(9)(9).VI VII2-U BEQ3 —U D 2E3_R 6可求发光二极管功率W i 和扬声器功率W 2W i =iU'VI =存尺 +U D 1V1— U BEQ1 E1= —R 2—VII2 = I E1 X R2(10)(11) 3、器件选择表1元器件清单六、结论本文设计的紫外线火焰预警传感器利用光电效应，经过滤、放大处理，当火焰紫外线辐射量超过最低阈值时，系统发出火警预报。

光电管光电流与光通量符合线性关系，可以对系统设定预定值。

其次，紫外线光谱在其灵敏度范围内，可以对紫外线辐射量迅速作出反应。

再者，温度变化对光电管的灵敏度影响很小，增强其实用性。

紫外火焰探测技术，使系统避开了最强大的自然光源一太阳造成的复杂背景, 使得在系统中信息处理的负担大为减轻。

所以可靠性较高，加之它是光子检测手段，因而信噪比高，具有极微弱信号检测能力，除此之外，它还具有反应时间极快的特点。

与红外探测器相比，紫外探测器更为可靠，且具有高灵敏度、高输出、高响应速度和应用线路简单等特点。

因而充气紫外光电管正日益广泛地应用于燃烧监控、火灾自报警、放电检测、紫外线检测、及紫外线光电控制装置中。

但对于传统的紫外光电管器件，由于结构设计和制备工艺的限制，其噪声和灵敏度是一个互相矛盾的参数。

一般而言，需将灵敏度控制在一个合适的水平，过高的灵敏度对器件的低噪声指标是十分困难的，因为灵敏度和噪声信号都是由光敏管发出，传统的检测器会将两种信号同时放大。

所以其灵敏度比较差，检测距离小，不能抗雷电的干扰，存在一定的误报率。

因而需要基于现有或新发展的探测原理方法，与其它学科技术交叉，通过改进信号采集和处理等方法来改善系统性能。

紫外线火焰预警系统不仅是对光电效应的深刻了解，更是对电路设计的灵活应用。