紫外線火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、哈爾濱石油學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告 傳感器課程設(shè)計(jì)報(bào)告 設(shè)計(jì)題目：紫外線火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì) 專 業(yè) 測(cè)控技術(shù)與儀器 班 級(jí) 測(cè)控一班 學(xué) 號(hào) 學(xué)生姓名 指導(dǎo)教師 2016年 6月 17日哈爾濱石油學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告一、課程設(shè)計(jì)的目的：（1）通過紫外線火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，要求大家回顧電路基礎(chǔ)、模擬電子技術(shù)、單片機(jī)和傳感器原理的基礎(chǔ)知識(shí)；（2）掌握通過紫外線傳感器，單片機(jī)判斷是否發(fā)生火災(zāi)的原理； （3）掌握紫外線傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、液晶顯示器，單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理；（4） 能根據(jù)紫外線火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)原理繪制電路圖。二、課程設(shè)計(jì)的要求： 根據(jù)紫外線火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理，確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，對(duì)單片機(jī)最小

2、系統(tǒng)、紫外線傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、液晶顯示器、報(bào)警電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，并用protel畫出系統(tǒng)電路圖，同時(shí)記錄當(dāng)天的實(shí)習(xí)日志。三、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容及安排：第1天： 查找資料，了解紫外線火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理；記錄當(dāng)天的實(shí)習(xí)日志；第2天： 查找資料,根據(jù)紫外線火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的工作原理，確定系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案；記錄當(dāng)天的實(shí)習(xí)日志；第3天：熟悉設(shè)計(jì)中所用到的紫外線傳感器、模數(shù)轉(zhuǎn)換器、液晶顯示器，單片機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理；記錄當(dāng)天的實(shí)習(xí)日志第4天：?jiǎn)纹瑱C(jī)最小系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，記錄當(dāng)天的實(shí)習(xí)日志；第5天：紫外線模塊的設(shè)計(jì)；第6天：模數(shù)轉(zhuǎn)換電路的設(shè)計(jì)第7天：液晶顯示電路的設(shè)計(jì)；記錄當(dāng)天的實(shí)習(xí)日志；第8天：報(bào)警電路的設(shè)計(jì)，記錄當(dāng)天的

3、實(shí)習(xí)日志；第9天：把所有電路模塊進(jìn)行整理，并用protel畫出系統(tǒng)總原理電路圖；記錄當(dāng)天的實(shí)習(xí)日志；第10天：書寫實(shí)習(xí)總結(jié)報(bào)告。 四、成績(jī) 指導(dǎo)教師簽名： 年 月 日 目 錄一 、設(shè)計(jì)要求1二、設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn)11.1 方案一12.2 方案二22.3 方案三2三、傳感器工作原理3四、電路的工作原理4五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇55.1參數(shù)計(jì)算75.2器件選擇8結(jié) 論8參考文獻(xiàn)10紫外線傳感器應(yīng)用電路設(shè)計(jì)一 、設(shè)計(jì)要求電路設(shè)有預(yù)定的火焰預(yù)警范圍，當(dāng)火焰超過給定的紫外線輻射最低量量時(shí)，電路會(huì)在毫秒級(jí)的數(shù)量級(jí)上報(bào)警，并切斷燃料供應(yīng)；火焰的紫外線輻射量低于給定個(gè)范圍，對(duì)電路沒有影響?？梢姽?、紅

4、外線的輻射不會(huì)對(duì)電路造成影響1。二、設(shè)計(jì)方案及其特點(diǎn)紫外線是一種不可見光，光子能量大。利用光電效應(yīng)有光敏電阻、光敏二極管、光敏三極管三種方案。方案如下：1、方案一0.050.100.150.200.25光電流/mA光通量/lm0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0圖1 光電流與光照強(qiáng)度之間的關(guān)系采用光敏電阻。光敏電阻又稱光導(dǎo)管，為純電阻原件，其工作原理是基于光電導(dǎo)效應(yīng)，其阻值隨光照增強(qiáng)而減小。其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，造價(jià)低廉，但舍棄這個(gè)方案的主要原因是光敏電阻多數(shù)是非線性的，不宜做定量監(jiān)測(cè)，如圖1所示。其次光敏電阻具有延時(shí)性的特點(diǎn)，而且時(shí)間常數(shù)都很大。再次光敏電阻具有溫度特性，隨著溫度升高，其暗電流和

5、靈敏度下降2。2 、方案二采用光敏三極管。光敏三極管的光照特性近似線性關(guān)系，故可以做定量測(cè)量。而且，溫度變化對(duì)光電流的影響很小，對(duì)暗電流的影響很大，但電子線路中應(yīng)對(duì)電流進(jìn)行溫度補(bǔ)償3。舍棄方案二的主要原因是無論是硅管還是鍺管都對(duì)紫外線不敏感，從圖2的光譜特性可以看出。20406080100硒硒硅入射光波長(zhǎng)/nm0 400 600 800 1000 1200 圖2 光敏三級(jí)管的光譜特性相對(duì)靈敏度/% 硅鍺 光敏三極管對(duì)紫外線不敏感，對(duì)可見光和紅外線較敏感，而對(duì)于火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)來說，要避免可見光及爐壁紅外輻射的干擾，所以光敏三極管不適合本設(shè)計(jì)。3 、方案三采用光電管作為敏感元件，可應(yīng)通過感受紫外線的

6、強(qiáng)度，來完成對(duì)電路的控制，實(shí)現(xiàn)自控預(yù)警。如圖3光電管（又稱電子光電管）由封裝于真空管內(nèi)的光電陰極和陽極構(gòu)成。當(dāng)入射光線穿過光窗照到光陰極上時(shí)，由于外光電效應(yīng)，光電子就從極層內(nèi)發(fā)射至真空4。在電場(chǎng)的作用下，光電子在極間作加速運(yùn)動(dòng)，最后被高電位的陽極接收，在陽極電路內(nèi)就可測(cè)出光電流，其大小取決于光照強(qiáng)度和光陰極的靈敏度等因素。方案方框圖如圖4。圖3光電管工作原理圖KIA 光源濾光放大接受器 報(bào)警器圖4 紫外線火焰監(jiān)測(cè)系統(tǒng)方框圖三、傳感器工作原理天然氣、煤氣、石油液化氣、汽油、柴油、酒精等類物質(zhì)，其火焰能見度低，點(diǎn)燃快，有爆炸危險(xiǎn)，在燃燒時(shí)必須有熄火保護(hù)。在火情預(yù)報(bào)時(shí)沒有引燃階段，采用紫外探測(cè)比其他

7、形式的探測(cè)有明顯的優(yōu)勢(shì)能在毫秒級(jí)時(shí)間內(nèi)快速反應(yīng)，可以避免可見光及爐壁紅外輻射的干擾。在本文中我們利用紫外線能量強(qiáng)的原理，當(dāng)有一定量的紫外線照射在陰極上時(shí)，光電流迅速增大。光子是具有能量的粒子，每個(gè)粒子具有的能量可以由下列是自確定： （1） 式中：h普朗克常數(shù)，6.626x10-34 J. S； 0電子逸出速度。在光照射下,電子逸出物體表面向外發(fā)射的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng),亦稱光電子發(fā)射效應(yīng)。當(dāng)物體中的電子吸收入射光子的能量且足以克服電子逸出功A0時(shí)，電子就會(huì)逸出物體表面，產(chǎn)生光電子發(fā)射。如果一個(gè)想逸出，光子能量hv必須超過逸出功A0，超過部分的能量表現(xiàn)為逸出電子的能量5。根據(jù)能量守恒定理：（2）E

8、rror! No bookmark name given.式中：m靜止電子質(zhì)量，m=9.1091x10-31kg； 0電子逸出速度。根據(jù)愛因斯坦方程我們得出以下三點(diǎn)：入光成分不變，產(chǎn)生的光電流與光強(qiáng)成正比；光電子能否產(chǎn)生，取決于光電子的能量是否大于該物體的表面電子逸出功A0；光電表面具有初始動(dòng)能子逸出物體表1/2mv0。當(dāng)光照射在陰極上時(shí)，中央陽極可以收集從陰極上溢出的電子，在外電場(chǎng)作用下形成電流I。四、電路的工作原理當(dāng)沒有火焰產(chǎn)生或火焰紫外線輻射沒有達(dá)到最低閾值時(shí)，光電管沒有導(dǎo)通，三極管Q1、Q2、Q3均截止，此時(shí)二極管D2截止，光聲報(bào)警器中發(fā)光二極管和揚(yáng)聲器均不工作。當(dāng)火焰燃燒會(huì)輻射各種各

9、樣的光，如圖5若火焰紫外線輻射超過最低閾值，光電管會(huì)瞬間導(dǎo)通，則三極管Q1、Q2導(dǎo)通，Q2經(jīng)R4產(chǎn)生的發(fā)射極輸出電壓將三極管Q3導(dǎo)通，此時(shí)發(fā)光二極管和揚(yáng)聲器均工作，起到了報(bào)警作用。當(dāng)火焰強(qiáng)度得到控時(shí)，光電管截止，光聲報(bào)警器也停止工作。圖5 紫外線火焰報(bào)警系統(tǒng)電路調(diào)節(jié)RP1可以控制紫外線輻射的最低強(qiáng)度即調(diào)節(jié)閾值，從而提高電路的靈敏度和實(shí)用性。在不同的場(chǎng)合，對(duì)紫外線輻射強(qiáng)度報(bào)警要求不同，通過改變調(diào)節(jié)器的位置，可使用在不同環(huán)境。五、單元電路設(shè)計(jì)、參數(shù)計(jì)算和器件選擇1、單元電路設(shè)計(jì)（1）接收器單元圖6 接收器單元到最低閾值時(shí)，如圖6三極管Q1,Q2開始到導(dǎo)通工作。其中光電管起到十分重要的作用，它相當(dāng)于

10、啟動(dòng)電路的開關(guān)，紫外線輻射低于閾值，光電管截止，輻射高于閾值，光電管導(dǎo)通。光電管（phototube）基于外光電效應(yīng)的基本光電轉(zhuǎn)換器件。光電管可使光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。光電管分為真空光電管和充氣光電管兩種。如圖7光電管的典型結(jié)構(gòu)是將球形玻璃殼抽成真空，在內(nèi)半球面上涂一層光電材料作為陰極，球心放置小球形或小環(huán)形金屬作為陽極。若球內(nèi)充低壓惰性氣體就成為充氣光電管。光電子在飛向陽極的過程中與氣體分子碰撞而使氣體電離，可增加光電管的靈敏度。用作光電陰極的金屬有堿金屬、汞、金、銀等，可適合不同波段的需要。光電管靈敏度低、體積大、易破損，已被固體光電器件所代替光電管原理是光電效應(yīng)6。圖7 光電管原理圖光電二

11、極管是一種半導(dǎo)體材料類型的光電管，它的工作原理：光電二極管又叫光敏二極管，是利用半導(dǎo)體的光敏特性制造的光接受器件。當(dāng)光照強(qiáng)度增加時(shí)，PN結(jié)兩側(cè)的P區(qū)和N區(qū)因本征激發(fā)產(chǎn)生的少數(shù)載流子濃度增多，如果二極管反偏，則反向電流增大，因此，光電二極管的反向電流隨光照的增加而上升。光電二極管是一種特殊的二極管，它工作在反向偏置狀態(tài)下。（2）聲光報(bào)警器如圖8在輸出電壓U0為低電平時(shí)，即小于三極管的開啟電壓，Q3截止，二極管D2截止，此時(shí)發(fā)光二極管和揚(yáng)聲器由于D2的截止和停止工作。圖8 光聲報(bào)警器原理U0 在輸出電壓U0為高電平時(shí)，即大于三極管的開啟電壓，Q3導(dǎo)通，其發(fā)射極的輸出電壓將二極管D2導(dǎo)通，此時(shí)發(fā)光二

12、極管和揚(yáng)聲器電路導(dǎo)通，D3發(fā)光，LS1發(fā)出報(bào)警聲。2、參數(shù)計(jì)算接收器電路由光電管D1，晶體三極管Q1、Q2，電阻R1、R2、R3、R4，電位器PR1，電池BT1和揚(yáng)聲器LS1組成。聲光報(bào)警電路由電阻R5、R6、R7，晶體三極管Q3、Q4，普通二極管D2，發(fā)光二極管D3，和揚(yáng)聲器BL組成。Rl-R7選用1/4W碳膜電阻器或金屬膜電阻器；RPl叫選用超小型合成碳膜電位器或可變電阻器。Q1-Q4選用3AX31 型PNP晶體三極管；D1選用GD-7銻銫陰極真空光電管；D2選用1N4148型硅開關(guān)二極管；D3采用選用SE303型紅外發(fā)光二極管。BL1選取8、0.5W揚(yáng)聲器；BTI選用9V電池。設(shè)接受器電

13、路中電池電壓VEE，通過光電管D1的電流為I1，則I1為 （3）則三極管Q1發(fā)射極電流IE1 （4） （5）則三極管Q2發(fā)射極電流IE2 （6） （7）則三極管Q3發(fā)射極電流IE3 （8） （9）可求發(fā)光二極管功率W1和揚(yáng)聲器功率W2 （10） （11） 3、器件選擇表1 元器件清單序號(hào)元器件類型元器件規(guī)格數(shù)量備注R1電阻10K1R2電阻1801R3電阻4501R4電阻5K1R5電阻2201R6電阻4501R7電阻7201R8電阻501PR1電位器10K1Q1P型三極管3AX314D1光電管GD-71D2二極管1N41481D3發(fā)光二極管SE3031BL揚(yáng)聲器8 0.5W1BT1電池9V1六、

14、結(jié)論本文設(shè)計(jì)的紫外線火焰預(yù)警傳感器利用光電效應(yīng)，經(jīng)過濾、放大處理，當(dāng)火焰紫外線輻射量超過最低閾值時(shí)，系統(tǒng)發(fā)出火警預(yù)報(bào)。光電管光電流與光通量符合線性關(guān)系，可以對(duì)系統(tǒng)設(shè)定預(yù)定值。其次，紫外線光譜在其靈敏度范圍內(nèi)，可以對(duì)紫外線輻射量迅速作出反應(yīng)。再者，溫度變化對(duì)光電管的靈敏度影響很小，增強(qiáng)其實(shí)用性。紫外火焰探測(cè)技術(shù)，使系統(tǒng)避開了最強(qiáng)大的自然光源一太陽造成的復(fù)雜背景，使得在系統(tǒng)中信息處理的負(fù)擔(dān)大為減輕。所以可靠性較高，加之它是光子檢測(cè)手段，因而信噪比高，具有極微弱信號(hào)檢測(cè)能力，除此之外，它還具有反應(yīng)時(shí)間極快的特點(diǎn)。與紅外探測(cè)器相比，紫外探測(cè)器更為可靠，且具有高靈敏度、高輸出、高響應(yīng)速度和應(yīng)用線路簡(jiǎn)單等

15、特點(diǎn)。因而充氣紫外光電管正日益廣泛地應(yīng)用于燃燒監(jiān)控、火災(zāi)自報(bào)警、放電檢測(cè)、紫外線檢測(cè)、及紫外線光電控制裝置中。但對(duì)于傳統(tǒng)的紫外光電管器件，由于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和制備工藝的限制，其噪聲和靈敏度是一個(gè)互相矛盾的參數(shù)。一般而言，需將靈敏度控制在一個(gè)合適的水平，過高的靈敏度對(duì)器件的低噪聲指標(biāo)是十分困難的，因?yàn)殪`敏度和噪聲信號(hào)都是由光敏管發(fā)出，傳統(tǒng)的檢測(cè)器會(huì)將兩種信號(hào)同時(shí)放大。所以其靈敏度比較差,檢測(cè)距離小,不能抗雷電的干擾,存在一定的誤報(bào)率。因而需要基于現(xiàn)有或新發(fā)展的探測(cè)原理方法，與其它學(xué)科技術(shù)交叉，通過改進(jìn)信號(hào)采集和處理等方法來改善系統(tǒng)性能。紫外線火焰預(yù)警系統(tǒng)不僅是對(duì)光電效應(yīng)的深刻了解，更是對(duì)電路設(shè)計(jì)的靈活應(yīng)用。該設(shè)計(jì)有反應(yīng)速度快、無延遲、功耗小等優(yōu)點(diǎn)，隨著城市氣化工程的進(jìn)一步拓展，火焰預(yù)警系統(tǒng)有著很好的市場(chǎng)前景。 通過本次課程設(shè)計(jì)，是我對(duì)紫外線傳感器有了更加深刻了解和認(rèn)識(shí)，對(duì)Protel軟件掌握更加熟練，深刻意識(shí)到傳感器在我們生活中無處不在，將理論知識(shí)運(yùn)用到生活中，對(duì)專業(yè)課知識(shí)更加全面的認(rèn)識(shí)，收獲頗多。參考文獻(xiàn)1 黃賢武，鄭筱霞.傳感器原理與應(yīng)用M.電子科技大學(xué)出版社,2004.2陳章其.用于火焰探測(cè)的紫外光敏光敏管J.傳感器學(xué)報(bào).1996.013崔景俊.紫外火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)D.電子科技大學(xué)出版社.2007.4李青文.紫外脈沖法在特