一種自學(xué)習(xí)模擬火源系統(tǒng)和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明提供了一種模擬火源的系統(tǒng)及方法，特別是一種可以自學(xué)習(xí)模擬火源系統(tǒng)和方法，可用于對不同材質(zhì)燃料燃燒的火焰頻譜特征進(jìn)行準(zhǔn)確模擬。
【背景技術(shù)】
[0002]火災(zāi)探測儀器等相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)中，獲取實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)，來確定不同火焰類型和探測距離的經(jīng)驗(yàn)閾值，并由此選擇火焰識(shí)別算法，經(jīng)常需要點(diǎn)明火做試驗(yàn)；在核潛艇、航空母艦、煉油廠及軍火庫等場合火災(zāi)探測器必須定期檢驗(yàn)和維護(hù)，點(diǎn)明火檢驗(yàn)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，具有巨大的潛在風(fēng)險(xiǎn)；在火災(zāi)探測器的生產(chǎn)過程中也需要點(diǎn)明火來對產(chǎn)品質(zhì)檢獲取實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)。這些場合頻繁的點(diǎn)火試驗(yàn)，既浪費(fèi)燃料又存在安全隱患。針對點(diǎn)明火對空間、時(shí)間、安全和人員限制等不便利性，技術(shù)人員提出了各種模擬火源的方法。
[0003]傳統(tǒng)的火焰模擬實(shí)現(xiàn)方法主要有三類:1、電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)型，電機(jī)帶動(dòng)刻有透光孔的滾筒轉(zhuǎn)動(dòng)，燈光透過滾筒投影在成像屏上，如中國專利號(hào)為ZL01113160.8的模仿火焰燃燒圖像的裝置；2、智能型，利用控制電路控制多組發(fā)光體交替閃爍，使發(fā)光體構(gòu)成的火焰圖案直射或無圖案的光線束通過火焰孔板透射到成像屏，產(chǎn)生動(dòng)態(tài)閃爍的火焰圖案，如中國專利號(hào)為CN101162078A的一種模擬火焰圖像的方法及裝置；3、紅紫外模擬型，中國專利號(hào)CN102384788B的手持式防爆紅紫外火焰探測器現(xiàn)場檢測裝置利用廣譜燈、紫外燈、拋物線型反光鏡、濾光片、窗口紅外玻璃、可充電電池、控制模塊等部件組成整機(jī)，能夠發(fā)出一定頻率的紅紫外光譜來模擬。
[0004]這三類裝置各有優(yōu)缺點(diǎn)，但第一類需要使用電動(dòng)機(jī)，產(chǎn)生的噪聲比較大，體積比較大，笨重且消耗能量較大。第二類火焰形狀主要由硬件決定，一旦要改變火焰外形，需要改變硬件，而且火焰變化不連續(xù)，不可控。前兩類是根據(jù)火焰的外觀而設(shè)計(jì)。第三類智能型火焰的能夠模仿一定頻率的火焰，但是它模仿頻率比較固定，然而不同的材料燃燒時(shí)的火焰閃爍頻率是不同的。該裝置模擬的火源的種類比較單一，不能推廣使用；另外該裝置使用的光譜燈的內(nèi)阻會(huì)隨著使用時(shí)間的增加而顯著變大，由于燈泡的供電電壓不變，該光譜燈的功率會(huì)明顯下降，即發(fā)光強(qiáng)度顯著減弱。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的是為克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種自學(xué)習(xí)模擬火源系統(tǒng)和方法。
[0006]為了實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明的目的，本發(fā)明的設(shè)計(jì)思路如下:
首先進(jìn)行信號(hào)特征采集，將紅外火焰探測模塊采集的數(shù)據(jù)通過串口將數(shù)據(jù)傳遞給微處理器，通過快速傅里葉變換得出不同材質(zhì)的火焰的頻率及其對應(yīng)的幅值。
[0007]基于火焰的光譜特性，為了最終得到有效的測量信號(hào)，模擬火源在4.3um波段處具有較高的輻射能量，也就是說，它必須提供測量所需的足夠的光強(qiáng)?；诨鹧娴念l譜特性，模擬火源需要能夠在不同的頻率下閃爍，且每個(gè)閃爍頻率對應(yīng)的輻射能量及閃爍頻率幅值不同。利用可發(fā)出強(qiáng)光的MEMS光源作為輻射源，通過濾光片選擇4.3um波段的紅外光，設(shè)計(jì)微處理器控制電路改變光源的閃爍頻率和閃爍幅值，即可實(shí)現(xiàn)模擬火源。
[0008]這里以恒功率電路作為光源的驅(qū)動(dòng)電路，使MEMS光源工作穩(wěn)定；MEMS光源發(fā)出的光經(jīng)過一個(gè)鍍金拋物面反射鏡，形成一個(gè)均勻光斑，通過藍(lán)寶石濾波窗口向外發(fā)射，產(chǎn)生與火焰波段相同的紅光；使用撥碼開關(guān)手動(dòng)控制或微處理器自動(dòng)產(chǎn)生隨機(jī)數(shù)改變光源的閃爍頻率，微處理器調(diào)節(jié)數(shù)字電位器改變光源的電壓，從而改變光源的發(fā)光強(qiáng)度，達(dá)到不同頻率對應(yīng)不同幅值的目的。
[0009]根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種自學(xué)習(xí)模擬火源的系統(tǒng)，包括紅外火焰探測模塊、主控制電路、恒功率驅(qū)動(dòng)電路和MEMS光源，其特征在于:所述的紅外火焰探測器采集的火焰信號(hào)數(shù)據(jù)經(jīng)過串口發(fā)送給所述主控制電路中的微處理器。所述的主控制電路由微處理器及其外圍電路組成，微處理器的外圍電路包括微處理器的供電電源電路、外部低速時(shí)鐘電路、外部高速時(shí)鐘電路和復(fù)位電路。紅外火焰探測模塊對被監(jiān)視場合可能存在的火源或者干擾源輻射信號(hào)進(jìn)行連續(xù)的數(shù)據(jù)采集，通過串口將數(shù)據(jù)傳輸給微處理器，微處理器將這些數(shù)據(jù)進(jìn)行時(shí)頻聯(lián)合分析，特征提取分類，對輻射強(qiáng)度按照不同波段歸一化處理，然后根據(jù)這些特征，由微處理器調(diào)節(jié)控制恒功率驅(qū)動(dòng)電路改變MEMS光源兩端的電壓，與此同時(shí)微處理器通過I/O 口產(chǎn)生一定時(shí)間的脈沖電壓控制MEMS光源的閃爍頻率，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對火焰信號(hào)的模擬。
[0010]所述的紅外火焰探測模塊采用中國發(fā)明專利CN10242675A技術(shù)，使用其紅外多參數(shù)火氣探測器采集火焰輻射強(qiáng)度信息。
[0011]所述的主控制電路包括微處理器及其處理器外圍電路。主控制電路由Ul微處理器 STM32R)51K8U6、晶振 Y2，電容 C2、C4、C13、C14、C38，電阻 R5、R9、R16、R25、R38，電感 L1、L2和按鍵KEYl構(gòu)成。電阻R25的一端連接微處理器的BOOTO引腳，另一端接地。電容C2和C4并聯(lián)，晶振Y2和電阻R5并聯(lián)，二者串聯(lián)并連接微處理器，至此構(gòu)成微處理器的外部晶振時(shí)鐘電路，晶振Y2的一端連接微處理器(3)的0SC_IN引腳，另一端連接微處理器(3)的0SC_0UT引腳。電感L1、L2和C13串聯(lián)，C14和C13并聯(lián)，C14 一端連接微處理器的VDDA引腳，構(gòu)成了微處理器的供電電路。所述的主控制電路包括微處理器及其處理器外圍電路；控制電路通過串口和恒功率驅(qū)動(dòng)電路相連。
[0012]所述的恒功率電路驅(qū)動(dòng)電路由功率電流監(jiān)視器芯片MAX4211EEUE、運(yùn)算放大器LM358，晶體三級管 Q4、Q5，數(shù)字電位器 MCP41010、二極管 D1、電阻 R7、R8、R10、R11、R12、R14、R15、R18，電容C6、C8、C9，插座P2、P3構(gòu)成。電阻R7、R8串聯(lián)，R7兩端分別接入MAX4122EEUE，R8接三極管Q4的集電極，電容C5作為、MAX4211EEUE的電源濾波電容。MAX4211EEUE的輸出電壓作連接運(yùn)算放大器LM358的反相輸入端口，電容C6作為LM358的供電電壓的濾波電容，LM358的輸出經(jīng)電阻RlO進(jìn)入三級管Q4的基極，電容C7作為Q4的基極去噪電容，三級管Q4的發(fā)射極連接MEMS光源作為MEMS光源的輸入，Q4的發(fā)射極連接電阻Rl I，Rl I和R14串聯(lián)，R14的分壓作為MAX4211EEUE的Vin引腳的輸入。數(shù)字電位器通過SPI模塊和微處理器STM32R)51K8U6相連，數(shù)字電位器的PWO連接LM358的正向比例放大端引腳。二極管D1、電阻R12、R18、和三級管Q5串聯(lián)成一條支路，R15 —端連接Q5的基極，R15的另外一端和微處理器的PC8引腳相連接，該支路為MEMS光源提供一定頻率脈沖的電壓信號(hào)。
[0013]該恒功率驅(qū)動(dòng)電路用于消除MEMS光源電阻變大的影響，當(dāng)光源發(fā)光久了之后，MEMS光源的燈絲電阻值會(huì)隨著溫度的升高而增大，此時(shí)由于電壓不會(huì)變化導(dǎo)致光源輸出的電功率發(fā)生變化，從而影響光強(qiáng)度。因此恒功率電路模塊控制光源，使光源工作在最佳發(fā)光點(diǎn)。
[0014]恒功率電路模塊主要是利用功率監(jiān)視器檢測電流和電壓，輸出一個(gè)表示光源功率的電壓，通過三極管與運(yùn)算放大器組成一個(gè)反饋系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)節(jié)恒定光源的功率，本發(fā)明利用數(shù)字電位器通過調(diào)節(jié)運(yùn)算放大器的同相端輸入電壓來改變光源的發(fā)光功率，使光源的發(fā)光功率不會(huì)隨著光源的阻值變化而改變。模擬火源發(fā)光強(qiáng)度的調(diào)節(jié)通過微處理器調(diào)節(jié)數(shù)字電位器來控制。
[0015]本發(fā)明所述的MEMS光源采用INTEX公司生產(chǎn)的MIRL17-900紅外MEMS光源可覆蓋l-20um寬波段，有高調(diào)制效率、高脈沖速率和高應(yīng)答性等特點(diǎn)，而且