基于组合传感器阵列的广谱火焰高度检测

泡沫气雾剂是 日常生活中应用最广泛的类型，杀虫剂 、发用摩丝及发胶这三类产品占80%。作为-个密闭危包容器，泡沫气雾剂具有潜在的高压、抛射剂泄漏、易燃性等危险性 ，尤其自1998年以极易燃烧爆炸的液化石油气、二甲醚替代氯氟化碳类作为气雾剂产品抛射剂，泡沫气雾剂的化学性燃爆概率”大幅度上升，其易燃性成为其最大安全隐患 。

为保障安全运输和使用，国际上已建立多种气雾剂易燃性检测方法和分类标准体系，联合国《全球化学品分类与标签统- 协调制度》(GHS)要求对易燃气雾剂危险性进行评估并做出分类 ，《欧盟关于气雾剂的指令》(Directive 2008/47/EC)和《欧盟化学品分类、标签与包装法规》要求所有气雾剂必须进行易燃性测试和分类 ，这些标准在-定程度上对我国泡沫气雾剂出IZl形成了技术壁垒。泡沫气雾剂的易燃性测试 由喷雾剂泡沫是否可燃、燃烧后火焰高度和定量泡沫的燃烧时间等数据进行分类 J。目前，国内泡沫气雾剂主要采用人工目测方法，存在瞬态火焰和浅色火焰难以准确判定、工作量大、检测效率低、重复性差及安全性差等问题。

文中针对泡沫气雾剂火焰光谱广、强度各异的特点，提出基金项目：国家质检总局科技计划项 目(2011QK395)收稿日期：2012-07-05 收修改稿 日期 ：2013-03-10了-种组合传感器阵列的广谱火焰高度测量方法，并结合逐次梯度温度分析方法，实现对泡沫气雾剂试样易燃特性的准确、自动化检测。

1 泡沫气雾剂易燃性检测系统组成泡沫气雾剂易燃特性检测系统主要检测泡沫气雾剂产品是否点火、火焰高度和火焰持续时间，主要由点火器及其运动控制单元、石英玻璃承烧板、火焰检测单元、微处理控制电路组成，其结构如图 1所示。

火焰检测单元承烧板圆卿 匦圃 泡沫气雾剂堆垛圈 图1 泡沫气雾剂易燃特性检测装置为避免环境自然光线对易燃特性检测的干扰，在检测区外部和仪器外壳内表面进行喷砂和发黑处理形成暗室效果，保证仪器外壳封闭不透光～定量的泡沫气雾剂堆垛放在圆形玻璃承烧板上，检测区内石英玻璃承烧板上两侧对称安装火焰状态传感单元，安装在步进电机上的点火枪对泡沫气雾剂点火，步进电机运动及点火枪点火控制时序、燃烧状态和火焰高度辨Instrument Technique and Sensor Jun.2013识及火焰持续时间在嵌入式微处理控制下实现检测过程的自动化。

2 泡沫气雾剂火焰高度的测定2.1 泡沫气雾剂火焰特性泡沫气雾剂种类繁多，对典型的泡沫睹喱、摩丝、点火枪及酒精灯物质产生的火焰进行光谱检测，其光谱分布如图2所示，不同类型物质光谱的波长分布范围相差较大且强度各异，同时泡沫气雾剂燃烧时间短，使用单-传感器很难完全覆盖。

图2 泡沫气雾剂典型光谱2.2 基于组合传感器的火焰高度检测拈设计为满足不同类型泡沫气雾剂多波长、宽光谱检测需求 J，以光敏传感器检测可见光，辅以红外热释电传感器检测红外光覆盖较大的波长分布范围，两种类型传感器水平并列安装且相距 10 mm.根据标准检测中气雾剂0～235 mm火焰高度检测范围和5 mm分辨率的要求，传感器以10 mm间距竖直线阵排列，将密集线阵传感器能够感受到的火焰光线的最高位置作为火焰高度。在空间分布上，在检测区域另-侧安装呈映像布局的检测板，并为提高火焰高度检测分辨率使传感器高度上相差5 mm。

检测板在检测时因传感器检测角度和光线入射角度因素，火焰尖端光线易斜向上射人位于高处的传感器造成误判，为防止火焰尖端高度以上任-传感器检测到信号并精确捕捉火焰尖端的真实高度，根据传感器阵列外形设计齿梳状遮光罩，其结构与安装方式如图 3所示 ，包括遮光板、开有导光孔的基板及安装罩壳，其中导光孑L中心线与传感器光轴重合。分布于各传感器之间的遮光板-方面分割火焰高度，另-方面消除除水平方向的其他光线传感器的影响。

图3 火焰高度遮光装置为保证遮光罩能最大限度减弱非水平方向的杂散光，设计遮光罩尺寸与其安装位置，如图4所示。图中单位为mm。

由于石英玻璃承烧板直径为 150 mm，为保证检测安全性图4 遮光罩光路图和有效性，遮光罩距离承烧板边缘 30 mm.根据标准中检测精度5 mm的要求，设计单个遮光板长45 mm，根据 L 105 mm，L245 mm，H10 mm，D/H： /(L1，J2)，求得导光孔高度D为3 mm.该设计能够有效屏蔽斜向上的光线，只允许与传感器同水平高度的各角度光线射入，另-方面由于遮光板和基板的外表面经喷砂和发黑处理能够吸收和多次漫反射入射到遮光板侧壁的斜向上或向下大部分光线，从而最终使斜向上或向下射入导光孔的原始光线非常薄弱。但是由于两侧检测板的传感器上下相差5 mm，使-侧传感器在水平高度上对应另-侧遮光罩挡板，火焰光线易通过对面遮光罩挡板反射造成误检，另-方面考虑到产生误差的火焰光线主要为斜 向上光线 ，将遮光罩下端面按20∝成斜面，火焰斜向上光线反射后偏离检测区域消除干扰。

2.3 基于逐次梯度温度分析法的火焰高度检测算法根据齿梳状遮光罩对火焰高度分割，以密集线阵传感器能够感受到火焰光线的最高位置作为火焰高度，则根据4组传感器数据得到的火焰高度值为：H： (1)式中： 为火焰左侧基于火焰基端安装的能够感受到最高火焰的传感器编号(H 0，1，2，，23，24)；Hb 为火焰右侧高于左侧火焰检测拈5 mm安装的能够感受到最高火焰传感器编号(Hb 0，1，2，，23，24)。

在实际检测过程中，火焰尖端的抖动对高度检测存在干扰，通过对火焰竖直方向的发光强度进行逐次梯度分析模拟真实火焰分布，从而建立光谱分布表决机制消除火焰尖端抖动干扰。

设-组传感器输出的信号梯度幅值为N(i)，i0，1，，24，将其分为m个级别，则m的取值为t 1，2，，max(N(i))- 1。记P(k)表示第k个级别的频率，则有p( )六∑l (2)- )k在空间检测范围内，火焰有无在梯度上表现较大差异性 ，通过阈值 t将火焰梯度幅值分成2部分：C 1，2，，t，c t1，t2，，max(Ⅳ(i))-1，其均值分别为：∞ (t)∑ip(i)/0)- (3)1≤≤l0)2( ) ∑ ip(i)/0)2(t) (4)则两组的总的均值和两组之间的方差为： 1(t)(cJl(t)Ix2(t) 2(t) (5)∞l(t)( 1(t)-Ix) 2(t)( 2(t)-Ix) (6)当方差最大时，对应的t值即为最优阈值，将该值代人式