垂直燃燒性能自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)

周 磊 ，趙黎華 ，李 翔 ，楊 華

（1.天津出入境檢驗(yàn)檢疫局，天津 300457；2.天津市檢驗(yàn)檢疫科學(xué)技術(shù)研究院，天津 300457；3.天津科技大學(xué) 材料科學(xué)與化學(xué)工程學(xué)院，天津 300457）

當(dāng)前，輕工和紡織制品這些與人類日常生活密切接觸的消費(fèi)品，它的阻燃安全性已引起國(guó)內(nèi)外廣大民眾的高度關(guān)注，各國(guó)政府也先后提出多項(xiàng)阻燃性能的法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)。但因其所涉及的項(xiàng)目眾多，而且阻燃檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)需模擬燃燒來驗(yàn)證，故在計(jì)算中就引入了人工意識(shí)的影響因素，加之多種檢測(cè)模擬條件的差異性和待測(cè)樣品數(shù)量的“爆炸式”增長(zhǎng)，都對(duì)阻燃檢測(cè)的智能化、快速化提出了前所未有的要求。為達(dá)到自動(dòng)檢測(cè)纖維、織物、塑料消費(fèi)品等阻燃性能的目的，開發(fā)了一套燃燒性能自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，將傳統(tǒng)的垂直燃燒儀進(jìn)行智能化改造，增加傳感器和終點(diǎn)判定的信號(hào)探頭，最終實(shí)現(xiàn)了對(duì)燃燒時(shí)間、燃燒距離、燃燒種類等智能化、自動(dòng)化檢測(cè)，在代替人工操作的同時(shí)，提高了效率也消除了人工誤差。

1 系統(tǒng)的構(gòu)成及功能

系統(tǒng)由燃燒儀、前端傳感器、下位機(jī)、工業(yè)級(jí)相機(jī)、上位機(jī)5部分組成。其中，燃燒儀符合阻燃性能的測(cè)定[2]，續(xù)燃陰燃的時(shí)間可以任意設(shè)定，在上位機(jī)發(fā)送開始燃燒信號(hào)的同時(shí)按下自動(dòng)點(diǎn)火按鈕實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)材料的燃燒。前端傳感器包括紅外溫度傳感器，CO、Cl2氣體電化學(xué)傳感器。下位機(jī)處理系統(tǒng)包括STM8S系列單片機(jī)以及外圍信號(hào)處理電路。工業(yè)相機(jī)采用高速CCD數(shù)字相機(jī)。上位機(jī)操作系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺(tái)為VC++6.0。

本檢測(cè)系統(tǒng)采用上下位機(jī)配合并對(duì)目標(biāo)燃燒物進(jìn)行測(cè)定。下位機(jī)通過氣體傳感器對(duì)燃燒中產(chǎn)生的CO和Cl2的濃度進(jìn)行采集以及通過紅外溫度傳感器對(duì)目標(biāo)溫度進(jìn)行采集，通過RS232信息傳輸系統(tǒng)，將氣體濃度、燃燒性質(zhì)、燃燒時(shí)間在上位機(jī)上實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)化、圖形化、自動(dòng)化的呈現(xiàn)。同時(shí)系統(tǒng)還具有“溫度學(xué)習(xí)能力”，即對(duì)于同一種類的待測(cè)物體，可以只進(jìn)行一次燃燒，上位機(jī)軟件就可以實(shí)時(shí)記錄此次的溫度范圍。用戶可以據(jù)此溫度設(shè)置測(cè)試物的溫度，以判斷燃燒的性質(zhì)。上位機(jī)軟件中有實(shí)時(shí)視頻，可以看到物質(zhì)的燃燒狀態(tài)。它還會(huì)對(duì)工業(yè)相機(jī)采集到的燃燒圖像進(jìn)行圖像處理，從而達(dá)到對(duì)燃燒距離的判定。檢測(cè)系統(tǒng)示意圖如圖1所示。

圖1 垂直燃燒自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)示意圖Fig.1 Sketch of vertical combustion automatic detection system

2 檢測(cè)系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)

檢測(cè)系統(tǒng)主要由傳感器和相機(jī)，下位機(jī)控制系統(tǒng)，上位機(jī)控制系統(tǒng)等部分組成，圖2中傳感器模塊與下位機(jī)開發(fā)板的接插件直接連接MCU的ADC模塊，經(jīng)過MCU采集與處理后，通過下位機(jī)開發(fā)板上的RS232接口與上位機(jī)連接并進(jìn)行通信。工業(yè)相機(jī)與上位機(jī)通過USB線相連接，可以將圖像數(shù)據(jù)傳輸?shù)缴衔粰C(jī)軟件進(jìn)行圖像處理。

圖2 模塊連接示意圖Fig.2 Module connection diagram

2.1 傳感器和相機(jī)

2.1.1 工業(yè)相機(jī)與鏡頭

采用的是工業(yè)級(jí)相機(jī)，分辨率為2048×1536，成像效果比CMOS更加逼真和細(xì)膩。鏡頭采用變焦工業(yè)鏡頭，可手動(dòng)調(diào)節(jié)光圈和焦距，鏡頭成像效果好，圖像清晰，滿足系統(tǒng)的研究。相機(jī)的觀測(cè)距離和焦距滿足的公式是1 mm=7像素尺寸，所以測(cè)量精度3.45μm/像素×7像素=24.15μm完全滿足測(cè)量精度1mm的要求。相機(jī)采用USB2.0接口，傳輸速度達(dá)到480 Mb/s。

2.1.2 傳感器

（1）TN901 紅外測(cè)溫模塊

紅外測(cè)溫模塊[1]解決了傳統(tǒng)測(cè)溫中需要接觸的弊端。該模塊回應(yīng)速度快，測(cè)量精度高，測(cè)量范圍廣并且可以同時(shí)測(cè)量環(huán)境溫度和目標(biāo)溫度。配合凌陽的SPCE061A模塊即可成為一個(gè)測(cè)量距離達(dá)30 m的非接觸式溫度測(cè)量計(jì)。模塊具備SPI接口，方便與MCU連接。其工作電壓3 V～5 V，反應(yīng)時(shí)間是1 s。測(cè)量范圍是（-33～220）℃，滿足對(duì)燃燒物品陰燃和續(xù)燃時(shí)溫度的判斷。因?yàn)榧t外溫度傳感器通過紅外線感知物體溫度，所以傳感器的擺放、角度和距離等因素都會(huì)對(duì)它的測(cè)量有影響。

（2）CO 和 CL2電化學(xué)傳感器

系統(tǒng)采用CO和Cl2電化學(xué)傳感器[5]，它的每一個(gè)電極都有特殊的用途。對(duì)于三電極傳感器，其電勢(shì)是感應(yīng)電極、參考電極和對(duì)電極電勢(shì)之和。電化學(xué)傳感器在推薦的工作氣體濃度范圍內(nèi)輸出信號(hào)與氣體濃度成線性關(guān)系，可以用公式：輸出信號(hào)（μA）=靈敏度 μA/（mg·L-1）×氣體濃度（mg·L-1）。 系統(tǒng)采用的是無偏壓電化學(xué)傳感器。根據(jù)分辨率的不同其中CO傳感器能分辨出最少1（mg·L-1）的CO氣體，Cl2傳感器能分辨出最少 0.1（mg·L-1）的 Cl2氣體，優(yōu)于系統(tǒng)要求的靈敏度 10（mg·L-1）。

2.2 下位機(jī)系統(tǒng)

下位機(jī)采用ST公司推出的高性能8位MCU即STM8S系列單片機(jī)，通過信號(hào)調(diào)理后將模擬電信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換實(shí)現(xiàn)對(duì)CO和Cl2濃度的采集[6]。處理速度高達(dá) 16 MHz，氣體采集的精度可達(dá) 10（mg·L-1）。采用紅外溫度傳感器對(duì)目標(biāo)溫度進(jìn)行采集，并通過目標(biāo)溫度來對(duì)燃燒性質(zhì)進(jìn)行判斷，解決材料燃燒時(shí)間和損毀距離的自動(dòng)化檢測(cè)。通過RS232串口將氣體濃度和燃燒的性質(zhì)以及燃燒的時(shí)間發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)接收到下位機(jī)上傳的數(shù)據(jù)并進(jìn)行判斷和實(shí)時(shí)顯示。

2.2.1 下位機(jī)軟件及流程

下位機(jī)采用的軟件平臺(tái)為Keil uVision4，最新集成開發(fā)環(huán)境RealView MDK，其編譯器、調(diào)試工具實(shí)現(xiàn)了與ARM器件的最完美匹配，采用C語言對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行開發(fā)。

圖3為軟件流程，下位機(jī)上電進(jìn)入“等待”，等上位機(jī)通過發(fā)送“開始”命令。開始之后，下位機(jī)通過傳感器獲取實(shí)時(shí)溫度和待測(cè)氣體的濃度，防止氣體的濃度突變，取4次平均值，并保存了氣體濃度的最大值。依據(jù)實(shí)時(shí)溫度的變化率來判斷燃燒的性質(zhì)。出現(xiàn)“熄滅”、“陰燃”或“續(xù)燃”后將結(jié)果通過RS232發(fā)送到上位機(jī)。上位機(jī)收到結(jié)果后，計(jì)算燃燒時(shí)間和燃燒距離。

2.2.2 功能實(shí)現(xiàn)

下位機(jī)可以精確地反映燃燒物質(zhì)在燃燒過程中產(chǎn)生的有害氣體濃度的變化過程。MCU將采集的數(shù)據(jù)通道RS232串口傳輸給上位機(jī)軟件，并通過溫度傳感器使用GPIO模擬SPI從模式讀取溫度值，實(shí)時(shí)采集燃燒目標(biāo)的溫度，并通過一定的算法處理判斷燃燒的結(jié)果。具體判斷方法為：（1）續(xù)燃：測(cè)量溫度大于62℃或者溫度快速升高的次數(shù)多于2次（大于3℃定義為快速升高）即溫度快速升高了6℃，即判斷為續(xù)燃。（2）陰燃：測(cè)量溫度在32℃～62℃之間并且溫度緩慢上升的次數(shù)多于5次（0℃～2℃定義為緩慢升高），即判斷為陰燃。（3）熄滅：溫度低于32℃即為熄滅，溫度比設(shè)定的熄滅溫度低則判定為熄滅。最終將燃燒結(jié)果傳到上位機(jī)顯示。

圖3 下位機(jī)軟件流程Fig.3 Flow chart of lower computer

2.3 上位機(jī)系統(tǒng)

上位機(jī)的主要功能是通過串口通訊對(duì)接收到的下位機(jī)處理過的氣體濃度、燃燒類別等數(shù)據(jù)在上位機(jī)對(duì)應(yīng)界面進(jìn)行實(shí)時(shí)的顯示。對(duì)相機(jī)觸發(fā)后采集的燃燒圖像進(jìn)行圖像處理，能夠自動(dòng)和手動(dòng)測(cè)量燃燒的距離。

2.3.1 上位機(jī)系統(tǒng)軟件及流程

上位機(jī)系統(tǒng)采用的軟件平臺(tái)為VC++6.0，開發(fā)語言為C++，流程圖如圖4所示，開始命令發(fā)出后，程序向串口發(fā)出開始燃燒信號(hào)。當(dāng)燃燒結(jié)束時(shí)有效數(shù)據(jù)將會(huì)被寫入到文檔。之后圖像將會(huì)被存儲(chǔ)和顯示。存儲(chǔ)圖像之后顯示測(cè)量距離的最終結(jié)果。

對(duì)照保存的圖像進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量需要打開手動(dòng)測(cè)量距離的程序，選中要測(cè)量的距離，進(jìn)行顯示結(jié)果和結(jié)果寫入文檔。

2.3.2 功能實(shí)現(xiàn)

上位機(jī)實(shí)時(shí)顯示界面如圖5所示，點(diǎn)擊圖中菜單欄的“PLAY”可觀測(cè)到物體燃燒的整個(gè)過程。

主界面的右側(cè)可觀察到數(shù)據(jù)顯示與更新。點(diǎn)擊“開始燃燒”按鈕，同時(shí)按下燃燒儀的點(diǎn)火按鈕進(jìn)行點(diǎn)火。上位機(jī)通過USART通知采集系統(tǒng)開始采集，此時(shí)操作界面能夠?qū)崟r(shí)顯示CO和Cl2的實(shí)時(shí)濃度，精度達(dá)到了0.1（mg·L-1）。同時(shí)，采集系統(tǒng)通過紅外溫度傳感器采集目標(biāo)物體的實(shí)時(shí)溫度，通過經(jīng)驗(yàn)值和一定的算法，來判斷物體燃燒性質(zhì)，并能夠在“燃燒類別”中實(shí)時(shí)更新[1]。等待紅外溫度傳感器判斷燃燒結(jié)束后，最終的燃燒類別都是熄滅，此時(shí)一次測(cè)量結(jié)束。系統(tǒng)將自動(dòng)計(jì)算燃燒總時(shí)長(zhǎng)、CO和Cl2的最大濃度值，以及自動(dòng)測(cè)量燃燒的距離值。所謂自動(dòng)測(cè)量燃燒的距離就是將工業(yè)相機(jī)攝取的模擬圖像信號(hào)進(jìn)行采樣并存儲(chǔ)在寄存器中，計(jì)算機(jī)會(huì)通過像素分布和亮度、顏色等信息將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)，圖像系統(tǒng)會(huì)對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行二值化處理和輪廓跟蹤處理。通過將待測(cè)物燃燒之前和燃燒之后的圖像輪廓及像素進(jìn)行對(duì)比，從而確定燃燒的距離值[4]。而手動(dòng)測(cè)量燃燒的距離則是當(dāng)燃燒結(jié)束后根據(jù)保存的符合測(cè)量要求的圖像，手動(dòng)選取測(cè)量的區(qū)域[3]。

圖4 上位機(jī)軟件流程Fig.4 Flow chart of PC software

圖5 實(shí)時(shí)顯示界面Fig.5 Interface of real-time display

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)通過對(duì)海綿燃燒的檢測(cè)達(dá)到對(duì)燃燒性能自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的驗(yàn)證測(cè)試，燃燒試驗(yàn)開始后，系統(tǒng)自動(dòng)記錄燃燒時(shí)間以及在燃燒時(shí)產(chǎn)生CO和Cl2的濃度，在海綿燃燒終止時(shí)，對(duì)燃燒的性能進(jìn)行判定。圖6為某次燃燒效果的展示，并對(duì)燃燒的距離進(jìn)行手動(dòng)測(cè)量。圓圈內(nèi)的區(qū)域即為手動(dòng)測(cè)量的范圍，通過像素的對(duì)比轉(zhuǎn)換得到燃燒距離。

圖6 手動(dòng)測(cè)量距離Fig.6 Manual measuring distance

表1為選取的4組海綿燃燒之后界面數(shù)據(jù)的記錄對(duì)比。圖7為燃燒目標(biāo)溫度和溫度變化率。

表1 海綿燃燒實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比表Tab.1 Experimental results comparison table of sponge combustion

圖7 實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.7 Experimental result

通過海綿的燃燒試驗(yàn)，得到海綿燃燒中Cl2的濃度幾乎為0，CO的含量較多，采集的氣體靈敏度能夠達(dá)到10（mg·L-1），通過燃燒的目標(biāo)溫度值的范圍和目標(biāo)溫度值的變化率可以判斷出海綿燃燒性質(zhì)為續(xù)燃，每次實(shí)驗(yàn)的燃燒距離在60 mm左右，每次燃燒的響應(yīng)時(shí)間在 0.1 s，燃燒時(shí)間在（0.3～0.4）s之間。

4 結(jié)語

本檢測(cè)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)受測(cè)材料燃燒終點(diǎn)的判定，能夠識(shí)別出有火苗和無火苗的燃燒；利用圖像采集過程中的自帶標(biāo)尺測(cè)量，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)材料起始至燃燒終點(diǎn)距離的自動(dòng)化測(cè)量。集成傳感器，實(shí)現(xiàn)對(duì)燃燒試驗(yàn)箱內(nèi)煙霧中CO和Cl2含量的測(cè)定。本文在模擬燃燒過程中，對(duì)化學(xué)分解衍生物能夠做出準(zhǔn)確的初篩，為產(chǎn)品的風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估做出科學(xué)判定，能夠科學(xué)、有效地對(duì)下一步阻燃性能檢測(cè)指標(biāo)的選取提供技術(shù)依據(jù)。

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