【正文】 不能保證此時(shí)的采樣信號(hào)能真實(shí)地反映原信號(hào) x(t)[16]。為了保證采樣后的信號(hào)能真實(shí)地保留原始模擬信號(hào)的信息，采樣信號(hào)的頻率必須至少為原信號(hào)中最高頻率成分的 2 倍。眾所周知，連續(xù)的時(shí)間信號(hào)變?yōu)殡x散時(shí)間信號(hào)是通過(guò)抽樣來(lái)完成的，抽樣就是利用周期性的抽樣脈沖系列從連續(xù)信號(hào)中抽取一系列的離散值，得到抽樣信號(hào)。對(duì)這種連續(xù)信號(hào)進(jìn)行模擬方式的處理時(shí)難以做到高精度，同時(shí)也存在著受環(huán)境影響大，可靠性差、靈活性不佳和數(shù)字處理系統(tǒng)無(wú)法直接識(shí)別等缺點(diǎn)。煤粉燃燒火焰信號(hào)的這種“準(zhǔn)平穩(wěn)”特性是選用分析方法的重要前提依據(jù)。理論和實(shí)踐都表明：工程實(shí)踐中獲得的各種物理動(dòng)態(tài)信號(hào)，它們的平穩(wěn)性都是相對(duì)的和局部的，而非平穩(wěn)性是絕對(duì)的和廣泛的。所謂非平穩(wěn)隨機(jī)信號(hào)亦即其統(tǒng)計(jì)特性是時(shí)間的函數(shù)。按照信號(hào)的性質(zhì)分類，信號(hào)可分為確定性信號(hào)和隨機(jī)信號(hào)，確定性信號(hào)是指在相同的實(shí)驗(yàn)條件下，能重復(fù)出現(xiàn)被測(cè)變量的信號(hào)，隨機(jī)信號(hào)是指在相同的條件下不能重復(fù)出現(xiàn)被測(cè)變量值的信號(hào)。例如煤粉火焰信號(hào)就是一種能表征煤粉在特定工況下燃燒過(guò)程的信號(hào)，它在工程實(shí)踐中通常被采樣量化后存儲(chǔ)到存儲(chǔ)器中以供后繼的分析處理之用。 煤粉火焰燃燒信號(hào)的特性從物理角度而言，信號(hào)就是承載某種信息的物理量的變化歷程；從數(shù)學(xué)角度而言，信號(hào)就是函數(shù)，就是某一變量隨時(shí)間或頻率或其它變量而變化的函數(shù)。本章將從信號(hào)處理的視角，分析煤粉火焰燃燒信號(hào)的物理特性、現(xiàn)場(chǎng)火焰燃燒數(shù)據(jù)采集時(shí)的參數(shù)設(shè)定，然后對(duì)煤粉火焰燃燒數(shù)據(jù)分別進(jìn)行傅里葉變換、短時(shí)傅里葉變換和小波變換的信號(hào)處理。對(duì)多個(gè)不同爐型的鍋爐的多種煤粉燃燒器進(jìn)行了火焰數(shù)據(jù)采集，通過(guò)分析所采集到的數(shù)據(jù)，我們認(rèn)為對(duì)于煤粉燃燒器將敏感信號(hào)頻帶設(shè)置在 10 Hz–200 Hz 范圍內(nèi)是比較合理的。如果將鍋爐背景輻射的信號(hào)和鄰近燃燒器的火焰信號(hào)視為疊加在主火焰信號(hào)上的干擾信號(hào)，則干擾信號(hào)具有在低頻區(qū)域內(nèi)基本集中在直流分量附近，在高頻區(qū)域內(nèi)能量分量較小的特性。對(duì)于對(duì)沖燃燒方式的鍋爐，火焰檢測(cè)裝置的主視線可能會(huì)出現(xiàn)既穿過(guò)目標(biāo)火焰的高頻區(qū)又穿過(guò)對(duì)沖火焰的高頻區(qū)的情況，但在該情況下兩個(gè)火焰高頻區(qū)之間的距離較遠(yuǎn)，對(duì)沖火焰的強(qiáng)度會(huì)顯得較弱?；鹧鏅z測(cè)裝置的主要功能是對(duì)鍋爐中的單個(gè)燃燒器的燃燒狀況進(jìn)行觀測(cè)和分析。鍋爐爐壁會(huì)對(duì)煤粉火焰的紅外光線起吸收和反射的作用，反射紅外光線所產(chǎn)生的閃爍頻率也是非常低的且其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于爐壁的紅外輻射強(qiáng)度。在分析目標(biāo)主火焰的時(shí)候需要對(duì)這兩個(gè)因素加以考慮，特別需要對(duì)它們的頻率和強(qiáng)度是如何分布的做較為深入的分析。此階段亮度變化頻率較低。在完全燃燒區(qū)，紅外輻射的強(qiáng)度約占煤粉火焰總體強(qiáng)度的 30%左右，使用紅外類型的檢測(cè)器能達(dá)到最好的測(cè)量效果。第三個(gè)階段為燃燒階段，大量煤粉燃料顆粒開(kāi)始爆裂并燃燒，釋放出大量熱能，溫度急劇上升，產(chǎn)生明亮的火焰，形成完全燃燒區(qū)。第二個(gè)階段為著火階段，部分煤粉燃料顆粒開(kāi)始燃燒，它們?yōu)榇罅款w粒燃燒提供溫度條件，隨著燃料顆粒表面溫度的快速升高，燃料粒子將發(fā)生爆裂，形成著火區(qū)。此階段發(fā)射的紅成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論文6外光線很弱，頻率與光強(qiáng)的變化比較復(fù)雜。煤粉的燃燒的過(guò)程中會(huì)釋放出大量紅外線能量，這些具有特定頻率特征的紅外線能量形式可以作為檢測(cè)煤粉火焰是否存在的物理基礎(chǔ) [9]，也對(duì)光敏器件的選型提出了參數(shù)約束。現(xiàn)代燃燒論的觀點(diǎn)認(rèn)為：煤粉火焰的燃燒過(guò)程實(shí)際上是由數(shù)量龐大的小型受限空間內(nèi)的爆燃所組合而成；大量同時(shí)發(fā)生的微觀小型受限空間內(nèi)的爆燃在宏觀上表現(xiàn)為火焰具有脈動(dòng)特征，稱為火焰閃爍 [8]。在物體溫度未超過(guò)特定的數(shù)值時(shí)，物體熱輻射能量的分布是波長(zhǎng)的函數(shù)：當(dāng)物體溫度升高時(shí)，輻射能量的分布曲線將向波長(zhǎng)變短的方向移動(dòng)，且輻射的總量能量會(huì)增大；當(dāng)溫度降低時(shí)，輻射能量的分布曲線將向波長(zhǎng)變長(zhǎng)的方向移動(dòng)，而且輻射總能量會(huì)減少。第 2 章 爐膛煤粉火焰的物理特征5第 2 章 爐膛煤粉火焰的物理特征 爐膛煤粉火焰物理特征對(duì)爐膛煤粉火焰的特征進(jìn)行深入研究，會(huì)有助于火焰檢測(cè)裝置的系統(tǒng)級(jí)綜合研發(fā)，有助于火焰檢測(cè)裝置中光電轉(zhuǎn)換器件和有關(guān)線性放大電路的設(shè)計(jì)和選型，有助于微處理器系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)和軟件功能的研究開(kāi)發(fā)。研究了 AT91SAM9G45 型 ARM9 處理成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論文4器系統(tǒng)的主要特性及功能。對(duì)紅外型火焰檢測(cè)裝置的硬件電路進(jìn)行了詳細(xì)介紹。確定紅外型火焰檢測(cè)裝置的檢測(cè)視場(chǎng)的選取原則。本文的后續(xù)部分將對(duì)對(duì)火焰特性進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，并使用傅里葉變換、短時(shí)傅里葉變換和小波變換等多種分析方法對(duì)采樣的火焰數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對(duì)比，并結(jié)合具體的硬件處理平臺(tái)分析這幾種分析方法在判定火焰存在以及判定火焰燃燒穩(wěn)定度方面的優(yōu)缺點(diǎn)，以確定最優(yōu)效能的信息提取方法，這是研發(fā)工作的核心組成部分，它會(huì)直接影響到火焰檢測(cè)裝置的最終效能和市場(chǎng)擁有率。同時(shí)大型鍋爐用戶更希望關(guān)鍵性設(shè)備能在故障發(fā)生之前的合理時(shí)間范圍內(nèi)給出告警信息以便有針對(duì)性地安排設(shè)備檢修，避免非計(jì)劃性停產(chǎn)造成經(jīng)濟(jì)損失。這克服了線性放大器固有的缺點(diǎn)，為后繼的信號(hào)的分析打下良好的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)火焰信號(hào)特性的分析，在光敏檢測(cè)模塊中引入了對(duì)數(shù)放大器。通過(guò)對(duì)多個(gè)在役電廠的燃燒器進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)跟蹤測(cè)試，發(fā)現(xiàn)某些型號(hào)的燃燒器工況良好時(shí)也會(huì)因管道配風(fēng)發(fā)生暫態(tài)波動(dòng)等因素在某些時(shí)刻出現(xiàn)短暫的亮度突然增大的現(xiàn)象。主要是利用快速傅立葉變換將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)為頻域信號(hào)進(jìn)行信號(hào)第 1 章 引 言3分析和提取，獲取火焰信號(hào)的相應(yīng)特征參數(shù)。目前國(guó)內(nèi)外尚未制定出分析此類信號(hào)的規(guī)范或者標(biāo)準(zhǔn)，因此如何有效地提取和解讀信號(hào)中的信息成為研發(fā)火焰檢測(cè)裝置的核心難點(diǎn)。大部分火力發(fā)電廠的燃料是煤粉，通過(guò)分析煤粉燃燒時(shí)候的輻射特性 [4]，一般會(huì)選用檢測(cè)紅外光的強(qiáng)度和頻率的方式來(lái)判定燃燒器的運(yùn)行情況。這促使火焰檢測(cè)裝置的光敏檢測(cè)對(duì)象區(qū)間從可見(jiàn)光區(qū)間轉(zhuǎn)向紅外線或者紫外線區(qū)間，同時(shí)隨著數(shù)字信號(hào)分析處理技術(shù)和電子元器件的發(fā)展和進(jìn)步，數(shù)字型火焰檢測(cè)裝置逐步在該領(lǐng)域中獲占據(jù)了主導(dǎo)地位。這時(shí)只要有一組燃燒器處于工作狀態(tài)，整個(gè)爐膛內(nèi)的可見(jiàn)光強(qiáng)度會(huì)達(dá)到較高水平。這類火焰檢測(cè)裝置在保障舊式小型鍋爐的安全運(yùn)行中發(fā)揮過(guò)巨大作用，但在使用中暴露出很多問(wèn)題，如：模擬電路的調(diào)試整定過(guò)程過(guò)于復(fù)雜，需要熟練的工程技術(shù)人員進(jìn)行調(diào)試；模擬電路的溫度特性對(duì)設(shè)備安裝位置提出了較高要求；在事后故障分析中無(wú)法提供關(guān)鍵時(shí)刻點(diǎn)的觀測(cè)參數(shù)等。特別是將基于特定對(duì)象的高效可靠算法與特定的硬件平臺(tái)相結(jié)合起來(lái)后，將為整個(gè)產(chǎn)品帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益和客戶忠誠(chéng)度?；谏鐣?huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益的考慮，國(guó)內(nèi)外眾多科研機(jī)構(gòu)和設(shè)備制造廠商投入了大量的人力物力來(lái)研發(fā)高性能的火焰檢測(cè)裝置。如火焰檢測(cè)裝置將正常燃燒情況誤判為燃燒器故障熄火而作用于整個(gè)系統(tǒng)的跳閘，整個(gè)電廠將被迫進(jìn)入事故停產(chǎn)狀態(tài)并在耗時(shí)幾十小時(shí)以上完成事故定位和分析后才能重新啟動(dòng)機(jī)組，并且電網(wǎng)系統(tǒng)需要在發(fā)電機(jī)組事故跳閘后進(jìn)行緊急調(diào)度，這將會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失和造成嚴(yán)重的社會(huì)影響。在電廠的鍋爐爐膛保護(hù)系統(tǒng)中，火焰檢測(cè)裝置的判定結(jié)果為強(qiáng)制的非可屏蔽信號(hào)，能直接作用于整個(gè)發(fā)電機(jī)組系統(tǒng)的跳閘。原國(guó)家電力電力部規(guī)劃設(shè)計(jì)院也頒布了《鍋爐安全監(jiān)控系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)定》（DLGJ11693） ，其中對(duì)火焰檢測(cè)裝置做了明確的規(guī)定。因此，國(guó)家明確了對(duì)大型鍋爐裝備“鍋爐爐膛監(jiān)控系統(tǒng)”是解決鍋爐爆裂問(wèn)題的最有效的自動(dòng)保護(hù)和控制的方式。在某些異常工況下會(huì)出現(xiàn)多個(gè)燃燒器因故障熄火，如未能及時(shí)察覺(jué)并采取必要的防護(hù)措施則會(huì)有大量未點(diǎn)燃的燃料噴射進(jìn)爐膛中。2022 年底我國(guó)火電廠的裝機(jī)容量已達(dá)到火電裝機(jī)累計(jì)達(dá) 7 億千瓦,占裝機(jī)總?cè)萘康?%，到 2022 年我國(guó)火電裝機(jī)容量將達(dá) 億千瓦，新增裝機(jī)的需求約 340 億元 [1]。這促使大型火力發(fā)電站、石油化工型動(dòng)力站、城市集中式供熱站和廠礦廢料燃燒站等重要國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)單位使用的大型鍋爐日益增多。它們均能正確地識(shí)別煤粉火焰的存在，并能較準(zhǔn)確地給出燃燒穩(wěn)定度的信息，取得了良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。成功地在該火焰檢測(cè)設(shè)備上分別實(shí)現(xiàn)基于短時(shí)傅里葉變換的信息提取和基于小波變換的信息提取。將傳統(tǒng)火焰檢測(cè)設(shè)備的信號(hào)濾波方式由無(wú)源濾波方式改進(jìn)為有源濾波方式，更高效地濾除了有用頻帶外的干擾信號(hào)，利于后繼的數(shù)字信號(hào)處理。小波分析方法具有非常顯著的信息提取效果，在系統(tǒng)硬件允許的情況下，應(yīng)重點(diǎn)考慮使用小波分析方法對(duì)煤粉火焰信號(hào)進(jìn)行信息提取，小波分析方法在今后會(huì)日益廣泛地具體應(yīng)用到火焰分析的工程實(shí)踐中。經(jīng)過(guò)分析后認(rèn)為這種方法不僅可以準(zhǔn)確地識(shí)別出燃燒器處是否存在煤粉火焰信號(hào)，而且能準(zhǔn)確提供出判斷燃燒穩(wěn)定度方面的信息，并且能夠精準(zhǔn)地提供關(guān)鍵的時(shí)頻域信息。小波變換具備在時(shí)頻域內(nèi)表征信號(hào)特征的能力。小波變換是在傅立葉變換無(wú)法滿足非平穩(wěn)信號(hào)的分析要求而產(chǎn)生的一種新變換方法。由于標(biāo)準(zhǔn)傅里葉變換只在頻域中具有局部分析能力，而在時(shí)域內(nèi)不具備局部分析能力，文中介紹了短時(shí)傅里葉變換的理論基礎(chǔ)，較為詳細(xì)地描述了短時(shí)傅里葉變換算法的具體數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并對(duì)煤粉火焰數(shù)據(jù)使用短時(shí)傅里葉變換成都理工大學(xué)碩士學(xué)位論文方法進(jìn)行信息提取。傅里葉變換是信號(hào)處理中最常用的處理方法之一，文中對(duì)傅里葉變換理論基礎(chǔ)進(jìn)行了簡(jiǎn)單介紹，詳細(xì)地描述了快速傅里葉變換算法的具體數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)。確定紅外型火焰檢測(cè)裝置的檢測(cè)視場(chǎng)的選取原則。只有對(duì)被檢測(cè)對(duì)象的特性進(jìn)行深入了解之后才能有針對(duì)性地開(kāi)展工作。客戶已迫切要求火焰檢測(cè)裝置不僅能可靠地判定出火焰是否存在，而且能提供火焰燃燒穩(wěn)定度的定量分析結(jié)果。大型鍋爐運(yùn)行情況復(fù)雜，運(yùn)行人員在做控制決策時(shí)往往希望能夠掌握盡可能多的工況參數(shù)。大型鍋爐爐膛內(nèi)燃燒情況復(fù)雜且燃料供給量大，監(jiān)控鍋爐的整體燃燒情況顯得尤為重要，檢測(cè)裝置的性能直接影響到在役電站鍋爐的安全性和經(jīng)濟(jì)性。摘 要I基于嵌入式處理器的紅外火焰檢測(cè)裝置的設(shè)計(jì)摘 要隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，我國(guó)工礦企業(yè)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)單位對(duì)電能和熱能的需求量正在迅猛地增長(zhǎng)。這促使大型火力發(fā)電站、石油化工型動(dòng)力站、城市集中式供熱站和廠礦廢料燃燒站等重要國(guó)民經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)單位使用的大型鍋爐日益增多。研發(fā)出高性能的火焰檢測(cè)裝置將具有良好的社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。同時(shí)大型鍋爐用戶更希望關(guān)鍵性設(shè)備能在故障發(fā)生之前的合理時(shí)間范圍內(nèi)給出告警信息以便有針對(duì)性地安排設(shè)備檢修，避免非計(jì)劃性停產(chǎn)造成經(jīng)濟(jì)損失。本文首先對(duì)火焰的物理特性進(jìn)行了進(jìn)一步的分析，并使用傅里葉變換、短時(shí)傅里葉變換和小波變換等多種分析方法對(duì)采樣的火焰數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和對(duì)比，并結(jié)合具體硬件處理平臺(tái)分析這幾種分析方法在判定火焰存在及火焰燃燒質(zhì)量方面的優(yōu)缺點(diǎn)，以確定最優(yōu)效能的信息提取方法。因此首先對(duì)爐膛煤粉火焰的物理特性進(jìn)行詳細(xì)的分析，特別涉及到對(duì)煤粉火焰的紅外輻射特性的分析，通過(guò)分析后認(rèn)為煤粉火焰信號(hào)是一類“準(zhǔn)平穩(wěn)”信號(hào)。根據(jù)煤粉火焰的特性確定了火焰檢測(cè)裝置所應(yīng)采用的系統(tǒng)采樣頻率，并確定了抗混疊濾波器的相關(guān)參數(shù)的取值范圍。對(duì)煤粉火焰數(shù)據(jù)使用快速傅里葉變換方法進(jìn)行信息提取，對(duì)提取到的信息進(jìn)行了分析。經(jīng)過(guò)分析后認(rèn)為這種方法不但可以準(zhǔn)確地識(shí)別出燃燒器處是否存在煤粉火焰信號(hào)，而且較為準(zhǔn)確提供判斷燃燒穩(wěn)定度方面的信息。它在本質(zhì)上是一種時(shí)頻分析方法，具有多分辨率分析的優(yōu)秀品質(zhì)，成功地克服了短時(shí)傅立葉變換的單一分辨率的缺陷。文中簡(jiǎn)略地介紹了小波變換的理論基礎(chǔ)，對(duì)選擇母小波的進(jìn)行了分析，同時(shí)較為詳細(xì)地描述 Mallat 算法的具體數(shù)學(xué)實(shí)現(xiàn)過(guò)程，并對(duì)煤粉火焰數(shù)據(jù)使用小波變換方法進(jìn)行信息提取。考慮到火焰檢測(cè)裝置的硬件系統(tǒng)當(dāng)前的發(fā)展和使用情況，認(rèn)為短時(shí)傅里葉變換是目前綜合效能較佳的一種用于煤粉火焰信號(hào)信息提取的方法。針對(duì)傳統(tǒng)火焰檢測(cè)設(shè)備的探頭輸出信號(hào)容易出現(xiàn)飽和失真的情況，在探頭電路中引入了對(duì)數(shù)放大電路，將動(dòng)態(tài)范圍壓縮到便于處理的程度之內(nèi)。本火焰檢測(cè)裝置的核心處理器是 AT91SAM9G45 嵌入式處理器，擁有強(qiáng)大數(shù)據(jù)處理能力和業(yè)務(wù)管理能力。目前該型號(hào)火焰檢測(cè)設(shè)備已應(yīng)用于多個(gè)不同爐型的大型鍋爐上。關(guān)鍵詞： 火焰檢測(cè)裝置 紅外 傅里葉變換 短時(shí)傅里葉變換 小波變換 對(duì)數(shù)放大 嵌入式處理器AbstractIIIDesigning of embedded processorbased infrared flame detection deviceIntroduction of the author: LiYiping, male, was born in July, 1983 whose tutor was Professor HuangHu. He graduated from Chengdu University of Technology in Electronics and Communications Engineering major and was granted the Master Degree in June, 2022.AbstractDue to the plexity of the operation of largescale boiler, run control decisions tend to want to be able to grasp as much as possible working parameters. Large boiler users are more critical equipment within a reasonable time prior to the failure alarm information is given in order to arrange equipment maintenance, to avoid unplanned shutdown caused eco