火灾探测器的研究现状与发展趋势.doc

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火灾探测器的研究现状与发展趋势2004年第7期 ·消防技术· 火灾探测器的研究现状与发展趋势杜建华，张认成 (华侨大学机电及自动化学院，福建泉州362011) 摘要:通过对各种火灾探测器的介绍和分析，阐述了当今各种火灾探测器的研究现状，并在此基础上结合我们的研究成果，提出了火灾探测器的极早期探测、多传感器复合和小型化、智能化的发展趋势关健词:火灾探测器;极早期探侧;研究现状;发展趋势 1 前言火灾作为一种在时空上失去控制的燃烧所引发的灾害，对人类生命财产和社会安全构成了极大的威胁。由此引发的重大安全事故比比皆是，所以人类一直也未停止过对它的研究口 Z 火灾探测技术 2.1 火灾探测原理火灾的发生和发展是一个非常复杂的非平稳过程，它除了自身的物理化学变化以外还会受到许多外界的千扰，火灾一旦产生便以接触式(物质流)和非接触式〔能量流)的形式向外释放能量。接触式形式包括可燃气体、燃烧气体和烟雾、气溶胶等。非接触式如声音、辐射等bl。火灾探测技术就是利用敏感元件将火灾中出现的物理化学特征转换为另外一种易于处理的物理量。各种探测器对应的火灾物理参量及探测器如图 1所示。火焰(非接触式) 辐射一火焰探测器形状用像探测器温度一感温传感器静电探测器火灾燃烧产物 (接触式) 固体产物微粒{感烟探测器离子式光电式 t烟雾形状一图像传感器气体产物一气体传感器燃烧音(非接触式)一声音传感器圈 1 火灾物理参 f 与对应传盛器随着传感技术和信号处理手段的不断完善，火灾探测技术也随之有了突飞猛进的发展，并已从单一的物理量探测逐步转变为多元复合智能探测模式，为火灾监测提供了可靠的保证。 2.2 火灾探测算法将火灾发生的物理特征通过传感单元转化为电信号以后的一个问题就是判断是否报警，这就需要靠火灾探测算法来实现。根据对火灾物理参数探测方式的不同，可将探测算法分为接触式火灾探测算法和非接触式火灾探测算法两类。其中接触式火灾探测算法主要应用于火灾探测传感器中的感温、感烟和气体传感器等。早期都是使用阑值法，就是在传感器中设定一个阑值，如果检测到的参数高于这个设定值，探测器就会发出报警信号。环境变化的影响会影响探测器的探测性能，固定的阂值探测算法显然是不合理的，例如在气温高的时期和气温低的时期，对于温度传感器的报警温度应该有所不同，探测器长期暴露于空气中，也会影响其判断的灵敏度，基于这些因素产生了浮动式的判断闭值算法。使用这种探测算法的探测器通过跟踪环境影响的变化对阑值进行自动调整，从而保证更高的正确报瞥率。随着火灾探测技术的发展，出现了能够输出模拟量数据的火灾探测器，于是便产生了模拟量火灾探测算法,叉禅仁过程潜。又史必发全是存一定规律溺，，硬过大量实验可以找出它在发生过程中各种物理特征变化的规律，再将探测器探测得到的模拟量数据通过计算机分析与我们掌握的规律进行对比，如果符合，就发出报警信号，反之，则说明没有火灾发生。非接触式火灾探测算法主要应用于图像、火焰和声音探测器等[21。它也是在模拟量探测输出出现的基础上发展起来的，与过程法相类似，都是通过对所得到的大量数据进行分析来提取火灾特征，与实验中得到的各种火灾情形特征比较判断火灾的发生与否。不过非接触式探测算法还有很多值得深人研究的方面，如通过烟气的湍流效应和火焰图像等来建立火灾探测算法等。这些算法虽然都有人研究，但是都还只处于实验室阶段，还需要更多人的努力将它们推向实际应用。 3 火灾探测器火灾探测器发展到现在已经有了一百多年的历史，从19世纪40年代到20世纪40年代的一百年间，感温探测器一直占据着主导地位，但也只是处于初级阶段。在这期间逐渐出现了定温探测器、差温探测器和差定温组合式探测器。20世纪50年代至70年代期间，出现了感烟火灾探测器。80年代后期，总线制火灾探测器开始兴起，其后又出现了模拟量可寻址技术，给火灾探测技术注人了新的活力，为火灾探测的智能化发展奠定了良好的基础。到90年代开始倡导极早期火灾智能报警系统，它能在火灾发生初期对火灾进行识别并发出报警信号，将火灾抑制在萌芽状态。如今又发展起来的许多新型的火灾探测器，对于火灾探测也越来越准确可靠。根据探测方式不同，可大致将它们划分为:(1)点型探测器:以探测器为中心点，对周围火灾参数进行响应的火灾探测器。目前大部分的火灾探测器属于点型火灾探测器。(2)线型火灾探测器:这种火灾探测器形成一个连续的线路，并对这一连续线路周围的火灾参数进行响应。 3.1 感温火灾探测器物质在燃烧过程中，释放出大量的热，使环境温度升高，探测器中的热敏元件发生物理变化，从而将温度信号转变成电信号，传输给火灾报警控制器，发出火灾报警信号。由于可采用的敏感元件繁多，如热敏电阻、热电偶、双金属片、易熔金属、膜盒和半导体元件等，故而感温式火灾探测器的种类也颇多。根据感热效果和结构型式，可将它们分为定温火灾探测器、差温火灾探测器和差定温复合火灾探测器。定温火灾探测器根据局部环境到达规定温度上下时开始动作。差温火灾探测器根据升温速率来动作，如果升温速率超过预定值时则发出报警信号。差定温复合火灾探测器是兼有差温、定温两种功能的感温火灾探测器感温火灾探测器结构简单，电路少，与感烟探测器相比可靠性高、误报率低，且可以做成密封结构，防潮防火防腐蚀性好，可在恶劣环境(如风速大、多灰尘、潮湿等)使用，但是灵敏度低，响应时间长，对阴燃初期的 “点”火源反应不灵敏，且监视区域十分有限，现在有些厂家在感温探测器上也加上了智能芯片，使其能对偶尔出现的干扰信号进行识别，大大提高了它的工作能力。另外，随着光纤技术的发展，出现了分布式光纤测温感温探测器，大大的改变了感温传感器的性能。它是一种线型探测器，采用光纤作为信号传输媒体，利用 Ramman散射及光时域反射原理通过高速A /D转换采集信号并进行分析，可以测定沿光纤分布的线性温度场的温度参数，并可据此设定报警阂值。光纤所特有的本安特性及抗电磁干扰能力特性使得它特别适用于隧道、大型变压器等特殊环境场合的应用。 3.2 感烟火灾探测器感烟式火灾探测器具有早期报替的效果，是目前使用最为广泛的一种探测器。感烟火灾探测器可分为离子型、光电型、电容式和半导体型等几种。其中又以离子型和光电型火灾探测器使用居多。 3.2. 1 离子感烟探测器离子感烟火灾探测器是通过检测放射性元素“们媚 (za'Am)构成的电离室的电压变化来感知烟雾浓度的装置。如图1所示，zai媚洲'Am)不断放射出a射线，a 离子高速运动撞击空气分子，从而使极板间空气分子电离为正离子和负离子(电子)，这样电极之间原来不导电的空气具有了导电性，从而形成电离室。如果在极板间加上一个电压E，极板间原来做杂乱无章运动的正负离子，此时在电场的作用下，正离子向负极运动，负离子向正极运动，形成电离电流。当有火灾发生时，烟雾粒子进人检测电离室后，被电离的部分正离子和负离子吸附到烟雾离子上去。因此离子在电场中运动速度比原来降低，而且在运动过程中正离子和负离子互相中和的几率增加，使得能够到达电极的有效离子数更少;另外由于烟雾粒子的作用，a射线被阻挡，电离能力降低了很多，电离室内产生的正负离子数就少，从而使得电离电流减少。图 2 电离室示意圈离子感烟火灾探测器按电离室可分为双极性和单极性两种。整个电离室全部被a射线所照射，电离室内的空气都被电离，我们把这种电离室称为双极性电离室。所谓单极性电离室，是指电离室局部被a射线所照射，使一部分形成电离区，而未被。射线所照射的部分万方数据杜建华等:火灾探测器的研究现状与发展趋势2004年第7期发射器则为非电离区。这样在同一个电离室内分为两个性质不同区域。实际使用的离子感烟探测器都采用两个单极性电离室串联的形式，一个作为检测电离室，另一个作为补偿电离室，这样可以减少环境温度、湿度、气压等自然条件变化对电离电流的影响，提高探测器的环境适应能力和稳定性。离子感烟探测器采用的是传统的接触式烟雾探测方法，从理论上分析，离子感烟探测器对灰烟、黑烟以及各种粒径大小的烟具有较平衡的探测性能，只存在响应行为的数值差异。其中对有焰火产生的小颗粒烟粒子敏感，对于粒径较大的阴燃烟雾粒子，响应灵敏度则偏低，尤其是安装高度的限制，粒径大于1 km的烟雾粒子由于自身重力作用下沉，不易到达探测器引起响应。离子感烟探测器生产成本较低，但由于电离室的设计中采用了放射性元素，其生产、储运和报废的过程有污染环境的危险。离子感烟探测器的滤网对于灰尘、飞虫等有隔离作用，但探测器本身极易受湿度、风速等环境干扰，故而通常都要避免在相对湿度高于95写的环境下使用，再者就是要安装防风罩以减少风速对探测器探测性能的影响川。 3.2.2 光电感烟探测器光电感烟火灾探测器按其动作原理的不同，即烟雾粒子对光路遮挡和对光散射原理，可以分为减光型和散光型两种。减光式光电感烟火灾探测器的检测室内装有发光元件及受光元件。在正常情况下，受光兀件接受到发光元件发出的一定光量;而在火灾时，探测器的检测室内进人了大量烟雾，发光元件的发射光受到烟雾的遮挡，因而使受光元件接受的光线减少，光电流降低，探测器发出报警信号。原理示意图如图3所示。现在这种形式的探测器应用较少。火灾发生时，当烟雾进人探测器的检测室时，由于烟雾离子的作用，使发光元件发射的光产生漫射，这种漫射光被受光元件所接受，使受光元件阻抗发生变化，产生光电流从而实现了将烟雾信号转变成电信号的功能，探测器发出报警信号。原理示意图如图4所示。图 4 散射型光电感烟探测器原理图在感烟探测器研究方面，中国科技大学火灾科学国家重点实验室作了大量且卓有成效的研究工作[3] 他们的鉴定成果光截面图像感烟系统，如图5所示，在光路设计中利用主动红外光源作为接收目标，结合红外面阵接收器，一个发光元件对多个受光元件，形成多光束红外光截面，对空间可实现任意曲面覆盖监控，使监控面积大大增加，测量烟雾通过红外光截面对光的散射、反射与吸收情况，提高了快速响应区域的面积，另外，对接收相邻光束形成的序列图像应用相关算法进行处理，可排除偶然误报因素。 N个接收器发熨器 N个接收器图 3 减光型光电感烟探测器原理图目前世界各国生产的点型光电感烟火灾探测器多为散射型光电感烟探测器。此种探测器的检测室内亦装有发光元件和受光元件。在正常情况下，受光元件是接受不到发光元件发出的光的，因此不产生光电流。在圈 5 光截面线型光束感烟光路示意图离子感烟和光电感烟火灾探测器由于自身的特点和使用环境，现在哪一个也无法完全取代对方离子感烟探测器对各种明火烟雾检测效果较好，对阴燃烟雾也能检测，但易受探测环境的影响，误报率较高。同时，由于使用了放射源媚，易对环境造成污染。光电感烟探测器是利用红外光散射的原理来进行烟雾浓度的探测，对环境不存在污染问题，对阴燃火烟雾的探测性能明显优于离子探测器，但对某些黑烟探测效果较差，这也是光电探测器没有完全取代离子感烟探测器的原因之一。在探测区域内，周围环境因生产作业造成的正常情况下，有大量粉尘、水雾、烟或其它气溶胶存在(例如万方数据 2004年第7期消防技术与产品信息水泥厂、农药厂、面粉厂、染织厂的烘干车间等)，可能引起烟感探测器误报，此种场合不宜选用烟感探测器。在存在高频电磁波干扰的场合不适合使用光电感烟探测器。 3.3 感光式火灾探测器感光火灾探测器又称为火焰探测器，是一种响应火焰辐射光谱中的红外和紫外的点型火灾探测器，主要有红外火焰型和紫外火焰型两种。红外火焰探测器的探测波长为7000人，紫外火焰探测器的探测波长为 4000人。由于光辐射的传播速度快(3 X 10'm/s)，且火焰探测器的传感器件接收光辐射的响应时间极短(在 m、数量级)，因而火焰探测器响应速度也极快。它对于环境中气流速度也没什么限制，这类探测器适用于生产、储存和运输高度易燃物质(特别是可燃液体火灾或爆炸品)的危险性场所以及昂贵设备或关键设施对火情有特殊监测需要的地方。对于起火速度快，且无烟遮蔽的明火火灾反应最为灵敏。其中紫外火焰探测器不受风雨、阳光、高湿度、气压变化、极限环境湿度等影响，能在室外使用，但在雷电及电弧光有大量紫外线产生的场所运用此设备时，必须采取一定措施以防止非火灾报警另外，在产生火光之前就有大量烟雾产生的场合，不宜单独采用紫外线火焰探测器，必须与其它感烟探测器联合使用。一般紫外火焰探测器同快速灭火系统和抑爆系统联动，组成快速自动报警灭火系统和自动报警抑爆系统 3.4 气体火灾探测器目前气体火灾探测器主要有两类:可燃气体型(主要探测对象是还原性气体)和燃烧气体产物型(主要探测对象是CO和co') 3.4. 1 可燃气体型可燃气体通常是指城市煤气、石油液化气、汽油蒸气，酒精蒸气、天然气以及煤矿瓦斯等易燃易爆、有毒有害的气体。这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、氢以及一氧化碳等成分。因此，在生产、运输、储存和使用这些气体的过程中，如果违反操作规程或设备密封质量不好，都有可能发生可燃气体泄漏现象，进而酿成火灾或爆炸事故。针对这些可燃气体的探测器主要有半导体型可燃气体探测器、载体催化型可燃气体探测器、固体电介质型可燃气体探测器、光电型可燃气体探测器等。 3.4.2 燃烧气体产物型火灾发生的气态燃烧产物主要成分为H30、一氧化碳CO、二氧化碳CO,,碳氢化合物(CH,)。一般情况下，CO和CO。在空气中的含量极低。只有在燃烧发生时才会产生大量的CO和CO。这些气体比烟雾粒子产生得早，在感烟火灾探测器尚未发出报警信号前已达到相当大的浓度。所以，针对这两种气体进行监测将会在很大程度上反映出环境中有燃烧现象发生，而且早期报警的效果比感烟探测器好。 3.5 图像火灾探测器对于物质燃烧产生的火焰，除了可以分析它的光谱特征外，还可以对其火焰形状进行利用，这样就产生了图像火灾探测器。火焰是高温物体，而它的周围环境则是处于常温状态。火灾火焰在发展的过程中其形状有一个不断变化和持续的过程，而普通火焰(如打火机点火、蜡烛燃烧、煤气火焰等)和高温发光源(如白炽灯、电炉等)则没有这个变化过程。这样就形成了火灾识别和探测算法的重要基础。国内已有研究表明利用液晶片和CCD摄像机可对火灾图像进行有效的探测[l」。液晶片在不透光的情况下仍能透过红外光，正常使用条件下的黑白CCD摄像头对近红外光也有响应。将液晶片放置在摄像机前就能获得具有强烈红外光的火焰图像。通过对红外图像的处理，即可识别真假火灾，达到火灾探测的目的另一个就是利用红外辐射成像技术判别火情。特别适合于监测正在运行中的电器设备，它能检测电器设备发射出的红外辐射能量并将其转换为相应的信号，再经专门的电信号处理系统进行处理，最后再经成像装置得到与物体表面温度相对应的热图像 3.6 声音火灾探测器声音火灾探测器是利用燃烧所特有的次声波现象制成的声音传感器。物质在燃烧过程中，会放出大量的热能，对周围空气进行加热，使得空气膨胀，形成压力声波，其频率仅有数赫兹这种超低频〔次声波)的声音现象为物质燃烧所共有。且在这个频率范围内，日常杂音很少，所以，可以在很大程度上避免环境对探测器的干扰。日本东京消防厅消防科学研究所利用这个特性并结合防风和防振措施研制出了性能优良的声音火灾探测器[13] 3.7 其他火灾探测器随着纳米技术的发展，现在研究人员已经开始使用这种新型的材料来开发火灾探测器，研究表明，制作传感器是纳米材料最有前途的应用领域之一。目前传感器的小型化、微型化和智能化是其主要发展方向之一，国内外传感器研究逐步集中在开发新型敏感材料的选择性传感器上在气体传感器领域，由于纳米材料粒度小，比表面积大，结晶表面催化活性强，极有可能开发出性能优良的气敏元件，存在巨大的研究开发价万方数据值和商业前景。 4 火灾探测器的发展趋势新探测技术的发展进一步拓展了火灾探测的应用领域，为一些传统探测器无法胜任的环境提供了有效的手段。相关技术的发展，如傅立叶近红外光谱技术[14[`弱信号处理技术、低功耗MCU技术进一步促进了传统探测技术的改进，使得传统探测器在技术和性能上有了显著的提高。火灾探测器朝着极早期探测、多传感器复合探测和探测器小型化、智能化的方向发展迈出了更快的步伐。朱1 极早期火灾探测火灾的早期报警现在已经越来越受到火灾研究人员的重视。一般火灾的产生可分为四个阶段:预燃、闷燃、火焰燃烧和剧烈燃烧。传统探测器一般都在火灾发展的后三个阶段才能实现报警，而此时火势已经发展的相当严重。即使扑救及时，也会造成极大的损失。针对这一情况，大量研究人员开始着手火灾极早期的探测研究，高灵敏度空气采样式感烟火灾探测报警系统 (HSASD户5]就是在这样的背景下产生出来的。它克服了传统感烟探测器被动吸烟的工作方式和对人眼不可见的烟无法探测的弊端，采用主动吸气抽取空气样本的方式，通过独特的检测室和激光器件对烟粒子进行探测计数分析，大大提高了探测器的可靠性和灵敏度;Notifier公司也已研制出极早期智能报警系统[l71，该系统感烟灵敏度高于目前光电感烟探测器SO倍，它与高灵敏度吸气式感烟火灾探测报警系统一样，可以提供极早期火灾探测，但是比后者成本费用低得多。另外，在一氧化碳极早期火灾探测研究方面也取得了突飞猛进的发展。大量的实验研究表明:火灾的早期阶段始终存在着含量比预测环境中含量高的一氧化碳，一氧化碳是几乎所有燃烧过程的生产物，在燃烧不充分的火灾早期更是这样，而且一氧化碳气体比空气轻，扩散性比烟雾更强，特别是许多常用感烟探测的误报源并不产生一氧化碳气体。这说明利用它进行极早期火灾探测器的研究是具有极其广阔的前景的。目前已有多种采用离子传导性固体电解质和二氧化锡作为敏感元件的一氧化碳探测器投人使用，但这些大都存在着灵敏度低、稳定性差和易受环境影响等缺点。在实际应用中误报率和不报率较高。近年来国内外逐渐开始利用一氧化碳的红外光谱吸收的原理来研究其浓度的测量方法，这种测量方法灵敏度高、反应速度快，易结合神经网络等智能探测算法进行数据分析，提高其判断能力，在未来火灾探测中必将有着广泛的应用前景。 4.2 多传感器复合探测复合式火灾探测器是一种响应两种或两种以上火灾参数的火灾探测器。已经投入使用的有感温感烟火灾探测器、感光感烟火灾探测器、感光感温火灾探测器、差定温火灾探测器等，现在又有了进一步的发展，出现了探测三个参量或更多参量的探侧器，如:一氧化碳、光电感烟和感温三复合火灾探测器等。今后随着科学研究的不断发展，各种技术手段日趋成熟，将会实现更多火灾参量的信息融合，在最大程度上及时准确的预报火情。复合探测器与单一参量的探测器相比具有误报率低、反应灵敏、使用场合广等诸多优点，因而也被应用到了火灾探测报替的众多场合。 4.3 小型化、智能化随着微处理器、集成电路技术、纳米技术和信息处理技术的发展与完善，火灾探测器由传统开关量式变为模拟量式，体积更加小巧，轻便，信号处理方式也日趋智能化，由原来简单的直观法跨人了趋势算法、斜率算法、持续时间算法、模糊逻辑和神经网络智能算法等一些较为复杂的系统算法，使火灾探测准确性和可靠性有了质的飞跃。神经网络探测算法以其较强的学习能力、环境适应性、容错能力和并行处理能力等优点已经逐渐成为目前被使用研究的最为广泛的一种智能算法。智能算法和多传感器复合探测的结合又将会使得火灾探测技术跃上一个更新更高的台阶，为火灾探测器的研制提供可靠的技术支持，一定会成为火灾探测器发展的必然趋势。 5 小结本文通过对近年来大量研究资料的归纳分析，回顾和总结了火灾探m器的研究现状和存在的问题，提出了今后火灾探测器的主要发展方向是极早期火灾探测，多传感器复合探测技术和小型化、智能化探测器的研究。参考文献: [1] 程晓舫，等.火灾探测的原理与方法(上).中国安全学报，1 99 9, 9( 1). [2] 程晓舫，等.火灾探测的原理与方法(下).中国安全学报，1 9 99 ,9 (2) [3习徐琼，等.火灾烟雾探测技术的发展与探讨.火灾科学. 20 02 , 11 (2 ) . [4] 范维澄，等火灾学简明教程.合肥:中国科技大学出版社 ,1 9 95 万方数据

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