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气体传感器及其在火灾探测中的应用
摘要：阐述了几种气体火灾探测器的工作原理、性能特点及其应用, 介绍了几种新型复合气体火灾探测器,探讨了气体火灾探测器的发展前景和趋势。
关键词：火灾探测器；气体火灾探测器；气体传感器。
一、气体火灾探测器概述
气体是火灾的早期特征之一, 研究气体探测器对于防治火灾有重意义。 传统的火灾探测器中感温探测器，感烟探刷器，感火焰探测器其原理是基于火灾中温度变化或者利用火灾烟雾，火焰的电学，光学等物理特性来进行火灾识别。这种识别模式很难可靠地发现早期火灾，如感烟探测器不能探测到酒精火焰，感温探测器不易探测到阴燃火源。在现代高大空间建筑中，当存在遮挡和环境干扰的时候，常规的感烟、感温探测器由于火灾燃烧产物在空间传播受空间高度和面积的影响，很难对火灾发生快速响应。近年来，由于气体传感技术有了长足的进步，气体传感器相传统火灾探剧器结合形成多元参数复合探剧技术以及开发研究新型火灾气体传感器已成为火灾探测领域的新动向。目前, 用于检测火灾的气体主要有CO、CO2、NOX、甲烷、H2、H2O、胺( - NH2) 等。对于不同的气体和不同的应用场合, 所用的气体检测方法也不尽相同。可用作探测可燃性气体或可燃物燃烧生成气体传感器已有很多, 应用最广泛的主要有半导体气体传感器、红外吸收气体传感器、电化学传感器以及正在发展的智能气体传感器等。
二、气体传感器
2.1、半导体气体传感器
半导体气体传感器主要是以氧化物半导体作为基本材料, 使气体吸附于该半导体表面, 利用由此产生的电导率的变化而制作的器件。按检测不同气体特征量的方式, 半导体气体传感器大体分为电阻式和非电阻式两种, 见表1。电阻式半导体气体传感器用氧化锡、氧化锌等金属氧化物材料作为敏感元件, 利用其阻值的变化来检测气体的体积分数; 非电阻式半导体气体传感器采用氧化银、金属栅的场效应管、金属/ 半导体结型二极管等作为敏感元件, 利用它们与气体接触后的整流特性, 以及晶体管作用的变化进行表面单位的直接测定。自从1962 年半导体金属氧化物陶瓷气体传感器问世以来, 半导体气体传感器已经成为当今世界上产量最大、最具有实用价值的传感器之一。
表1　半导体气体传感器的分类
2.2、红外吸收式气体传感器
红外吸收式气体传感器原理基于Lambert- Beer定律, 即若对两个分子以上的气体照射红外光, 则分子的动能发生变化并吸收特定波长光, 这种特定波长光是由分子结构决定的, 由该吸收频谱判别分子种类, 由吸收的强弱可测得气体体积分数。由于不同气体的红外吸收峰不同, 通过测量和分析红外吸收峰来检测气体。目前, 最新研制开发的流体切换式、流程直接测量式和傅立叶变换式在线红外分析仪, 能精确地检测气体, 具有高抗振和抗污染能力。与计算机系统相结合能连续测试分析气体, 具有自动校正、自动运行的功能,灵敏度高, 误报率低, 选择性好, 可靠性高, 响应速度快。但这种方法成本高, 装置复杂, 操作过程历时长。
2.3、接触燃烧式气体传感器
接触燃烧式气体传感器可分为直接接触燃烧式和催化接触燃烧式。其工作原理是: 气敏材料( 如Pt 电热丝等) 在通电状态下的温度约为300 ℃～600 ℃, 可燃性气体氧化燃烧或者催化剂作用下氧化燃烧, 电热丝由于燃烧而升温, 从而使其阻值发生变化, 测量电阻的变化从而测量气体体积分数。这种传感器对不燃烧气体不敏感, 例如, 在铂丝上涂敷活性催化Rh 和Pd 等制成的传感器具有广谱特性, 能检测各种可燃性气体。接触燃烧式气体传感器的优点是: 对气体的选择性好, 线性好, 受温度、湿度影响小, 响应快, 广泛应用于石油化工厂、造船厂、矿井隧道和浴室厨房的可燃性气体的监测和报警。但是, 它对低体积分数可燃性气体灵敏度低, 敏感元件受到催化剂侵害后其特性锐减, 电热丝易断。
2.4、电化学式气体传感器
电化学式气体传感器可分为原电池式、可控电位电解式、电量式、离子电极式四种类型。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的体积分数, 可用来检测氧气、酸性气体和毒性气体。可控电位电解式传感器是通过检测电解时流过的电流来检测气体的体积分数, 与原电池不同的是, 它需要外界施加特定电压, 可以检测CO、NO、NO2、O2、SO2 等气体。电量式气体传感器通过被测气体与电解质反应产生的电流检测气体的体积分数。离子电极式气体传感器通过测量离子极化电流来检测气体的体积分数。电化学式气体传感器的优点是: 低体积分数时气体选择性好, 灵敏度高, 体积小、重量轻, 对气体的反应迅速并可连续探测, 但需要定期填充电解液。
2.5、智能气体传感器
20 世纪80 年代末, 研究人员开始将气敏元件和智能技术相结合, 构成智能气体传感器。采用多个具有不同敏感特性的气敏元件组成阵列, 通过模式识别技术对混合气体进行气体识别和浓度检测。智能气体传感器主要由气敏阵列和处理电路两大部分组成, 如图1 所示。气敏阵列由对不同气体有较高灵敏度的敏感单元组成, 气敏阵列通常可以采用集成工艺制作专用的气体传感器阵列。体积小、功耗低, 便于数据的集中采集与处理。单个气体传感器与气体阵列在特性上有质的区别, 单个气体传感器对气体的响应可用强度来表示。而气敏阵列除了各个传感器的响应外, 并且在全部传感器组成的多维空间中形成响应模式, 因此可以对多种气体进行辨识。信号处理部分包括气敏信号采集、信号预处理、模式识别以及显示输出等功能模块。其中, 信号预处理单元是对气敏阵列的响应模式进行预加工, 完成特征提取。模式识别单元运用一定的算法完成气体的定性定量辨识。常用的模式识别算法有相关算法、最小二乘算法、主成分分析法、人工神经网络、模糊逻辑等。目前, 利用模糊逻辑算法、人工神经网络及它们的复合算法研制的智能火灾气体探测器, 如电子鼻已能随机自动辨认各类火灾气体, 可以区分出燃着的香烟和燃烧各种木材的气味, 具有较高的智能化和可靠性。
图1　智能气体传感器的系统组成
三、气体传感器的不足及改进方案
3.1、半导体气体传感器
稳定性较差，受环境影响较大；尤其，每一种传感器选择性都唯一，输出参数能确定，不宜应用于计量准确要求场所。
3.2、磁性氧气传感器
只能用于氧气检测，选择性极好。大气环境中氮氧化物能够产生微小影响，这些干扰气体含量往往很少，磁氧分析技术选择性几乎是唯一。
四、气体传感器在火灾探测中的应用
4.1、特殊场所叮燃气体火灾探测
在煤矿、石油、化工等企业，一但发生可燃气体泄露，极易造成大面积火灾并引起爆炸事故，所以在这些场所对煤气、天然气、液化气等可燃性气体进行气体泄露检测，可以做到极早期的预防灾害的发生。可燃性气体监测的原理是：针对某中具有一定选择性、灵敏度高、响应时间短的气体传感器，将气体传感器安装在生产，储备、使用等车间场所中，及时监测气体含量，如果可燃性气体含量达到预先设定值或气体浓度达到气体最低爆炸浓度界限，通过控制器启动报警装置或开动保护系统，从而达到预防火灾灾害、减小爆炸危险的目的。
现行的可燃气体探测器一般都是点型气体探测器材，在实际应用中存在着寿命短、易中毒、探测器面积小等缺陷，因此目前现场应用一般只限于在重点位置安装。基于气体分子红外吸收原理的大面积可燃气体探测器材在90年代初期由英国西格公司首创，沈阳消防科研所填补了中国在此项技术领域的空白，自行研制开发了线型红外可燃气体探测器，采用双波段实现对可燃气体的探测，一对探测器的最远探测距离可达80米，探测灵敏度高、响应速度快，不会因某种气体中毒而损坏坏器件，也不会因可燃性气体浓度过高而降低性能。由于该系统采用了双波段互补技术、信号窄脉动同步分离术、探测器工作点自动启动技术。最大限度的消除了灰尘、雨、雪、雾等自然环境对系统工作的影响，较好地解决了系统在较恶劣环境下长期稳定运行的问题。其探测效率、寿命、性能稳定都远优于目前应用的典型可燃性气体控制器。
4.2、高灵敏度的光声火灾气体探测
利用光声气体传感器的高灵敏度、快速响应等优点，可以对微量火灾气体进行探测从而实现火灾早期预报。这种气体传感器原理是：气体吸收入射脉冲调制红外光束後产生声波，通过对声波信号检测得知气体浓度。图8为Nebiker等人开发的一种光声火灾气体检剧装置，通过控制真空灯泡脉搏街电流得到脉冲调制的红外光源，这种脉冲光源省略了斩波器、马达等设备，而且可以由灯泡的亮度，灯泡的温度、脉冲宽度来实现红外光源的可靠稳定。当检测气体进入约1cm3大小的检测室後，在气体吸收波长脉动光源作用下产生声波，通过微音器检测送入放大处理电路，经过数字处理後得到气体的浓度，如图9，利用这种光声火灾气体检剧装置对欧洲实验火TF2气体浓度进行测量发现，在阴燃价段CO浓度即表现了一定程度的增长，而CO2、增长较慢，当阴燃转为明火时，CO2气体浓度显著增加，同时CO气体浓度显著减少，在整个过程中，始终有少量CH4气体的释放，最高浓度可达20PPm左右。实验证明光声气体探测器能采剧火灾早期现象，在火灾探测领域有极大的发展相应用前景。
4.3、智能火灾探测
智能火灾采剧是指探测系统采用有模糊逻辑算法和神经网络智能化算法以及它们的复合算法，能够根据现场环境自动调整运行参数，即具有自学习功能和自适应能力，同时对信号的处理、报警的确定以及联动逻辑等功能都采取智能算法，从而更接近人的感观口实际情况，提高火灾报警和联动控制的准确性和可靠性，智能气体探测引佰近年来在火灾探测领域得到的一定程度的发展，最早的电子鼻探测器成功地区分出了燃着的香烟和燃烧各种木材的气味，如区分出橡木、红木和火柴梗燃烧的不同气味。目前利用人工神经网络软件智能火灾气体探测器三能随机自动辨认各类火灾气体，下—步工作是对多种类型火灾的辨认能力、失报条件、早期报警能力和执行持续性监测的工程技术问题进行深入研究。电子鼻技术在火灾探测领域的研究将拓展气体传感器的研究领域，扩大气体传感器的应用范围，提高火灾探测的智能化和可靠性。
五、气体传感器在火灾探测中的发展前景
在火灾探测技术中, 气体火灾探测技术起步晚, 但发展较快, 尤其在火灾早期报警领域愈来愈受到火灾研究人员的重视, 并已研制出各种类型的气体火灾探测器以及智能、复合气体火灾探测器。目前, 气体火灾探测器继续朝着小型化、智能化和多参量/ 多判据的复合探测方向发展。
5.1、小型化
随着新的探测技术和新材料的应用以及微电子技术的发展, 气体火灾探测器趋向小型化、微型化。利用纳米粒子的电阻随周围环境中组成气体的改变而发生变化的特性, 可将纳米材料制成气体探测器, 对有毒气体、易燃易爆气体等进行检测和定量测量。由于纳米材料结晶表面催化活性强, 以及具有多孔结构等特点, 使用纳米结晶薄膜制作的气敏元件具有更强的可选择性和抗干扰性, 提高了火灾报警的准确性, 减少误报率。同时, 纳米材料粒度小, 表面积小, 大大降低使用温度,缩小了功耗, 使气体火灾探测器逐步精良化、微型化。
5.2、智能化
因纳米、薄膜等新材料制备技术的成功应用, 为气体火灾探测器集成化和智能化提供了很好的前提条件。气体火灾探测器将在充分利用微机械与微电子技术、计算机技术、信号处理技术、电路与系统、传感技术、仿生学、神经网络、模糊理论等多学科综合技术的基础上得到发展。研制能够同时监测多种气体的全自动数字化的智能气体传感器, 将是今后该领域的重要发展方向。
5.3、多参量/ 多判据的复合探测
火灾是一个极其复杂的物理、化学过程, 不同环境和不同燃烧物质的火灾生成物, 如气体成分、烟雾粒径、温度场分布及光谱构成均有不同, 只用一种火灾参量探测变化莫测的各类火灾势必有很大困难, 可能引起误报的非火灾信号有灰尘、水气、烟雾等不具备真实火灾的参量。因此, 多参量/ 多判据的复合火灾探测不仅可以克服单一火灾参量造成的误报, 还可以识别由于非火灾信号导致的误报, 仍是未来气体火灾探测器的研究热点。此外, 多参量/ 多判据的复合气体探测还可以使火灾探测的时间缩短, 实现早期报警。
六、参考文献
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