火灾探测技术

1、火灾探测技术及方法电子信息工程专业学生XXX指导老师XXX摘要：火的发现推动了人类文明的进步，但同时也给人类和社会带来了极大的危害。阐述了感烟、感温、感火焰等几种常规火灾探测器的工作原理，并介绍了目前较为先进的光声火灾探测技术和TDLAS火灾探测技术。关键词：火灾探测感烟探测器感温探测器光声技术一、前言火的出现和应用对于人类文明的发展和社会进步起到了巨大的推动作用，可以不夸张地 说，没有火的应用就没有人类社会的物质文明和精神文明，也就没有人类今天的繁荣和成就。 在众多灾种中，火灾造成的直接损失约为地震的5倍，仅次于干旱和洪涝，而火灾发生的频 率则居于各种灾种之首。20世纪是人类有史以来变化最大的一百年，在这一百年内火灾的规 模和造成的损失也不断扩大。有效预防可以大大降低引起火灾的概率，不过当火灾发生后如果在早期就能够检测并扑 灭则也可以减少火灾带来的危害和损失。火灾探测与报警技术始于19世纪中期，1847年美国 的Channing和Farmer首先研制了火灾报警发送装置，同年德国的Siemens和Halske公司将电 报装置用于传送火灾报警信号，现代火灾自动探测与报警技术开始逐渐发展起

2、来。二、火灾探测技术火灾是一种复杂的物理和化学反应过程，其间会伴随着出现燃烧气体、烟雾、温度、火 焰等特征，火灾探测技术正是借助这些特征来作为火灾识别的参数，尽早地自动探测到火灾 并发出警报，最大程度地挽救人民生命和财产。目前对于火灾过程中产生的烟雾、温度以及 火焰的测量都分别有成熟的产品，如感温探测器、感烟探测器、火焰探测器等。随着社会的 进步和科技的发展，人们开始不断地致力于新的火灾探测技术的研究，火灾探测技术开始逐 渐走向成熟。1、感烟探测器感烟探测器是一种响应由燃烧或热解而产生的固体或液体微粒的火灾探测器。除易燃、 易爆物质起火非常迅速以外，固态物质的火灾一般都要经过早期、阴燃、起火等阶段，感温 探测器主要用来探测阴燃阶段的烟雾。在此阶段由于热解作用加强，产生大量可见和不可见 粒径为0.01-0.1m的气溶胶，空气的对流作用渐渐明显，有利于烟雾气溶胶的传播。目前感 烟探测技术得到了广泛的发展与应用，据统计我国每年建筑中新安装的火灾探测器数量有 500-600万只，其中约80%为感烟探测器。（1）离子感烟探测器在离子感烟探测器中，作为a源的241Am使电离室内的空气产生电离，使电

3、离室在电子电 路中呈现电阻特性。当发生火灾时烟雾进入电离室内，改变了空气电离的离子数量，即改变 了电离电流，也就相当于阻值发生了变化。根据电阻变化大小就可以识别烟雾量的大小，并 做出是否发生火灾的判断，这就是离子感烟探测器探测火灾的基本原理。在实际的离子感烟探测器中，一般具有两个串联起来的单极型电离室。一个作为检测电 离室，结构上做成烟雾容易进入的形式；另一个作为补偿电离室，在结构上采取烟雾粒子难 进入，但空气又能缓慢进入的形式。当有火灾发生时烟雾粒子进入检测电离室，烟雾粒子的质量比离子重得多，被电离的部 分正离子和负离子被吸附到烟雾粒子上去。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相互复合的概率增加，这样使得到达电极的粒子就更少了。另一 方面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，这些微观的变化反映在宏观上就是由于烟雾粒子进入检测电离室后，电离电流减少， 相当于检测电离室的空气等效电阻增加，因而引起施加在两个电离室两端分压比的变化。这 种变化导致电子线路的输出电压发生变化，变化量的大小就反映了烟雾浓度的高低，从

4、而实 现了将烟雾信号变成电信号的功能。离子感烟探测器由检测电离室、补偿电离室、信号放大回路、开关转换电路、火灾模拟 检查回路、故障自动检测回路以及确认灯回路等构成。（2）光电感烟探测器火灾中会产生一定数量的烟雾，这些烟雾颗粒和光相互作用时会发生两种不同的过程。 一方面粒子可以再辐射已经接收到的能量，再辐射可以在所有方向上进行，但通常不同方向 上其强度不同，这个过程叫做散射。另一方面辐射能可以转变成其他形式的能，如热能、化 学反应能等，这个过程叫吸收。光电感烟探测器就是利用火灾烟雾对光产生的吸收和散射作 用来探测火灾的一种装置。 减光式光电火灾探测器工作过程这种探测器的检测室内装有发光元件和受光元件。正常情况下，受光元件接受到发光元 件发出的一定光量；当有火灾发生时，火灾产物将进入光电火灾探测器的检测室，由于发光 元件发出的光受到火灾烟雾颗粒的遮挡，受光元件接受的光量就会减少，从而使得光电流降 低，当降低到一定值时，探测器便发出报警信号。 散射光型光电火灾探测器工作过程与减光式光电火灾探测器一样，散射光型光电火灾探测器的检测室内也装有发光和受光 元件，在正常情况下受光元件接受不到发光元件

5、发出的光，因此也就不会产生光电流。当有 火灾发生时，火灾烟雾便会进入探测器的检测室，由于烟粒子的作用，使得发光元件发出的 光产生漫射，被受光元件所接受，使受光元件阻抗发生变化，从而产生光电流。若结合一定 的算法，探测器即可做出响应判断是否有火灾发生。2、感温探测器感温探测器是最早出现的火灾探测器，从19世纪初人们就开始利用简单的机械感温原理 来探测火灾，并在很长一段历史时期一直处于主导地位，直到20世纪50年代离子感烟探测器 的出现，才打破了感温探测器的垄断地位。感温探测器主要利用感温元件接受空气的对流传递热量，把环境温度的变化转化成其他 形式的物量，例如电压、电流等来达到探测火灾的目的。对于受限空间而言，一般发生火灾 后都会在顶棚附近形成热气层，特别是许多液体物质火灾，往往发生时没有阴燃阶段而直接 产生大量的热，使得周围环境温度升高，此时感温火灾探测器中的热敏元件将发生物理变化， 随后将物理变化转换成的电信号传输给火灾报警控制器，经判别发出火灾报警信号。感温火灾探测器按照工作方式可分为定温型、差温型和差定温型；按照探测器的外形可 分为点型和线型；按照感温元件可分为机械型和电子型；按使

6、用环境可分为陆用型、船用型、 防爆型等；按动作后能否复位又可分为复位型和不可复位型。感温探测器的使用一般适合以 下几类场所：有粉尘污染的场所；相对湿度经常大于95%的场所；可能发生无烟火灾 的场所；汽车库、吸烟室、锅炉房、厨房、发电机房等正常情况下有烟和蒸汽的场所； 其它不易安装感烟探测器的厅堂和公共场所。尽管目前感温探测器在现代所有火灾探测器中 的使用量只占有10%20%左右的比例，但针对一些特殊场所和一些特殊火灾，感温探测器仍 占据着一席之地。另外随着现代电子科技的不断发展，出现了一些新型的感温探测器，极大 地提高了感温探测器的探测能力和适用范围，进一步推动了感温探测技术的发展。3、火焰探测器火焰探测器是继使用多年的感温、感烟探测器后较晚出现的一种火灾探测器，它是利用 火灾发出的电磁辐射来工作的。因为电磁辐射的传播速度极快，因此这种探测器对快速发生 的火灾（像易燃、可燃液体火灾）能够及时响应，是对这类火灾早期报警的理想探测器。虽 然原则上讲大部分光谱都可被用来探测火焰，但实际上探测器利用的谱带却只有紫外区和几 个较窄的红外区光谱。不像感烟探测器那样探测范围受到天花板的限制，火焰探测

7、器特别适 用于仓库、飞机库这样的大空间以及化工厂、炼油厂等户外场合，在这些危险场合中，火灾 发生前一般都会有火焰出现。不过在户外环境中太阳是最大的“火源”，其辐射强度要比一 般火灾大很多个数量级，因此火焰探测器必须要对太阳辐射能加以鉴别。（1）紫外火焰探测器绝大部分燃烧火焰中都包含紫外辐射，紫外火探测器就是根据这一特性来探测火灾发生 的。紫外火焰探测器由紫外火焰报警器和紫外火焰探测器即控制器和探测器两部分组成，完 成火焰监测和报警的功能。当探测器接受到波长为185-245nm的紫外线时，探测器的紫外光 敏器件便立即响应，通过电子线路产生脉冲信号。紫外光越强，脉冲数就越多。这些脉冲信 号通过电缆输送给控制器，当控制器接收到这些脉冲信号后，立即转变成与之成正比的直流 电压信号，并将此电压与预先设置的阈值电压相比较。如超过阈值电压则测量通道中的电子 触发电路便输出一个信号，它一方面使报警器发出灯光和音响信号，另一方面推动继电器工 作，继电器的触点可以外接音响或者灭火系统。（2）红外火焰探测器几乎所有的燃烧火焰中也都包含有红外线辐射，红外火焰探测器主要根据这一特性来探 测火灾的发生，它一般是利

8、用响应火焰产生的波长大于700nm的红外辐射而进行工作的。相 对紫外火焰探测器而言，由于火焰红外线辐射谱带范围比紫外辐射范围宽，辐射强度比紫外 辐射强，因此可以利用火焰红外辐射进行大多数的有焰探测，其应用范围更广、更普遍。红 外火焰探测器具有对火焰反应速度快、可靠性高的特点，适用于对生产、存储高度易燃物质、 危险性很大的场所提供保护，并可以组成联动控制灭火系统。但红外辐射背景干扰因素多， 因此红外火焰探测器必须有效屏蔽太阳光等背景辐射的影响。（3）图像火焰探测器图像火焰探测系统利用火灾火焰可见光辐射特性、火灾的红外视频信号以及可见波段视 频信号，同时结合火焰的色谱特性、相对稳定性、纹理特性以及蔓延增长特性，采用趋势算 法等其他智能算法，将火灾探测与图像监控有机结合起来，从而实现高大空间火灾探测与监 控。相对于传统的火焰探测器，图像感焰探测器扩大了探测器的感焰面积，给探测器提供了 更多的火灾信息，从而提高了火灾探测的可靠性和灵敏性。4、燃烧音探测除了借助以上几种参数，还可以利用燃烧过程中产生的声音作为参数来探测火灾。燃烧 时火源周围要产生出各种频率成份的声音，从我们可以听得到的“辟啪”声

9、到我们听不到的 具有低频域和超声频域的声音。经过对可听域、低频域和超声频域频率成份的分析，发现低 频率的声音与其它频域的声音不同，它是由于空气热膨胀和热对流而产生的，其声音强度随 着燃烧的扩大而增加，其产生不受燃烧种类、周围温度、湿度等环境影响。而可听频域由于 受外界干扰大，难以起到探测效果，超声频域由于燃烧物种类的不同，有的高频成份多，有 的几乎没有，所以也不适用于火灾探测。从迄今的实验结果已经确认捕捉低频域成份的方法 比较有效，并开发了通过捕捉燃烧时产生的低频域音频强度而探测火灾的装置。在燃烧音火 灾探测技术中，室内振动对探测器会产生一定的干扰。同时在火灾燃烧过程中会产生空气对 流，产生与燃烧音频类似的信号，这也会对探测器造成一定的影响。因此在实际应用过程中 必须要考虑如何区分干扰信号和燃烧音信号。5、气体探测前面提到的探测器本质上以火灾的烟雾浓度、温度等物理参数作为测量判据，但这些参 数在非火灾条件下也有可能存在。例如水蒸汽和灰尘具有类似烟雾的特性；电炉等发热器件 所产生的温度与火灾产生的温度一样，太阳光对红外火焰探测器会产生干扰等等；另外某些 感烟火灾探测器对酒精火没有响应，感温火灾探测器不易发现阴燃火等等，这就使得常规探 测器会产生误报或者漏报现象。对于绝大部分火灾来说，在燃烧初期都会产生CO、CO这些火灾标识性气体，且产生最 早，因此利用气体探测火灾是最适合的方法。由于正常情况下:。在空气中的含量非常低，当 探测器检测到它超过某一设定值时就可作为火灾报警的一个判据。而且跟火灾烟气中的烟雾 颗粒不同，火灾过程中所产生的气体仅需要很少的热量驱动就可以快速上升，一些气体由于 比空气轻，甚至不需要热量的驱动就能非常容易地扩散上升，这对早期火灾探测起到了十分 重要的作用，因此针对火灾特征气体的火灾探测技术是一种具有十分广阔前景的手段。目前能够检测气体的传感器种类有很多，各有其特点，但是其选择性、灵敏度、长时间 工作能力等在火灾探测方面的使用都不能令人满意。随着现代激光技术以及光学、声学器件 的发展，出现了光声技术和可调谐二极管激光吸收光谱技术（TDLAS），由于它

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