摘要：火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)是日常生活、工業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分之一，是保證安全運(yùn)營(yíng)，減少公路隧道發(fā)生火災(zāi)時(shí)人員傷亡與財(cái)產(chǎn)損失的重要手段。本文根據(jù)工作原理不同，介紹了不同類(lèi)型的火災(zāi)探測(cè)器。其中基于熱釋電探測(cè)器的點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)器具有廣泛的應(yīng)用和市場(chǎng)前景，并著重分析了幾種點(diǎn)型火焰探測(cè)器性能、特點(diǎn)、應(yīng)用等。基于熱釋電效應(yīng)的點(diǎn)型紅外火焰探測(cè)器不僅可以應(yīng)用于遠(yuǎn)近距離多波段火焰探測(cè)，同時(shí)在大空間自動(dòng)定位消防水炮中具有顯著優(yōu)勢(shì)。

一、背景

當(dāng)前，工業(yè)生產(chǎn)中會(huì)涉及大量可燃、易爆、危害性較高的化工原料，火災(zāi)是一種失去人為控制的燃燒過(guò)程，易造成人員傷亡和財(cái)產(chǎn)損失等危害。因此在生產(chǎn)當(dāng)中需要對(duì)火災(zāi)保持高度警惕，并配備完善、高效的火災(zāi)探測(cè)裝置，實(shí)現(xiàn)對(duì)明火隱患的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

火災(zāi)通常以燃燒的形式表現(xiàn)，燃燒產(chǎn)生的物理參量有熱（溫度）、煙（煙霧粒子）、光（火焰）、氣（氣體）、聲（燃燒音）?；馂?zāi)探測(cè)的本質(zhì)就是將火災(zāi)中出現(xiàn)的物理現(xiàn)象，利用傳感元件進(jìn)行接收，并將其轉(zhuǎn)化為易處理的物理信號(hào)，并告知預(yù)警設(shè)備或人類(lèi)。

按照探測(cè)火災(zāi)物理量的不同，火災(zāi)探測(cè)器可以分為：感溫火災(zāi)探測(cè)器、感煙火災(zāi)探測(cè)器、氣體火災(zāi)探測(cè)器、感光火災(zāi)探測(cè)器、聲音探測(cè)器五大類(lèi)型。針對(duì)這些火災(zāi)參量的探測(cè)結(jié)合具體的探測(cè)實(shí)現(xiàn)技術(shù)，現(xiàn)有火災(zāi)探測(cè)器種類(lèi)又可具體分為如圖1所示。

圖1：火災(zāi)探測(cè)器種類(lèi)

傳統(tǒng)的煙感、溫感、光感火焰探測(cè)器分別利用火焰的煙霧、溫度特性來(lái)對(duì)火焰進(jìn)行識(shí)別，由于其制造工藝簡(jiǎn)單，價(jià)格低廉，在酒店、列車(chē)、居民住宅等場(chǎng)所得到了很好的應(yīng)用，但是這些探測(cè)方式多采用檢測(cè)濃度法，而并不檢測(cè)火焰本身的特征，所以其響應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)、探測(cè)范圍窄，對(duì)周?chē)h(huán)境要求高，抗干擾能力差，對(duì)某些情況也無(wú)法預(yù)報(bào)，比如無(wú)煙火焰等。

隨著機(jī)器視覺(jué)技術(shù)的不斷發(fā)展，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與圖像識(shí)別方法的火焰探測(cè)技術(shù)取得了一定的進(jìn)展，其具有較高的干擾免疫能力和探測(cè)精度，但是早期火災(zāi)圖像探測(cè)的基礎(chǔ)理論研究尚不充分，而且它的算法復(fù)雜，成本偏高，需要很大的訓(xùn)練樣本。

工業(yè)企業(yè)普遍采用的火災(zāi)探測(cè)裝置為感光型（火焰）探測(cè)器，即點(diǎn)型火焰探測(cè)。點(diǎn)型火焰探測(cè)器具有響應(yīng)速度快、探測(cè)距離遠(yuǎn)、保護(hù)面積大等優(yōu)點(diǎn)，尤其對(duì)于碳?xì)浠衔锶紵纬傻幕鹧娓鼮槊舾?/strong>，因此更為適用于化學(xué)工業(yè)、公路隧道、彈藥倉(cāng)庫(kù)、油漆工廠、石化企業(yè)、制藥企業(yè)、電廠、物流倉(cāng)庫(kù)等易燃易爆工業(yè)和民用場(chǎng)所。

二、火焰的光譜特征

圖2是火焰的光譜簡(jiǎn)圖。不同的物質(zhì)燃燒，其發(fā)射的紅紫外光譜有所差別，但從圖中可以明顯看出三個(gè)火焰輻射曲線凸起部分，其中一個(gè)是紫外段 0.28um 以下部分，另兩個(gè)分別是紅外段4.3um和2.7um附近，在這三個(gè)波段，地表上的日光輻射曲線恰好處于波谷位置。其中4.3um附近出現(xiàn)的火焰輻射波峰部分，是燃燒產(chǎn)物CO2受熱而發(fā)出的共鳴輻射發(fā)光光譜，它比其他光譜具有絕對(duì)大的輻射強(qiáng)度，此特征為火焰所特有，通常對(duì)火焰的紅外探測(cè)就是利用本波段。

圖2：火焰吸收光譜圖

三、火焰探測(cè)器的種類(lèi)和原理

根據(jù)目前消防標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和探測(cè)器的原理差別，通?；鹧嫣綔y(cè)器分為兩大類(lèi)。

第一類(lèi)是以探測(cè)火焰輻射光譜中紅紫外光為目標(biāo)的感光型火焰探測(cè)器（點(diǎn)型）。從探測(cè)器特征進(jìn)行分化，可以將其分為擴(kuò)散和預(yù)混合兩類(lèi)。

擴(kuò)散性火焰能夠在燃燒前將氧化物、燃料等進(jìn)行分離，這一燃燒過(guò)程多不充分，因此火焰顏色為黃色，而且有大量煙霧灰塵形成。生活中的火災(zāi)監(jiān)控多為擴(kuò)散型，這種火焰的主要特點(diǎn)表現(xiàn)為輻射能量始終在若干能量值中波動(dòng)，具有典型的閃爍效應(yīng)，其頻度會(huì)受外界風(fēng)速影響，基本保持 0.5-15Hz之間。

第二類(lèi)是基于模式識(shí)別技術(shù)，以識(shí)別火焰發(fā)生時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的顏色、亮度、閃爍、邊緣變化等視覺(jué)特征為目標(biāo)的圖像型火焰探測(cè)器。根據(jù)火焰燃燒所產(chǎn)生的光譜特性，目前使用的感光型火焰探測(cè)器又可分為三種。

一種是對(duì)火焰中波長(zhǎng)較短的紫外光輻射敏感的紫外探測(cè)器；

另一種是對(duì)火焰中波長(zhǎng)較長(zhǎng)的紅外光輻射敏感的紅外探測(cè)器；

第三種是同時(shí)探測(cè)火焰中紫外線和紅外線的紅紫外復(fù)合型探測(cè)器。

點(diǎn)型火焰探測(cè)器之紅外火焰探測(cè)器

紅外火焰探測(cè)器是采用熱釋電紅外傳感器為核心感應(yīng)，基于傳感器敏感元的熱釋電效應(yīng)的火焰探測(cè)技術(shù)，利用紅外熱釋電傳感器作為敏感元，接收火焰燃燒輻射的紅外線信息，并轉(zhuǎn)換成電壓信號(hào)。

知識(shí)小卡片

當(dāng)電介質(zhì)受到紅外輻射后，其內(nèi)部溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致電介質(zhì)自發(fā)極化強(qiáng)度改變，這時(shí)電介質(zhì)表面積聚的自由電荷跟不上自發(fā)極化強(qiáng)度的變化，從而產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，在外接回路中形成電荷移動(dòng)，這種現(xiàn)象稱(chēng)為電介質(zhì)的熱釋電效應(yīng)。紅外熱釋電傳感器就是基于這種原理制成的。

通常CO2共鳴式點(diǎn)型火焰探測(cè)器除了用紅外光學(xué)濾光片有選擇地接收火災(zāi)特有的紅外輻射光線，并且接收到的光強(qiáng)度達(dá)到一定閾值外，還選擇火焰的燃燒起伏頻率作為判據(jù)，所以提高了探測(cè)的可靠性。

單波段紅外火焰探測(cè)器

多數(shù)火焰都會(huì)產(chǎn)生紅外輻射，燃燒物能夠釋放大量紅外波，因此紅外探測(cè)器能夠?qū)ζ溥M(jìn)行快速準(zhǔn)確的識(shí)別。燃燒產(chǎn)物中熾熱的CO2氣體在4.3um附近有個(gè)峰值輻射波段，火焰探測(cè)器就是主要對(duì)這個(gè)峰值輻射做出響應(yīng)。這就是傳統(tǒng)的單波段紅外火焰探測(cè)器。同時(shí)一些家用電器如烤箱、暖爐等也能夠產(chǎn)生紅外輻射，并與火焰紅外光譜相重疊。因此在此類(lèi)探測(cè)器設(shè)計(jì)中，需要對(duì)上述干擾因素進(jìn)行排除。

早期此類(lèi)儀器不能屏蔽太陽(yáng)光，因此僅能在室內(nèi)使用。新型探測(cè)器裝置有多個(gè)紅外傳感器，對(duì)不同頻率的輻射源進(jìn)行探測(cè)，并將數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析，針對(duì)信號(hào)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，以排除目標(biāo)之外的干擾源?，F(xiàn)階段，單一波段傳感器已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)太陽(yáng)輻射的完全排除，性能更加穩(wěn)定。

熱釋電火焰?zhèn)鞲衅?/strong>

雙波段紅外火焰探測(cè)器

雙波段紅外火焰探測(cè)器結(jié)合了火焰檢測(cè)波段和背景參考波段兩個(gè)不同波長(zhǎng)的紅外輻射，考慮到了參考背景中存在的干擾輻射，可根據(jù)實(shí)際情況選擇使用。不過(guò)雙波段紅外火災(zāi)探測(cè)器的兩個(gè)波段的光學(xué)濾光片并不像單波段火焰探測(cè)器的濾光片要求那么狹窄和精確，對(duì)于加工的精度要求沒(méi)有單波段的高，相對(duì)成本也會(huì)低一些。

多波段紅外火焰探測(cè)器

考慮到干擾因素增加，為了保證更高的探測(cè)精準(zhǔn)度，三個(gè)或者三個(gè)以上的多波段的傳感器被選擇運(yùn)用于火焰探測(cè)技術(shù)，其中的每一個(gè)傳感器分別探測(cè)不同紅外輻射的特定波長(zhǎng)，因而更可靠地區(qū)分真正的火焰信息和其他各種熱體紅外輻射干擾。但是這對(duì)各個(gè)傳感器的輸出信號(hào)的分析處理帶來(lái)了難度。同時(shí)，由多個(gè)探測(cè)器組成的電路時(shí)滯會(huì)增大，也增加了探測(cè)器的反應(yīng)時(shí)間。

點(diǎn)型多波段紅外火焰探測(cè)技術(shù)是目前火災(zāi)及時(shí)預(yù)警的最佳方案之一，該技術(shù)通過(guò)探測(cè)火焰所發(fā)出的特征紅外線來(lái)預(yù)警火災(zāi)，比傳統(tǒng)感煙或感溫式火災(zāi)探測(cè)技術(shù)響應(yīng)速度更快，尤其在開(kāi)放式空間，提前預(yù)警時(shí)間能夠超過(guò)80%。

現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各類(lèi)儲(chǔ)油設(shè)施、大型倉(cāng)庫(kù)等場(chǎng)所，成為石油、化工、造紙、冶煉、核電站等火災(zāi)高危領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)配置，同時(shí)也在高端住宅、商業(yè)、普通工業(yè)等領(lǐng)域逐漸得到普及，為人們生命財(cái)產(chǎn)安全提供更多保障。