（工程热物理专业论文）光声火灾气体探测研究.pdf

塑垦一! 摘要 f 随着人类文明的进步和科学技术的迅速发展，火灾防治已从被动的火灾扑 救发展到主动的去探测预防。对火灾进行及时有效的监测报警，是实现乒期灭 火和为人员疏散争取充裕的时间、保护人民生命财产安全的需要。1 本文总结分析了火灾探测技术的发展和现状后，针对火灾探测所要求的更 高灵敏性与更可靠的报警的需求，选择火灾气体产物作为火灾探测的主要特征 之一与其他技术相比较，在大多数情况下更适合于早期探测，且在抗干扰方面 更具有优势。同时对气体传感技术进行考察，确定光声谱作为痕量气体检测的 成熟技术有其独特的优点，应用于早期火灾产生的微量气体的探测非常适合， 并取得了一定的成果。 以基本的火灾实验数据和有关气体特性数据为依据，确立了以c o 和c 0 2 作为早期火灾探测的标示性气体，分析c o 和c 0 2 可探测的特征参数并结合气 体的光声效应，指出火灾气体探测应采用低频小腔的非谐振式光声探测腔室。 本文重点研究了单一气体的光声火灾气体探测系统设计方法。根据火灾探 测的特点对c o 和c 0 2 的特征吸收光谱进行了有效的筛选确定。陈统分析了光 学组件对光声气体火灾探测的影响，通过综合考虑适用于火灾气体探测的光声 测量要求，设计出了外置气体测量腔与密闭气体腔相组合的新型光声气体腔室 的系统方案，该腔室设计有效解决了低频非谐振式信号响应提高和常规测量腔 对光源严格带通滤波的要求。从理论研究了探测系统调制频率与输出信号、输 出信号与探测腔室直径和长度的关系模型，为优化选择尺寸设计与调制频率提 供了理论依据。，结合众多学者的研究成果，分析了不同火灾类型和各种干扰源 中的c o 和c 0 2 的相关情况，进一步阐述了光声火灾c o c 0 2 复合气体探测的 方案，并探讨了其火灾报警的识别模型。 ， 通过实验台架的设计和组建，验证了理论计算出的最佳响应信号的 率、最佳吸收路径长度和前端探测各部分的相对位置等设计参数的合理 木材、聚氨酯泡沫塑料、棉绳、酒精作为实验的可燃物，利用设计的火 探测系统对各种可燃物的c o 和c 0 2 相对浓度随时间的变化进行了小功率火灾 的实验。 关键词：火灾探测，火灾气体，光声效应，调制频率，吸收路径，复合探测 塑茎 一! 一 a b s t r a c t c o n v e n t i o n a lf i r ed e t e c t o r sa r eb a s e do ns e n s i n gt e c h n i q u e sw h i c hm e a s u r et h ep h y s i c a le f f e c t s o f af i r es u c ha st h ei n c r e a s ei nt e m p e r a t u r ea n dp a r t i c l ed e n s i t y t h em e a s u r e m e n to f o n e o rm o r e p h y s i c a lp a r a m e t e r si s n o ta l w a y ss u f f i c i e n tf o re a r l ya n dr e l i a b l ef i r ed e t e c t i o n t h e r e f o r e ，s o m e y e a r sa g ot h ei d e ae m e r g e do fd e t e c t i n gt h eg a s e sr e l e a s e di nt h ec h e m i c a lr e a c t i o n sd u r i n gt h e c o m b u s t i o np r o c e s st oe n h a n c ed e t e c t i o ne f f i c i e n c yf o rf i r e sw h i c ha r eh a r d l yd e t e c t a b l ew h e n m e a s u r i n go n l yp h y s i c a lp a r a m e t e r s r e l i a b l ed e t e c t i o nt e c h n i q u e sf o rs p e c i f i cg a s e sa r em o r e c o m p l i c a t e dt h a nf o rt h em e a s u r e m e n to f t e m p e r a t u r ea n d s m o k e d e n s i t y t h e r e f o r e ，g a sd e t e c t i o n w a sn o tas e r i o u st o p i cf o rf i r ed e t e c t i o nf o rs e v e r a l y e a r s c oi so n eo ft h em o s tc o m m o nf i r ep r o d u c t s i ti s ，t h e r e f o r e ，n a t u r a lt oa s s u m et h a taf i r e d e t e c t o rb a s e do nac os e n s o rc o u l dm a k eau s e f u lc o n t r i b u t i o nt od e t e c t i n gt h ef i r e f u r t h e rm o r e ， a c c o r d i n g a st h ef i r ep r o c e s s ，c oa n dc 0 2a r et h eb e t t e rt a r g e tg a st od e t e c tf i r e t h eg a sa n a l y s i st e c h n i q u eb a s e do np h o t o a c o u s t i cp r i n c i p l eh a sa l r e a d yb e e nu s e dw i t hg r e a t s u c c e s s t h et e c h n i c a lr e q u i r e m e n t sf o rt h es e n s i n go ff i r eg a s e sa r eq u i t ed i f f e r e n tt ot h o s ef o rt h e a n a l y s i n go fg a s e si nl a b o r a t o r y i nt h i sp a p e r u s eo f t h i st e c h n i q u et od e t e c tc oa n dc 0 2f o rf i r e w a r n i n gi sd i s c u s s e d t h ep r i n c i p l eo fp h o t o a c o u s t i cg a sd e t e c t i o ni sb a s e do nt h em e a s u r e m e n to ft h ep r e s s u r e v a r i a t i o ng e n e r a t e di nac a v i t yb ys e l e c t i v ea b s o r p t i o no f i n f r a r e d ( i r ) r a d i a t i o n t h eg a ss e n s o ri s i n t e g r a t e di nas m a l lm o d u l ew h i c hi n c l u d e sa ni rs o u r c e ，ag a sc a v i t ya n dam i c r o p h o n e i na c o n v e n t i o n a lp h o t o a c o u s t i cs e n s o r ，t h eg a st ob ea n a l y z e di sp u m p e di n t oa na b s o r p t i o nc h a m b e r t h a ti ss e a l e dw i t hm e c h a n i c a lv a l v e s d u r i n gt h e m e a s u r e m e n t t h ec e l li si r r a d i a t e dw i t h m o d u l a t e di rl i g h tf i l t e r e da tt h ew a v e l e n g t h sa tw h i c ht h ec oa n dc 0 2o fi n t e r e s ta b s o r b s t r o n 9 1y i nt h i sp a p e r ，t h er e a l i z a t i o nw i t hd e s i g nc o n s i d e r a t i o n so fam i n i a t u r ep h o t o a o u s t i cs e n s o ri s p r e s e n t e d t h i ss e n s o rc a nm e a s u r ec o o rc 0 2c o n c e n t r a t i o n sw i t hav e r yg o o ds e l e c t i v i t yt o o t h e rg a s e st h em e a s u r e ds i g n a la g r e e sr e a s o n a b l yw e l lw i t ht h eo n ep r e d i c t e db yap h y s i c a l m o d e l w ea l s od i s c u s st h el i m i t so f m i n i a t u r i z a t o no f t h ed e t e c t o ra n dt h es i z eo f t h ec a v i t yo f t h e s e n s o r i nt h i ss e n s o rt h ea b s o r p t i o nc e l li s p r e f i l l e dw i t ht h ea c t u a lt a r g e tg a sa n ds e a l e d w h e n m o d u l a t e di rl i g h ti sp a s s e di n t ot h ea b s o r p t i o nc e l l ，ap h o t o a c o n s t i cp r e s s u r es i g n a li sg e n e r a t e d i ft h et a r g e tg a si si n t r o d u c e di nt h ea b s o r p t i o np a t ho u t s i d et h ec e l l ，ar e d u c t i o no ft h ec e l l p r e s s u r es i g n a li so b s e r v e d t h i sr e d u c t i o ni sn e a r l yp r o p o r t i o n a lt ot h ec o n c e n t r a t i o no f t a r g e tg a s i nt h ea b s o r p t i o np a t h i nt h i sw a y , ah i g hs e l e c t i v i t yc a nb eo b t a i n e dw i t h o u tt h eu s eo fa n y a d d i t i o n a lo p t i c a lf i l t e r i n g t h eg a si n s i d et h ea b s o r p t i o nc e l la c t sa san a r r o wb a n ds e l e c t i v ef i l t e r i t s e l f a n o t h e ri m p o r t a n tp o i n ti st h a ti nac o n v e n t i o n a lp h o t o a c o u s t i cs e n s o rt h et e s tg a sh a st ob e c o n t i n u o u s l yp u m p e d i n t oa n do u to f t ot h ea b s o r p t i o nc e l l i nt h ec o n c e p t d e v e l o p e di nt h i sw o r k u om e c h a n i c a lp u m po rv a l v e sa r er e q u i r e d a s y s t e mc o n s i s t i n go f t w os e a l e dc e l lo n ef o rd e t e c i n gc og a sa n dt h eo t h e rf o rd e t e c i n gc 0 2 g a sh a sb e e nu s e dt o d e t e r m i n ef i r e am o r es o p h i s t i c a t e da p p r o a c hu s i n gt h r e s h o l d c o n c e n t r a t i o n sa n dr a t e so f r i s eo f c oi sa l s oa c h i e v e d t h ee x p e d m e n t a ld a t a p r e s e n t e d i nt h i sp a p e rs h o w st h a tas y s t e mo f p h o t o a o u s t i cg a ss e n s o r si sc a p a b l eo fd e t e c t i n gf i r e sa n d d i s c r i m i n a t i n gb e t w e e nf l a m i n gf i r e s ，s m o l d e r i n gf i r e sa n dn u i s a n c es o u r c e s k e y w o r d s ：f i r ed e t e c t i o n ，p h o t o a c o u s t i c ，m o d u l a t e df r e q u e n c y ，a b s o r p t i o n p a t h ，m u l t i s e n s i n g 塾塑旦 致谢 本文是在导师范维澄院士和袁宏永教授的悉心指导之下完成的。范老师渊 博的学识，深邃的见解，精益求精的治学态度给我以深刻的印象，永远是我学 习的榜样。袁老师对事物具有极敏锐的洞察力以及创新精神，他的耐心教诲将 使我受益终生，对我生活的关心更使我深深的感动，并铭刻在心。值此论文脱 稿之际，谨将最崇高的敬意和最诚挚的谢意献给我的导师范维澄院士和袁宏永 教授。 在中国科学技术大学九年的学习生活，使我有机会接受王清安教授、陈义 良教授、程曙霞教授、霍然教授等多位老师的教诲和指导。老师们的悉心教导 使我在实验技能、理论分析、数值计算等方面的能力得以不断地提高。借此机 会向各位老师表示衷心的感谢。 感谢刘申友老师、吴龙标老师，他们在工作中向我传授各种技能，并在生 活等方面给我以关心。 感谢师弟刘勇以及刘炳海、陈涛、疏学明、赵建华、谢辉、邓志华、宋虎、 王浩波等众多师兄弟给我提供的诸多帮助。 感谢郝绿原老师，他在本文的初期实验工作中向我提供了很多帮助和热情 指导，在和郝绿原老师的讨论中，受益良多。 感谢中国科学院知识创新工程方向性项目( k g c x 2 3 0 8 1 ) 对本文工作的 支持。 感谢家乡的父母、亲人、老师和朋友，是他们多年来的理解和支持，才使 本人能够顺利地完成学业。 最后，我特别要感谢我的妻子武晓燕，她给予了我生活和事业上无微不至 的关心与帮助，一个温馨幸福的家庭，是个人成功的基础和保证。 笙二童堕笙j 第章绪论 火灾是一种在时空上失去控制的燃烧所引发的灾害。它造成人员伤亡、财产 损失、环境污染甚至生态失衡。正是由于它的危害性，所以必须进行及时有效的 监测，并给出准确的报警，从而力图实现早期灭火并为人员疏散争取充裕的时间， 保护人民生命财产的安全。 随着经济建设的快速发展，城市规模的不断扩大，物质财富和人口的相对集 中，新能源、新材料、新设备的广泛开发利用，火灾的不确定性和发生概率不断 增加。从近年来影响较大的恶性火灾的发生原因来看，火灾的诱发因素复杂多样， 其突发性和频繁性无法简单归咎于对火的应用和对燃烧的利用，防止火灾发生、 减少火灾损失面临越来越复杂的环境和课题。 随着人类文明的进步和科学技术的迅速发展，火灾防治已从被动的火灾扑救 发展到主动的去探测预防。为了实现更早期的探测到火灾的发生，通过几十年的 探索和努力，火灾探测报警领域也发生了巨大变化，同时也提出了新的课题：如 何进一步提前火灾探测报警时间，为及时采取有效措施，减少人员伤亡提供宝贵 时间：如何进一步提高火灾探测报警的可靠性，为实现火灾探测与扑救的自动化 和无人值守创造有利条件。 火灾探测报警的灵敏性和可靠性同时提高是火灾探测科技工作者需要解决 的课题，它需要我们在充分掌握火灾早期特性和火灾初期发展规律的基础上，利 用合适的技术手段，研究更合理的火灾探测思想、理论和方法，形成更加有效的 火灾探测技术【3 1 , 7 8 , 9 8 。 1 1 火灾探测技术的发展及现状 根据目前火灾探测的发展，结合相关文献对火灾气体探测的描述，在本论文 全面展开讨论之前，为了论述方便，对以下容易混淆或会引起误解的名词给出释 义，可能与其他文献中的定义或说明有不一致的地方，但对本文系统阐述研究过 程而言，这种解释是必要的。 火灾烟气：可燃物热解和燃烧所产生的、弥漫在大气中的全部产物，包括气相产 物、液相及固相颗粒、不同络合物的有机分子团、自由基团等。 火灾烟雾：单指燃烧产物中颗粒相和冷凝相组分。 第一章绪论 2 火灾气体：主要指火焰区以外的气相产物。 感烟火灾探测：利用传感元件对火灾烟雾固体颗粒进行感受，将其转换为另一种 易于处理的物理量，并依据一定的算法和逻辑，进行火灾发生与否的判别。 火灾气体探测：利用传感元件对火灾中的气体产物进行感受，将其转换为另一种 易于处理的物理量，并依据一定的算法和逻辑，进行火灾发生与否的判别。 1 1 1 火灾探测技术的发展史 1 8 4 7 年美国牙科医生c h a r m i n g 缅因大学教授f a r m e r 研究出了世界上第一台 用于城镇火灾报警的发送装置，1 8 9 0 年英国研制成功了第一个感温式火灾探测 器，从此，人类开创了火灾自动探测报警技术的新纪元。一百五十多年来，在世 界科学技术迅猛发展的浪潮中，火灾探测技术也相应的迅猛发展，基于各种火灾 识别模式的火灾探测器相继问世，并日臻完善。 从1 9 世纪4 0 年代至2 0 世纪4 0 年代，漫长的一百年中，感温探测器一直处 于主导地位，其灵敏度比较低，探测火灾的速度比较慢，尤其是对阴燃火不响应。 最初，这样的感温火灾探测系统主要被应用于军事用途。由于当时国际环境的影 响，军事上的应用是刺激火灾探测技术发展的一个很自然的原因。之后，离子探 测室的发展、电子技术的发展、探测技术从军用转向民用和保险业降低风险的要 求使得火灾探测技术开始了更深远的发展。到2 0 世纪5 0 年代，瑞士物理学家 e m s t m e i l i 制造出了现代离子感烟探测器的雏形，感烟探测技术使人类早期火灾 探测技术向前迈进了一大步。 观察火灾探测技术早期发展的历史，火灾科学研究的最初源动力并非是建筑 业，而是国防、自动推进技术和航空工业。火灾探测和扑救技术并不在当时的研 究人员的视野之内，不过火灾探测技术却借此得到了发展。 离子探测器的出现之后，感温探测器被排挤到了次要地位，到1 9 7 0 年，离 子探测器已经在欧洲安装了近百万只。迄今，它仍占已安装火灾探测器的9 0 ， 离子探测器以绝对的优势统治了3 0 年之久。 在此期间人们也在研究光电感烟技术，只是苦于种种工艺技术原因不能得到 实际应用。2 0 世纪7 0 年代末，高寿命的光电元件技术取得突破，光电感烟探测 器应运而生。尽管离子感烟和光电感烟各有千秋，且有一定的互补性( 如离子感 箜二童丝笙二 烟对阴燃响应较慢，光电感烟却对粒径小于0 4 “m 的不可见烟不响应) ，但国外 却一直致力于研究发展光电感烟探测器，并取得长足进展。在瑞士和日本，它的 销售量已经占到9 0 ，欧洲也在大幅度减少离子感烟探测器，在我国，也呈现着 这种趋势。 2 0 世纪8 0 年代后，火灾探测技术与其他技术开始了更广泛的交叉和结合， 探测智能、监控智能和抗干扰算法在火灾探测技术中的应用，使火灾探测技术进 入了一个全新的发展时期，与传感技术、信号处理技术、人工智能技术和自动控 制技术更紧密的联系在一起，火灾探测算法在改进探测系统性能上的作用也日益 突, q 4 , 3 1 , 8 4 。 1 1 2 火灾探测技术的现状和新兴技术 如今，火灾探测技术得到了前所未有的广泛应用。在发达国家，火灾探测器 几乎无处不在，从民居、写字楼到工业设施、政府机构和运输系统随处可见火灾 探测器的身影。在美国，甚至只要花5 美元就可以从五金商店买到感烟火灾探测 器。 火灾探测的任务是，除了要针对火灾中表征出来的物理特征做出感受外，还 要根据这种感受做出火灾是否发生的准确判断。 表1 1 1 火灾的物理特征 现象火灾 形式质量流形式( 接触式)能量流形式( 非接触式) 类型挥发物及其燃烧产物 声音辐射 物理状态气态固态 声波辐射 物理表现可燃气体燃烧气体 烟颗粒气溶胶燃烧音火焰光 运动速度扩散速度声速光速 物理量 浓浓温浓温电消离频压辐光闪 度 度度度度荷光子 盛 力射谱动 由于火灾发生在一定的环境之中，因此，它所表现出来的所有物理特征， 在环境中必然会有所体现。尽管无法知道火灾将在何时何地发生，但是，在相关 第一章绪论 4 的环境中，能对其进行监测。火灾的这种环境特性是进行火灾探测的充分条件。 探测技术与火灾物理特征的相互耦合是火灾探测的必要条件。技术与现象耦合有 着两个层次的内容：第一层次是针对某一( 些) 物理特征，采用何种探测方法， 亦即探测原理的讨论；第二层次是这种探测方法所构成的技术在环境中如何有效 使用，才能及时准确地探测火灾，亦即使用方法的讨论。 根据火灾的物理特征，人们已经利用数十种物理量转换效应作为火灾探测原 理，并研制开发出相应的火灾探测器，如表1 1 2 所列。这些火灾探测器可分为： 感温型、感烟型、感光型、气敏型和感声型五大类型。针对这些物理特征而构成 的具体探测技术，又可形成八个种类( 见图1 1 1 ) 7 1 , 7 2 , 8 4 j 。 表1 1 2 火灾探测原理及探测技术实质 现象火灾 类型质量流能量流 物理 表现 可燃气体、燃烧气体烟颗粒气溶胶火焰光燃烧音 监测气体 气体及烟雾温度 电荷 光效应 离子辐射辐射 对象浓度效应光强光谱 声波 探测气电热胀相变热电电荷减光魄教射离子热电光电压电电磁 原理效应冷缩效应效应电流效应l 效应电流效应效应效应效应 技术 气敏型感温型感烟型感光型感声型 分类 探测可燃燃烧空气熔双热半静 光光图离红 紫图次超 器气体气体气膜丝金电导电电束像子外外像 由 声 类型型型管型型属偶体型型型型型型型型型型 探测还原c o电荷 温度及其变化微粒高温发光压力波动 实质气体c 0 2微粒 误报钢铁环境高电焊 因素生产 ，温度湿度灰尘水蒸汽太阳光 电风扇 空调 举例环境改变环境高温体 笙二皇鱼笙三 图1 1 1对应于火灾现象的火灾探测器种类 为了更好的了解各类火灾探测器的效能，这里对当前主要的火灾探测技术进 行了总结，从其基本原理出发，分析其使用时的适用范围。 ( 一) 感烟探测技术 这是种响应燃烧或热解产生的烟雾粒子的火灾探测技术，主要用来探测可见 或不可见的燃烧产物及起火速度缓慢的初期火灾。可分为离子型、光电型、激光 型、红外光束型和图像型等。 离子感烟探测器是通过相当于烟敏电阻的电离室引起的电压变化来感知烟 雾粒子的微电流变化装置。它利用镅2 4 1 ( 2 4 1 h r n ) a 放射源使得电离室空气电离， 当烟雾粒子进入，其吸附作用增加了正、负离子的复合几率，且烟雾粒子的阻挡 降低了a 射线的电离能力，改变了电离室空气的电离状态，从而宏观表现为电离 室的等效电阻增加引起电离室两端的电压增大。 常用的点型离子感烟探测器具有检测电离室和补偿电离室双室结构，目的是 通过取相对变化量以减少环境因素带来的干扰。其响应阀值与烟雾气溶胶的平均 粒径和浓度有关，由控制软件设定，其中可对响应阀值进行自动浮动的设计，以 减少漂移和干扰的影响，对环境温度、湿度、风速、污染等环境状态变化实施补 偿。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 第一章绪论 6 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l p m 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。 光电感烟是应用烟雾粒子与光的相互作用包括散射和吸收等原理而进行火 灾探测的。粒子以同样波长再辐射已经接受的能量的过程称为散射，散射可在任 何方向上发生，不同方向上散射强度不同；辐射能转变成热能、化学反应能或不 同波长的辐射等其它形式能的过程称为吸收。在可见光和近红外光谱范围内，对 于黑色烟，光衰减以吸收为主，对于灰白色烟雾，则主要以散射作用为主。红外 光经粒子散射或吸收后通过光敏元件转换为电信号，经放大检波后的直流电平模 拟了辐射通量的大小。其响应阀值与烟粒子浓度、粒径、散射角、复折射率等因 素有关。根据传感手段和结构型式等可分为点型、线型、吸气和图像式等几种类 型。 点型光电感烟探测器光电室含有一个红外光源和一个光敏器件，光电接收器 接收红外光在粒子表面的散射光。光源通常发出脉冲光束，保证探测器低功耗工 作状态。探测室为暗室结构，有的探测室设计采用光学黑洞结构作为消光器件， 黑体桶套在黑锥体上，光束从锥尖方位进入黑体桶，光子不能从洞口处逃出。激 光具有普通光源所无法比拟的许多优点，即高度的方向性、单色性、相干性、高 亮度、超短脉冲和可调谐性等。将激光作为入射光源引入火灾探测技术，发展出 点型激光感烟探测器，其灵敏度为目前红外光电感烟探测器的5 0 倍。激光点型 探测器内的激光二极管与组合透镜在接收器附近将光束聚焦，烟粒子在窄光束内 散射光强，且设计了特殊的反光镜，使得大部分散射光汇聚到光敏元件，因此其 比传统光电感烟探测器灵敏得多。由于光电室内的光学距离仅为2 0 m m 2 5 r a m ， 限制了透射光衰减探测原理的采用。光源强度过大会影响光敏元件的寿命，过小 则无法保证灵敏度，所以点型减光探测器并没有得到真正应用。 线型光束感烟探测器采用透射光束衰减探测原理，烟粒子沿其敏感路径遮蔽 红外光线时，通过监测透射光强衰减低于预值来判断有无烟雾。烟粒子不必进入 点型光电感烟探测器的采样室中，在保护空间任何地点上的烟粒子都可能使红外 茎二童堕丝 一二 光束衰减。光束探测器在长达1 0 0 米的标准距离内工作，保护一个无遮蔽的直线 区域，在整个工作距离上保证对火灾具有相同的灵敏度，实现火灾探测。 常见的线型光束感烟探测器结构分为对射式光束感烟与反射式光束感烟。反 射式光束感烟探测器由反射镜和一含有发射器、接收器集成装置组成，该探测器 使用红外光束探测烟雾。只需一个探测单元，减少成本和调试时间，且由于发射 器与接收器集成在一起，可以实现漂移自动补偿功能，取相对变化量。反射式光 束感烟探测器最大探测距离是5 0 m 。一般建筑中广泛使用顶棚安装的点型光电感 烟探测器，高度通常在6 m 以下，线型光电感烟由于保护直线区域，火灾发生后 探测器响应慢。对于高大空间内，火灾发生后尽管烟羽流通常随温度上升而使扩 散的规模增大，但烟雾受空间和面积的影响，烟密度随高度增加而减少，普通线 型光束感烟不能实现早期报警的需求，尤其有部分或随机遮挡和环境干扰时，容 易发生误报。中国科技大学火灾科学国家重点实验室完成的成果光截面图像感烟 系统，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，可排除偶发误报因素。 空气采样技术通过与气泵装置相连接的管道抽取被保护空间的空气样本到 中心检测室，使得探测方式突破了被动式感知火灾烟气参数特性的局面，主动进 行空气采样，以期实现快速、动态地识别热解或燃烧生成的烟雾粒子。空气采样 技术7 0 年代中期由澳大利亚首先应用到火灾烟雾探测领域。普通的空气采样式感 烟火灾探测系统，是在吸气管道中加装普通点型感烟火灾探测器或采用相似的传 感器作为烟粒子探测器，其烟雾探测原理与普通点型感烟控制器相同。目前先进 的高灵敏度空气采样式感烟火灾控制报警系统，结合了激光图像感烟技术等多种 先进技术。 基于片光源的激光图像感烟技术。c c d 成像系统的使用扩大受光元件的面 积，且可接收多角度散射，然后对采集的图像进行图像处理和信息处理，以实现 高灵敏度火灾探测。线型激光图像感烟技术由于光束的厚度造成采集图像中光斑 叠加现象严重，影响了图像处理的可行性与精确性。因此将流场测速的d p i v 方 第一章绪论 8 法引入烟雾探测系统，采用柱面镜将入射窄光束展成片光源，实现火灾信号面阵 化和接收器面阵化的统一，将激光图象火灾探测从一维烟颗粒图象发展成为两维 图象，丰富了采集信号特征，利用火灾烟雾在片光源中成像特征，通过对火灾烟 雾片光源图像的处理，进行纹理分析、复杂度计算、统计分析，计算并标定火灾 烟雾的粒径分布、密度分布等参数，进行火灾和非火灾的模式识别，以期实现高 灵敏度、稳健的火灾报警。 ( 二) 感温探测技术 这是一种利用热敏元件来探测火灾发生的技术。在火灾发生后，一方面有大 量烟雾产生，另一方面物质在燃烧过程中释放出大量的热量，使周围环境温度急 剧上升。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。可以根据温度的异常、温升速率和温 差现象来探测火灾的发生。对那些经常存在大量粉尘、烟雾及水蒸汽而无法使用 感烟探测器的场所，使用感温火灾探测器较为合适。有时，为了提高自动灭火系 统动作的可靠性，也有同时使用感烟和感温两种探测器的。 感温火灾探测器种类繁多，根据其感热效果和结构型式可分为定温式、差温 式及差定温组合式三类。定温式是温度达到或超过预定值时即能响应的火灾探测 器，其主要特点是有较高的可靠性和稳定性，保养维修方便，但灵敏度较低，根 据其工作原理不同，可分为双金属定温、易熔合金定温、热敏电阻定温、玻璃球 定温、缆式线型感温。差温式是升温速率超过预定值时就能响应的火灾探测器。 根据其工作原理，可分为双金属差温、热敏电阻差温、膜盒差温、半导体差温、 空气管线型差温。差定温式综合了差温式和定温式两种作用原理，使探测器更可 靠稳定。 ( 三) 感光火灾探测技术 它是响应火焰辐射出的红外紫外及可见光的火灾探测技术。目前主要有红外 感光火灾探测器和紫外感光火灾探测器，以及融合后的双波长和三波长感光火灾 探测器，还有采用c c d 成像器件的双波段火灾探测器。 红外感光火灾探测器的特点是，由于红外光谱的波长较长，烟雾对其吸收和 衰减远比波长较短的紫外光及可见光为弱，因此，在有大量烟雾的火场，距火焰 一定距离内仍可使红外光敏元件感应。通常用于监视易燃区域的火灾发生，特别 第一章绪论 9 是用于没有阴燃阶段的燃料火灾的早期探测，如醇类、汽油等易燃液体仓库等。 紫外感光火灾探测器的特点是，当有机化合物燃烧时，能辐射出波长为 2 5 0 0 3 5 0 0 埃的强烈紫外光，火焰温度越高，其紫外光辐射的强度也越高。因此 对于易燃物质火灾，利用火焰产生的紫外辐射来探测火焰是十分有效的。紫外火 焰探测器对强烈的紫外辐射响应时间短，最少可达2 5 毫秒。此外，他还不受风 雨及高气温等影响，不仅能在室内、也能在室外使用，适用于飞机库、油井、输 油站( 管) 、可燃气罐和液罐，易燃易爆物品仓库等。 为了提高感火焰火灾探测器的稳定性以及探测距离，针对大空间火灾探测中 普遍存在的技术难题，即火灾的误报、漏报和报警延误，图像方式的双波段火焰 探测技术采用面阵c c d 彩色、红外摄象机作为探测元件，从而极大地提高了探测 距离，同时由于图象信息丰富，通过对火灾的热、色、形、光谱及运动特性的研 究，可实现多参量探测和发展综合判据，根据火灾在燃烧过程中的光谱特性、色 度特性、纹理特性、运动特性、频谱特性以及烟雾运动特性，将这些特性模型化、 工程化，形成计算机可执行的火灾识别判据，由计算机进行火灾有无的判别。 ( 四) 感声火灾探测技术 燃烧时火源周围要产生从我们可以听得到的“辟啪”声音，到我们听不到的 具有低频域和超声频域广范围频率成分的声音。经过对可昕域、超低频域和超声 频域频率成分的实验、分析，发现低频率的声音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扩大而增加。与其它频域的声音不同，其产生完全不 受燃烧种类、周围温度、湿度等环境影响。从而确认捕捉该超低频域成分的方法 最有效，并在其基础上开发了通过捕捉燃烧时产生的低频域音频强度增加而探测 火灾的装置。从迄今的实验结果已经确认利用燃烧声音完全得到了作为探测器的 效果。而且由于组合了可检测风和振动功能作为防误报措施，因此该装置也具备 了可同时捕捉有无地震和人员等的多功能传感器的可能性，但还要提高装置的精 确性，达到实用化。 综合以上介绍我们可以看出，各种火灾探测技术都有其适用范围，且存在一 些固有的问题。现今火灾探测研究的焦点是如何量化探测器所处的火灾月e 火灾 环境，更早更可靠的给出火灾危险信号，其发展主要有两个方向： ( 1 ) 纵向延伸：发展新的传感技术、新的火灾识别模式、火灾判据和基于此 第一章绪论 1 0 的火灾探测器或复合探测器； ( 2 ) 横向延伸：基于现有的探测原理方法，与其它技术交叉，通过改进信号 采集和处理方法来改善系统性能。 具体的研究热点集中在气体探测和复合探测两个主要方向，并且越来越多的 研究表明，火灾气体探测在多参量复合探测中将扮演越来越重要的角色。 正如上面所提到的，人们较早的就把气敏传感技术发展成气体探测器应用于 火灾监测领域，但绝大多数都是针对可燃气体而不是火灾气体产物：另一方面， 根据特定气体的可靠探测技术比感温感烟的技术要复杂且昂贵，因此这种技术一 直处于可望而不可及的境地。近年，气体传感技术有了长足进步，气体探测技术 正面临着一个蓬勃的发展机遇，在a u b e 9 9 第1 1 届火灾自动探测国际学术讨 论会上，6 8 篇论文中，有1 4 篇论文涉及气体探测，其中主要是c o 探测【1 8 , 1 9 , 2 4 , 7 6 。 1 2 火灾气体探测 火灾气体产物作为火灾探测的主要特征之一，有其固有的优点，概括起来说 与其他技术相比较在大多数情况下更适合于早期探测，且在抗干扰方面更具有优 势，所以针对火灾探测所追求的更高灵敏性与更可靠的报警，受到火灾早期探测 科技工作者的广泛重视。 火灾产生的烟气实际上是燃烧产物与燃烧卷吸进来空气的混合物，因此在火 灾功率并不是很大的情况下( 早期火灾和火灾初期其功率 1 0 0 k w ) ，烟气混合了 大量常温空气之后，温度并不会很高，烟气在上升的过程中，受到空气的稀释， 温度和浓度都大大降低，热浮力受到进一步减弱，其上升速度大大减慢，升不到 顶棚便开始向四周蔓延，并缓慢沉降。所以烟雾颗粒无法到达探测器安装部位， 感烟技术对于早期的火灾探测有一定障碍；而失去了携带高温的火灾烟雾，感温 探测器更无法胜任早期探测的任务：需要火灾发展到具有一定规模的感火焰或感 知燃烧时的燃烧音的探测方式，显然也不适合于初期阴燃或者早期热解阶段的探 测。 然而在火灾发生的更早期对火灾隐患进行探测报警在今天却有着越来越广 泛的需求。例如一些特殊的重要场所，如计算机房、电力调度中心、邮电通信枢 纽、图文档案信息管所、半导体生产车间、核电站等，在国民经济生产和社会生 第一章绪论 活中起着至关重要的作用。在这些场所内的各种电气、电子设备、仪器仪表高度 集中且处于长期运行状态，电气设备过载、过热、短路的火灾隐患较多，而火灾 孕育期和初期，产生的热量很少，火灾产物也很少，所以要求必须在火灾萌发期 给出报警信号。 不同于火灾烟气中的烟雾颗粒，火灾所产生的气体需要更少的热量驱动就可 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，就能非常容易的 扩散上升，这对于火灾探测器的布置和在较早的时间捕捉到火灾发生信息非常重 要。对于大多数火灾发生的情况，图1 2 1 可以示意性的说明气体探测适合于火 灾早期的报警【1 8 。 图1 2 1大多数场合下火灾探测与火灾早期发展的对应关系 另一方面，火灾环境中温度及各种化学组分浓度的变化依赖于热量和燃烧产 物组分的生成速率、燃烧所需空气的供应速率、以及燃烧产物与空气的混合过程 等。火灾严重性和消防措施有效性的评判均以火灾过程的某一特定时期内或在环 境中的气体温度和特定组分浓度为依据，因此，了解火灾中热量和主要燃烧产物 组分及其浓度和生成速率是十分必要的。 许多实验表明，在一定条件下，燃烧产物组分的生成速率正比于可燃物的燃 烧速率或热解速率，如图1 2 2 所示。具体估算重要气体组分的浓度和生成速率 第一章绪论 1 2 以及其与火灾探测逻辑之间的关系在第四章中更详细地论述，这里给出火灾中出 现的一些气体 2 4 , 7 8 】。 表1 2 1火灾中的一些典型气体 火灾中可能出现环境中最大允许致人麻木极限浓致人死亡极限浓 的部分气体浓度( p p m )度( 或p p m )度( 或p p m ) c 0 2 5 0 0 03 2 0 c o5 02 0 0 01 3 0 0 0 h c n1 02 0 02 7 0 h 2 s1 0 l o o o 2 0 0 0 h c l51 0 0 013 0 0 2 0 0 0 n h 35 03 0 0 05 0 0 0 10 0 0 0 h f3 s 0 254 0 0 5 0 0 c 1 21 1 0 0 0 n 0 252 4 0 7 7 5 注：致人麻木极限浓度表示火灾疏散条件下所允许的最低限度；致人死亡极限浓度表示短时 间内致人死亡剂量。 除了在相应的储存或生产等特殊区域，大多数场所中这些气体在空气中的含 量都非常低，远低于表中给出的环境中最大的允许浓度，所以把这些气体中典型 而又在火灾中均会出现的气体作为火灾发生与否的判别依据，可以使探测器达到 对环境中各种干扰因素免疫的能力，所以在火灾探测器中采用气体特征作为基本 参数之一可以大大减少误报的发生。 尽管经过半个世纪的发展，火灾探测技术仍需要完善，早期报警和减少误报 与漏报始终是问题的焦点。可以说，火灾气体探测是早期预警的需要，也是可靠 报警的需要。 火灾中气体产物表现出三种形式的物理特征：气体特征谱、气体浓度和气体 温度。对于气体温度，由于气体质量轻，因此随着气体的扩散流动，其温度会迅 速下降。所以，针对气态燃烧产物温度发展火灾探测技术是不合适的。绝大多数 气体探测器都是针对气体浓度进行探测的，但都存在一些问题，例如【7 , 3 2 , 8 5 , 8 8 , 9 0 ： 第一章绪论 1 3 利用仿生b i o m i m e t i c 原理进行c o 的探测( g e l - c o a t e dd i s c sd a r k e ni nt h ep r e s e n c e o f c o ) ，一般温度和湿度过高或过低会导致误报警、自身复位判断缓慢导致积累 误报、需要每隔4 8 小时复位、寿命仅2 年；电化学方法e l e c t r o c h e m i c a 价格高、 寿命仅2 年、无法预知其是否失效：金属半导体氧化物m e t a lo x i d es e m i c o n d u c t o r ( m o s ) 需加热非本质安全、气体( 成熟的果类) 干扰报警、潮湿其失效退化、长时 间后敏感度下降、不能探测低于6 0 p p m 的气体：光谱吸收i r 方法分辨率有待于 提高、光电探测器长时间光照下退化：接触反应c a t a l y t i cb e a d 需要高温加热非本 质安全、针对可燃气体进行探测、无选择性；超声u l t r a s o n i c 方式只应用于泄露 或释放检测；光电离p h o t o i o n i z a t i o nd e t e c t ( p i d ) 针对有机化合物的检测。 以上介绍的各种方法中，红外光谱吸收则利用了气体特征谱( 即气体对特征 波长的吸收) 来给