（生物医学工程专业论文）电子鼻系统在电气火灾检测中的应用.pdf

渐江大学硕士论文 a b s t r a c t t h i sd 迟s e n a t i o np f e s e i 她a ne l e c t r i cf i r ed c t e c t i n gm o d e la n dan e wi n t e l l i g e i 吐 a r i t h m e t i ct h a tg i v e saf i r cp r e d i c t i o np r o b a b i l i t yo nt l l eb a s eo fn e u r a ln e t w o r k 孤d f u z z v1 0 9 i ci n f e r c n c ea n di n t n ) d u san e wm e t l i o dt od e t e c tt h ee l e c t r i cf i r e ， i t a n a l v s e st h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h eg a ss e n s 0 lt h i sn e wc o m b i n e da r “h m e t i c2 a i n s t h em e r i t so fb o t hn e u r a ln e t w o r ka n df l l z z yl o 西ci n f e r e n c e ，a n di ti m p r a v e st h e p e r f o m a n c eo ft h ef j r ed e t e 州gs y s t e mb yr e d u c i n g t h em i s s w a m i n ga n df a i l i n g r e d o n i n gr a t e t h i sd i s s e n a t i o nr e v i e w st h er e s e a r c h e so fp i o n e e r s ，g i v e st h eb a s i c f c a t u r e so fe l e c 疵f i r ea n ds h o w san e wi t c l l i g e n te l e c t f i cf i r ed e t e c t i gs y s t e m t h em e t a lo x i d eg 觞s e n s o r 锄dv o l t a g ef o l l o w i n gc i r c u “缸ea d o p t e di nt h i s e l e c t m n i cn o s es y s t e m 。t h es i n g l ec h i pc o n 舡d l l e rc o m p l e t c st h es i g n a lt r a n s f o 加 劬m a l l a l o gs i g n a “od i g i t a ls i 驴a l 柚dd i s p a t c hi t t ot i l eh o m es y s t e m 。 f o l l o w i n ga r i t l l i n e t i ca n dt e c h n o l o 面e sa r ea p p l i e do nt h en e wd e s j l 皿1 - d i 画t a l s i 蛐a ia n a l v s i s ：f f ta n dd i 西t a lf i l t c r s 盯eu s e dt op r e - t r e a tt h es i 四a ld e t e c t e db y g a ss e n s o r s 2 n e u r a tn e t w o f k ：矗i su s e dt oi d e n t i 如t h ep a t t e m so fs h o r tc i r c u i ta n d o v e r h e a t e do fs e v e r a lk i n d so fw i r e s ；a n dt i l er e s e a r c hi n u s t r a t e st t l ea d v a n t 醒e sa n d d i s a d v a n t a 2 e so fj t 3 f u z z yi n f c r c c es y s t c m ：i ti su s e dt oi i n i t a t ct l l ci n s t i l l c t0 f h u m 柚b e i n gf o rd e t e c t m zt l l ec l e c i r i c6 r cp m b a b i l i t yp f c d i c t i o n 4 a d a p t i v en e u r a l f u z z vl f c r c n c cs v s t e m ( 栅s ) ：i t 啪b i n 髂t l l es 吣l 璺) o i n 协o fb o t hn n 孙df i s ， a n di t 毋c a t l vi m p r o v e st l l ei d e n t i f i c a t i o nc a p a b i l i t yo ft l l es y s t e m 1 1 l i sd i s s c n a t i o nf o r c c 鹤t st l l ef u n h e rr c s e a r c hd i r e c t i o n s s u p c 卜s o n i c s 、i m a g e p r o c c s s i n g 柚do l h e fm c t h o d sa r ca l b c i n ga p p l i e dt ot h i s6 e l d k e y w o r d s ：e l e c t r i cf i 陀，n c u r a ln e t w o r k ，f u 忍yi n f 打锄c es y s t e m ，a n f i s ，f i 亿 m o d e l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得澎姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使 用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 学位敝作者躲饧南锑掣字日期妒6 年参月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿盘堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保 留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授 权堂姿本堂可以将学位论文j ? 会部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影 印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适朋本授权书) 学位论文作者签名 饧商锑 签字日期：妒占年c ) 月i ；1 导师签名 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：滞汪牺匝萄砺毪錾为泄 哺履磊司 通讯地址：枇f 叫中f 牝骼，f 。f 考 似，玑 签字日期： 汐多年彩月莎日 电话：f 疆召8 艿8 9 弓 邮编：弓f 。歹f 浙江大学硕士论文 1 1 课题背景 第一章绪论 火灾自人类文明开始之时就一直伴随着人类的生活。电气化工业时代的到 来在给人们提供方便的同时也给火灾的发生提供了更大的可能性。现代工业企 业的生产，离不开电力及其控制。而电力的输送和控制的实现，则是由大量的 电缆来完成的。国家消防法规中明确规定，电缆隧道或电缆层必须安装火灾自 动报警系统。目前的火灾自动报警系统主要用的是传统的断路器、继电器、熔 断器等，由于装置自身的可靠性或对恶劣环境的适应性不强，要么可用周期短， 要么经常产生误报，长此以往就会导致监控人员对报警失去警觉，从而对火灾 的初期发生就很难做到及时发现、有效控制。人们一直认识到各种火灾的严重 性，政府也为此成立了相关的消防安全部门，但这始终不是解决问题的关键之 处。 我国火灾自动报警系统的发展经历了从无到有，从简单到复杂，其智能化 程度在不断的提高。随着新技术新方法特别时材料技术、电子技术、信息处理 控制技术的不断传入和出现，我们国家的火灾探测技术在可靠性、智能化方面 有了巨大的提高【1 】。 1 2 国内外研究现状 1 2 1 目前所用的电气火灾检测设备及其存在的问题 电气火灾探测器是智能火灾报警系统的现场探测部件，它的好坏直接关系 到整个系统是否正常运行。它本质上属于传感器，当发生火灾时，把因火灾产 生的各种非电量参数( 如气体，温度等参数) 变成电量参数传送给控制器。目前常 用的火灾探测器有感温探测、离子感烟探测、红外感烟探测、各种材料的气体 传感器等。 感温探测器利用温度敏感材料的特性，对现场温度进行探测，不同的温度 输出不同的电流( 电压) 值，控制器通过对电流( 电压) 的检测，得知现场温度。从 十九世纪4 0 年代到2 0 世纪4 0 年代，感温探测器占主导地位。最早的火灾探测 技术当推1 9 9 0 年英国人研制的感温探测器，开创了历史上火灾探测技术的先例。 这一时期的火灾探测技术主要是根据感温探测器的采集的温度信号，判定它是 否超过某一阈值，因此其报警的可靠性得不到满足。 浙江大学硕士论文 从本世纪末5 0 年代到7 0 年代这三十年中，离子感烟火灾探测器登上舞台。 离子感烟探测器的基本原理是通过放射性元素锢的射线使探头内部电离室的空 气产生电离，当烟雾微粒进入电离室时，将使电离的空气离子流动的情况发生 变化，烟浓度愈高，离子电流愈小，从而可利用离子电流的变化来探测烟雾的 存在。自1 9 4 1 年离子式烟雾探测器首先面世，先后得到了广泛的应用，但是由 于离子感烟探测器的放射性问题以及抗干扰能力及稳定性差、误报率高，在低 温阴燃场合，烟粒子的粒径大，数量少，烟密度低，电离室阻抗变化小，灵敏 度就差；对于乙醇等燃烧时只有火焰不发烟的完全燃烧也很难探测出火灾的发 生，后马上被光电式离子感烟探测器淘汰【2 1 。 总之，传统的电气火灾探测器系统的探测信号处理就是简单的值判断和趋 势算法，原理简单。这些方法和技术在应用中虽有能力探测火灾，但随着传感 器安装数量的增加，简单的判断算法所造成的虚警概率大大增加。无火灾环境 误报警出现的原因是复杂的，可能是硬件的损坏，也可能是环境条件的变化和 虚假的干扰等。 据报道，美国1 9 8 0 年由烟雾探测器引起的误报9 5 ，在瑞士，1 9 9 0 1 9 9 5 年期间由烟雾探测器引起的误报占9 1 9 3 f 3 1 。 本文所用的电子鼻系统中的传感器是一种对特定气体有着特定响应的传感 器，在选择传感器工程中，我们就可以考虑对特殊的电线电缆材料选用特殊的 气体传感器作为信号的采集设备。电子鼻系统往往由多个传感器组成阵列，每 个传感器对电缆电线燃烧的气体有某种响应，多个传感器能够识别出所闻到的 气味是否是由电线产生或者是另外的干扰气体，从而达到智能检测火灾的目的。 1 2 2 火灾检测中新技术、方法、材料的应用 1 2 2 1 模糊推理在智能火灾检测中的应用 模糊推理从本质上讲是概率论的一种推广，它把我们现实世界中的二值问 题推广到一个概率问题。因为在现实中很多问题不是精确的比如人的高矮胖瘦， 不同的人有不同的评价标准。在模糊控制中就是提出一个隶属函数的概念，来 说明某个论域的变量隶属“高”、“矮”的程度。对于火灾检测来说，很多警报 器之所以会误报、漏报，关键是它把事物的本来面目绝对化了，因为在实际环 境中，有很多的干扰因素是我们在设计的时候无法考虑到的。因此用模糊推理 的方法来进行电气火灾检测是有其实际意义的。自从模糊推理提出至今，在火 灾检测中的学术论文每年推陈出新，比较有代表性的文献有： 1 9 9 3 年，n a k a n i s h i s 将模糊技术引入智能火灾探测【4 】。 1 9 9 5 年，h c m u u 卫r 提出了基于模糊逻辑的温度和光学烟密度的鲁棒的 2 浙江大学硕士论文 火灾探测算法【5 】。模糊化火灾信号，综合烟雾温度信号逻辑，使火灾信号不再 是简单的1 比特阈值问题。 1 9 9 5 年，s n 脚0 埘i s h i s 等人再次提出应用模糊技术的智能火灾报警系统 【6 】。 1 9 9 8 年，、w 蝌gs 删的工作组应用了a r t - 2 神经模糊网络来识别火灾【7 】， 提出将瑚弭2 神经网络的模糊系统串连而成的模糊舢疆2 神经网络系统，使其 对火灾信号有很好的聚类。 2 0 0 0 年，r d s e p d h r s s o n 等人提出了利用p n n 处理的多准则火灾探测 系统【8 1 ，利用模糊算法和遗传搜索得到了探测火灾的最佳探测器组合表，分析 了探测结果。 国内武汉大学自动化所的立志兵等运用模糊控制技术研究了超高电压远距 离传输的电缆火灾检测技术，他们认识到传统单一传感检测技术在火灾多信息 检测中的不足，运用了多传感器技术来进行火灾检测，这种技术不是多个传感 器的简单叠加，而是对其收集到的数据进行了融合与集成。通过这种方法，最 后火灾检测得到了极大地提高【9 】。日本消防部门也同样运用了诸如声音、温度、 烟雾、火焰等多传感器的模糊控制的数据融合技术来检测电气火灾。s i m o n y f o o 等运用了模糊控制技术在机车车厢、飞行器内部进行电气火灾预警，他们 所用的输入数据主要通过火焰图像通过压缩得到，对那些由闪电或高压卤素灯 产生的压缩数据，系统也能够精确识别【1 0 】。 王忠勇等介绍了基于模糊控制理论和神经网络技术的火灾安全报警系统以 及系统的作用原理。该系统依靠模糊控制理论提高了灵敏度，减少了误报率提 高了整个系统的智能化程度【1 1 】。王利清等研究了模糊神经网络的火灾信号探测 数学模型，得出了它的一种学习算法，并进行了计算机仿真。确定了一种多元 火灾信号探测方法【1 2 】。 1 2 - 2 2 神经网络技术在火灾检测中的应用 1 9 9 4 年，0 l 【a y 蛐a 论证了早期火灾探测的神经网络设计以及应用真实传感 器进行评估方法【1 3 】。 1 9 9 4 年，m e a c h 锄b j ，发表了在火灾探测系统中信号识别的人工智能技术 1 4 】1 9 9 4 年，f j s c h c f a 论述了通过火灾信号模拟来研究多传感器火灾探测算法 的性能问题【1 5 l 。 1 9 9 5 年，m i k e 。j a 在a u b e 9 5 会议中，综述了应用神经网络进行火灾探 测的方法【1 6 】。 1 9 9 7 年，m i k e ，j a 开发了用神经网络及多传感器的火灾探测识别方法【1 7 1 。 浙江大学硕士论文 1 9 9 9 年，m i k c ，j a 再次推进了利用多传感器来识别火灾的技术f 1 8 1 。 1 9 9 9 年，m i k e ，j a 发表了监测火灾信号的多个方面来识别火灾【1 9 】。实验 证明多传感器火灾探测器和智能处理就和能够提高火灾和干扰源信号之间的识 别，并且c 0 和c 0 2 的上升率在明火和非明的识别中有很大作用。 2 0 0 0 年，s h a f e rr e ，等人阐述了早期多准则火灾探测系统的发展，利用概 率神经网络( p n n ) 来分析瞬时火灾特征【2 0 】，并用实验来研究不同p n n 训练参数 的影响以及最优传感器组合。 1 2 2 3 图像处理技术在火灾检测中的应用 台湾高雄大学电子工程系的陈首和等研究基于视频处理的方法来进行早期 火灾检测，通过亮度和色彩饱和度来决定系统的决策函数。实验结果显示这种 系统误报率非常低，并且能够重复自动地检测火灾事故2 1 1 。 郭国忠等运用图像技术探讨了森林火灾蔓延三维仿真思路，创建了三维林 火蔓延模型，实现了火灾蔓延三维动态仿真2 2 1 。 张晓凯等用电镜进行观察分析电气火灾中铜导线的一次短路与二次短路的 显微结构特性进行了对比分析，利用二者之间结构形态上的差异来分析鉴定火 灾的起因，为公安消防部门侦破火灾案件提供了有利的科学依据f 2 3 1 。 袁宏永提出了一种基于电缆表面的红外热图像对电缆的火险隐患进行在线 诊断的方法，根据电缆的表面温度、结构参数、物性参数和环境温度，通过建立 传热数学模型，对电缆的线芯工作温度进行了反演计算，并与电缆的允许工作 温度进行比较，实现了电缆火险隐患的非接触、在线诊断【2 4 1 。 吴龙标基于火灾火焰“边缘抖动”这个特征，利用图象分析的方法，提出了 一种崭新的火灾判据尖角判据。尖角判据减少了误报和漏报，大大提高了火灾 判别的可靠性及准确性f 2 5 1 。 宋卫国提出了一种新型基于b p 神经网络的火灾图像探测方法。该方法利 用了早期火灾火焰的形体变化特性，用图象处理的方法提取特征信息，最后利 用人工神经网络来进行火灾判别。与传统方法比较，人工神经网络更适合处理不 完善和模糊的信息，具用更好的可靠性和容错性。最后给出了实验结果，进行了 分析，并同常规的火灾探测方法进行了比较【2 6 】。 1 2 2 4 新材料在电气火灾防范、预警中的应用 宋万俭等从电力电缆的自身材质、结构因素分析开始，结合中性点不接地 系统的特点，阐述了交联电缆防火的方法，并提出了行之有效的措施【2 7 】。 4 浙江大学硕士论文 徐晓楠等分析了用无机阻燃剂、磷系阻燃剂、阻燃材料进行电缆防火控制 的方法【2 8 】。 李风等研究了阻燃电线电缆及其性能试验方法。对于普通阻燃电线电缆采 用的是在电线电缆制造过程中选用火焰传播速率相对较低的材料作电线电缆的 绝缘和护套材料或在绝缘和护套材料中加入特定的能降低火焰迅速蔓延的添加 剂而制成的电线电缆；对于低烟电线电缆在电缆制造过程中往往还加入氢氧化 铝、硼酸锌、碳酸钙或钼化合物、钒化合物等抑烟剂，起到降低烟浓度作用。 对于低烟无卤阻燃电线电缆这类电线电缆除了具有阻止火焰蔓延特性外，还具 有燃烧时不产生浓烟燃烧产物的腐蚀性和毒性低等特性采用氟塑料阻燃电线电 缆用氟塑料( 如聚四氟乙烯、聚全氟乙丙烯等作绝缘和护套材料制成的电线电缆 【2 9 】。 李民强研究了阻燃电线电缆在减少电气火灾中的作用。 1 3 本文的主要研究内容与步骤 对于电气安全事故引起的这一属于火灾但又与一般火灾不一样的事故用传 统的火灾检测方法未必可靠。本文首先将对电气火灾中的电线电缆特性作详细 论述，将讨论电缆的燃烧特性，短路特性，为电子鼻子下一步采用合适的传感 器才具数据做准备。 其次将通过实验对各种特性材料、各种用途的电线电缆进行燃烧试验。通 过控制传感器的位置与电线电缆加热器的加热温度、加热时间分析在不同条件 下的实验数据。 最后一部分是对采集到的数据进行各种算法的数字处理。在进行信号处理 之前将先对信号进行数字频域分析包括功率谱分析以对系统的产生的噪音进行 数字滤波，同时为了在接下来的算法处理中应用这些数据，把这些数据进行了 微分、差分变换，提取了信号的变化率部分。在此以后将分析传统的单一阈值 判别法的检测及其所存在的问题，之后考虑用人工智能的方法对信号进行处理。 人工智能的方法又很多，如神经网络、模糊控制、遗传算法、计算机视觉、专家 系统等方法，本文将主要采用前面两种方法进行结合研究。对于火灾这种非线 性的问题，我们人的识别人力是非常强的。而模糊控制与神经网络具有非常强 的模仿人的思维能力，因此采用这两种方法是具有非常广阔的应用前景的。在 第三章将详细阐述模糊控制与神经网络的工作机理。最后将实验数据输入这两 个控制器以评价其识别性能，同时也将探讨其存在的问题。 结尾部分将对研究的工作做以总结和展望。 浙江大学硕士论文 第二章电气火灾检测特性分析与系统组成 2 1 电线电缆燃烧特性分析 2 1 1 电缆燃烧热流分析 无论是在露天环境还是一些地下煤矿、公路隧道等特殊场合里，对电气电 缆的热特性的分析是显得非常重要的，因为在这些地方过流所产生的热量将使 周围的气体引燃，结果将永久地导致电线烧毁、瓦斯爆炸等恶性事故。因此美 国、欧洲早就对电线电缆的热特性进行了详细的分析。b s b n f n l eu s b u r e a u0 f m i n e s ) 还联合煤炭安全部门( m s h a ) ，电气电缆绝缘协会( i c e a ) 对地下长时间工 作的电线电缆电流与热特性的研究分析。早在多年前，人们就已经研究了铜导 线在短路情况下的热流特性f 3 0 1 ： ( 三) o o z 州呼。等等 这里： ，代表短路电流 爿热距离( 里电缆的距离) 单位是厘米， f 短路电流持续时间，单位是秒， 凡c 趋肤效应，也就是a g d c 的比率， 玎在一段时间后最终能达到的温度， n 在刚开始短路瞬间的温度 这个公式假定短路电流持续时间是很短的。对于一般的过流持续时间远远 大于几秒钟的这个公式所得出的结果就不是很准确。 在以下基本假设基础上： l 稳态假设：电缆外表面与空气自然对流传热，当发热与散热达到热平衡 6 浙江大学硕士论文 时，温度分布不随时间变化； 2 常物性假设：构成电缆的各种材料的物性参数为常数； 3 电缆长度相对于直径是无限长的圆柱体，只在半径方向有温度梯度，热 量沿径向传导是一维的； 4 电缆线芯单位时间单位体积发热量为常数，线芯导体内的温度是单一的 5 绝缘层的单位体积发热功率q ( w m 3 ) 是均匀的； 6 电缆线芯发出的热量穿过绝缘层内表面，由于线芯的发热功率大于各种 损耗，内表面的温度一定高于绝缘层内温度，热流是从内到外单向传热的； 7 忽略线芯与绝缘层及复合层之l 可的接触热阻 电缆温度变化与电流将呈现指数关系： f 丁= 口1 一万、碡了+ 聍 t 是一段时间过后的温度，单位 a 开始时候的温度，单位， 1 ，稳态时的温度，单位， 时间，单位s ， r 热温度常系数，单位s r 在加热期间其具体数值是温度到达稳态温度的6 3 所需要的时间。r 的时 间大小与以下三个因素有关：电压与表面面积的比率( 导线的几何尺寸) ；电缆的 热动力学特性；电缆散热系数。 7 浙江大学硕士论文 三 三三 沁j 二 l ! i g - 墨羔蔓卿赞拳皇璺舅垡塑墅鱼壅宴壁堕终一l f i g 2 1 是两条不同尺寸的电缆的短路燃烧特性曲线，我们可以发现在2 0 时扁平电缆的温度要比圆电缆的温度要高1 3 1 5 ： 2 1 2 电缆燃烧的气体成分分析 电线电缆主要经过了普通线缆、阻燃线缆、无卤阻燃线缆三个发展过程， 早期的普通线缆如聚乙烯电缆由于可燃性大，易产生火灾，造成危害。为了减 少火灾危害，七十年代后，日本、美国等发达国家开始阻燃线缆的研究，如具 有代表性的是聚氯乙烯电缆，但这些线缆材料在燃烧过程中，释放出大量的腐 蚀性气体的浓烟，给人员逃生及火灾扑救造成了一定的困难，且会腐蚀电子设 备和建筑物的钢结构材料。随着人们环保意识的加强，对使用的电线电缆要求 也越来越高，线缆也逐渐向高效阻燃、低烟、低毒、无卤方向发展。 线缆材料如聚氯乙烯、氯丁橡胶、氯磺化聚氯乙烯、聚丁烯、乙丙橡胶在 燃烧时释放烟气如表2 1 所示。可见，线缆材料在燃烧时，不同程度的会放出大 量的毒害气体，而阻燃剂特别是卤素阻燃剂的加人又增大了有害气体及腐蚀性 气体的释放。 8 浙江大学硕士论文 表2 1 低毒线缆材料烟气成分表 聚合p v c 氯丁橡胶氯磺化聚 聚乙烯 乙丙橡胶 氯乙烯 纺 气鲈 h c l 大量大量大量无无 c 0 2大量大量大量大量 大量 c 0 大量大量大量大量大量 s 0 2小量小量大量无无 n o x 小量小量小量小量无 h c n 无无无微量微量 为了减少电线电缆材料燃烧时大量烟雾的产生，目前主要采取添加“抑烟 剂”的方法。一般说来，凡是能捕捉或抑制分解产物或燃烧产物的物质都可以 当作“抑烟剂”来使用。目前大量使用的有硼酸锌、碳酸钙、陶土、氢氧化铝 和m 9 0 h 2 等。 硼酸锌是一种有效和经济的增效剂，作为“抑烟剂”广泛地应用在聚合物 的阻燃中，添加氯氧化铝和硼酸锌后的e 、，斛乙烯醋酸乙烯) 是目前电缆工业 9 浙江大学硕士论文 比较常用和成熟的无卤阻燃材料，而且与普通的e 、a 相比，对其物理性能没有 明显的影响。图2 2 为御( 氢氧化铝) 和z b ( 硼酸锌) 与e 、，a 合并使用o i ( 氧指 数) 的实验结果，从图中可见，纯的a t h 显示出比硼酸锌的性能优异，但硼酸锌 部分代替氢氧化铝时，发烟量就会明显降低，能有效地抑制电缆火灾烟气和毒 气的释放。 碳酸钙的“抑烟”作用主要是吸收烟雾中的氯化氢气体，使之生成稳定的 氯化钙而残留于燃烧后的炭化层中。据此原理，凡是燃烧时能产生氯化氢气体 的高聚物材料如聚氯乙烯、氯丁橡胶、氯磺化聚、氯乙烯等都可以选用碳酸钙 作为“抑烟剂”。图2 3 显示了碳酸钙添加量对c o 生成量的影响： z 口场 从上图可以看出，粒度为0 5 微米碳酸钙比粒度3 0 微米碳酸钙捕捉氯化氢 的效果强许多倍。 氢氧化铝是一种既阻燃又能“抑烟”，应用很广的阻燃“抑烟剂”。由于氢 氧化铝在高温下能分解出结晶水，吸收大量的热量使材料难以达到燃烧温度和 热分解温度，从而抑制燃烧及烟雾的产生。此外氢氧化铝是两性氧化物，能与 烟雾中酸、碱性物质( 如h c 【n h 3 ，等) 作用，生成挥发性较小的盐，也起到抑制 烟雾产生的作用。图2 4 为氢氧化铝对高密度聚乙烯的阻燃和“抑烟”( 以c 0 生 成量表示1 作用。可见，加人氢氧化铝后，能有效地抑制该材料的燃烧和烟雾的 产生【3 1 】。 1 0 浙江大学硕士论文 舷曩褰锄鳓翮扫簿蘼掳嘲黝躐潮蝴9 2 1 3 火灾发生时物理参量分析 电气火灾过程分为起火、增长、蔓延、充分发展四个阶段，电气预警的目 的就是在明火发生前对烟气温度等参量进行分析。火灾探测就是利用各种传感 设备及时检测火灾发生初期的各种物理特征，根据这些特征来判断是否有电气 火灾发生。火灾发生时常有表2 2 中的一些特性： 表2 2 火灾的一些物理特性 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 物理可燃气燃烧气体颗粒气溶燃烧火焰光 表现 体 度胶音 物理 浓温浓温电消离频压辐光谱闪动 量度度度 荷 光子 豪 射 度力 电气火灾的这些物理特征是对火灾的进行有效检测、探测技术与火灾物理 特征的相互耦合式火灾探测的必要条件。根据这些物理特征人们设计了各种相 应的探测器，主要分成光谱火焰探测、图像火焰探测及烟雾探测、气体探测、 1 1 浙江大学硕士论文 温度探测、光声探测等。电子鼻系统属于气体探测。 智能火灾报警系统的组成 2 2 1 智能电子鼻系统的结构 典型的电子鼻系统的结构如图2 5 所示，它一般由传感器阵列、信号预处理 系统、模式识别系统组成，由单片机或计算机实现控制、计算和i o 接口。 2 2 2 传感器的选择与组成 上一节讨论了火灾发生时的各种物理信号参数，但是对于设计智能报警器 来说，所需要的信号是电气火灾的特征信号。各种电缆电线短路燃烧或多或少 地会产生一氧化碳二氧化碳二氧化硫氮的氧化物还有卤化氢气体等，作为电子 鼻系统来讲，我们可以用对这类气体敏感的气体传感器来对气体进行信号采集 检测。当然，电缆燃烧过程中肯定或多或少地会产生烟雾、光、声音等信号， 但这些信号很容易受到外界环境的干扰，虽然有文献资料在这方面有相关的研 究报道，但作为智能火灾检测系统一般不采用这种方法。 气敏传感器阵列是电子鼻系统的基础，合适的阵列对提高整个系统的性能 至关重要。阵列可以是由多个分立元件构成，也可以是单片集成的。对器件的 主要要求为： 1 _ 在任何系统设计中，传感器阵列的尺寸都是最重要的。如果需要很多敏 感元件，最好使用集成的气敏传感器阵列而不是由分立元件构造阵列。 2 检测过程是可逆的，器件应该性能稳定，工作可靠，重复性好，但考虑 到有时需要更换传感器，所以更加要求传感器的一致性。 3 具有广谱响应的特性，但对于不同种类的气体，响应程度不同。我们在 构造传感器阵列时，尽量使各气敏器件或单元有一定的交义敏。这样，不仅降 低了对传感器的选择性的要求，而且也有利于提高阵列的效率。电子鼻系统就 是利用传感器阵列的交叉敏感特性，通过模式识别技术来实现系统的选择性并 提高测量精度的。 浙江大学硕士论文 4 器件的响应时间和恢复时间短，这一点在数据采集阶段尤为重要。 气敏传感器的种类较多，主要包括有敏感气体种类的气敏传感器、敏感气 体量的真空度气敏传感器，以及检测气体成分的气体成分传感器。前者主要有 半导体气敏传感器和固体电解质气敏传感器，后者主要有高频成分传感器和光 学成分传感器。由于半导体气敏传感器具有灵敏度高、响应快、使用寿命长和 成本低等优点，应用很广。下面讨论半导体气体传感器的工作原理。 半导体气敏传感器是利用半导体气敏元件同气体接触后，造成半导体性质 的变化来检测特定气体的成分或者测量其浓度。半导体气敏传感器大体上可分 为两类电阻式和非电阻式。电阻式半导体气敏传感器是利用气敏半导体材料， 如氧化锡、氧化锰f m n 0 2 ) 等金属氧化物制成敏感元件，当它们吸收了可燃气体 的烟雾，如氢、一氧化碳、烷、醚、醇、天然气、沼气等时，会发生还原反应， 放出热量，使元件温度相应增高，电阻发生变化。利用半导体材料的这种特性， 将气体的成分和浓度变换成电信号，进行监测和报警。图2 6 所示为典型的气 敏元件的阻值浓度关系。从图中可以看出，元件对不同气体的敏感程度不同， 如对乙醚、乙醇、氢气等具有较高的灵敏度，而对甲烷的灵敏度较低。一般随 气体的浓度增加，元件阻值明显增大，在一定范围内呈线性关系。 f i 9 2 6 气体浓度与传摩嚣电阻变化曲线 圈2 7 为常规气体传感器的电路接口原理图r l 为固定电阻器。其阻值不随 气体浓度变化【3 2 】。气体传感器电阻器r p 的阻值随待测气体浓度变化： 电阻最姆一 浙江大学硕士论文 f i 9 2 7 金属氧化物气体传感器电路原理圈 本次设计考虑用金属氧化物气敏传感器m q 2 、m q 4 l 。m q 一2 具有广泛的 探测范围、高灵敏度快速响应恢复、优异的稳定性长寿命、简单的驱动电 路等优点，而且该传感器对由电缆燃烧产生的气体也比较敏感。m q 4 1 分为 m q 4 1 1 、m q 4 1 0 、m q 4 1 2 等三个型号该元件具有灵敏度高，选择性好，工作稳 定可靠，受环境温度影响小等特点，是一种比较满意的气电传感元件。 2 2 3 传感器原理与特性 2 2 3 1 传惑器阵列的简单模型： 关于传感器阵列的数学模型，目前还没有详细完备的描述，常用的说法是： 选用m 个器件构成一个阵列，每个传感器有n 种测试模式，这样阵列共有p = m n 个模式。图2 8 给出了传感器阵列的测试模型，传感器阵列对于被测气体 的响应，在不同的测试模式中是不同的。 爿 舅试1 l 石淤 汰= = 鍪爿舅铡l 爿一鄙l o 吆 假设传感器阵列一共可以识别j 种气体，用x 表示第j 种气体的浓度。则 1 4 瓠藿 浙江大学硕士论文 第p 种测试模式时的输出s p 可表示为： s ，is p ( 1 ，x 2 ，盖) p = 1 ，2 p ； 2 3 3 2 半导体氧化物气敏传感器工作原理 虽然用半导体材料制成的气体传感器获得了越来越广泛的应用，但到目前 为止，对这些材料的微观结构、导电机理、吸附过程、活化机制等基础理论认 识还未能统一，在气敏传感器中使用众多的n 型氧化物材料中，使用最广泛的 化学性质相对稳定的s n 0 2 ，但其气敏机理尚未完全清楚，目前有以下几种模型： 一晶界势垒模型 半导体材料是由许多晶体粒组成的多晶体，在晶粒接触的界面处存在势垒。 当晶粒边界处吸附氧化性气体( 如氧) 时，吸附态的氧从晶粒表面俘获电子，增加 表面电子势垒，从而增加气敏材料的电阻，当环境中由还原性气体( 如c 0 、h 2 ) 时，则与吸附的氧发生反应，同时释放电子，降低了晶粒表面的势垒高度，从 而使气敏材料的电阻降低。该模型能很好地解释气敏传感器在还原气体中电阻 下降的规律。 二氧离子陷阱势垒模型 气敏材料s n 0 2 是一种多晶材料，许多小品粒的连接处形成晶粒问界，正是 这些晶粒界的性质决定了多晶体的导电性质。氧离子陷阱势垒模型认为在s n 0 2 多晶粒的交界处存在大量的悬挂建及失配位键，它们可以看作氧原子的吸附中 心。在高温下，这些氯原子从s n 0 2 中俘获电子而带负电荷，形成电子势垒，对 应的在最粒中出现电子耗尽现象。晶粒表面由于失去电子而带正电荷，0 一为吸 附在晶粒表面的氧离子。当还原性气体分子出现时，它们与吸附态的氧离子发 生反映，其反映物生成物以气态方式挥发，同时将氧化所带的负电荷放回s n 0 2 晶粒中。这样既增加了s n 0 2 材料中的导电电子，又减弱了晶粒问界处氧离子造 成的电子运动势垒，提高了载流子的迁移率，使s n 0 2 材料的电导率明显增加。 次模型解释了s n 0 2 气敏传感器在还原性气体中电阻变化的规律，同时也能解释 其特性与温度、氧分压以及催化剂的作用。 三表面导电模型 表面导电模型使目前比较受人们接受与理解的一个模型。尽管半导体气敏 传感器的工作原理很复杂，但其表面在吸附气体后其能态将发生变化，从而引 起材料电导率的变化。 当半导体表面有气体吸附时，如果表面所吸附的外来原子的亲和力大于半 导体表面电子的逸出功，则吸附原子将从半导体表面取得电子而形成负离子吸 附；如果表面原子的亲和力小于半导体表面电子的逸出功，在吸附原子将向半 导体提供电子而形成正离子吸附。这种电子由外来原子向半导体或相反方向的 转移，都将引起能带的弯曲，使功函数和电导率发生变化。 浙江大学硕士论文 a i 王曼带- 删-彭勿澎钐 事辨 i 肘i 酝 f i g2 9 在n 型半导体上外来原子c 作为负离子的吸附 f i 9 2 9 表示n 型半导体上的负离子吸附。由于外来c 原子的电子的亲和能 a 比半导体的功函数中大，故c 原子接受电子的能级要比半导体的费米能级低， 吸附后将引起电子由半导体向c 原子转移而形成负离子吸附。由于电子转向c 原子，积累了空间电荷，使表面静电势增加，能带向上弯曲，形成表面空间电 荷层，从而阻碍了电子继续向表面移动。随着电子迁移量的增加，表面静电势 增加，电子向表面迁移越来越困难，最后达到f i 9 2 9 ( b ) 所示的平衡态。如a 为 c 原子的亲和能，中为吸附前半导体的功函数，口为考虑到c 原子和半导体间 由于静电力和其他作用力而引起的相互作用能，则在吸附开始时亲和能为 a - m + 卢；最后由于能带弯曲形成空间势垒v c ，至平衡态时，a i 中+ 卢= v e 。n 型 半导体的负离子吸附使功函数增大，作为多数载流子的导电电子浓度降低，从 而使表面电导率下降。 同理，p 型半导体处于正离子吸附时，使功函数减小，作为多数载流子的导 电空穴减少，从而导致表面电导率的降低。 可见当发生气体吸附时，都会导致多数载流子的减少，表面电导率降低。 因此，这种吸附成为损耗型吸附。n 型半导体发生正离子吸附或p 型半导体发 生负离子吸附时，将导致多数载流子增加，表面电导率增高，因而这种吸附成 为蓄积型吸附。实际上，常用的气敏半导体材料不管是n 型还是p 型，对于氧 气，多数发生负离子吸附，而对于氢气、一氧化碳、炭化氢、乙醇等还原型气 体，多数发生正离子吸附。 根据表面电荷理论，可以预测伴随着吸附而引起的电导率和功函数变化的 方向，理论预测和实验结果时符合的，但用作定量上的解释还存在较大的困难。 1 6 浙江大学硕士论文 2 。3 3 3 半导体氧化物传感器的气敏特性 气敏传感器是用来检测气体类别、浓度和成分的传感器。由于气体种类繁 多，性质各不相同，不可能用一种传感器检测所有类别的气体，因此，能实现气 一电转换的传感器种类很多，按构成气敏传感器材料可分为半导体和非半导体两 大类。本系统用到的传感器是半导体气敏传感器。 影响气体传感器敏感度的因素主要由传感器的工作温度、传感器所检测的 气体种类、所检测气体的浓度大小等。下面讨论m q 4 1 1 气敏传感器的敏感特性。 元件的工作温度是由加热电压来调节的。元件的灵敏度首先随着工作温 度的升高逐渐增大，当达到一定温度时，灵敏度处于最高值，随后当温度继续 升高，元件灵敏度开始下降。元件工作温度较低时元件表面火星较低，与气体 的作用较弱，因而灵敏度较低；由于如c o 等强还原性气体，高温下元件表面的 氧化反应速度过快会限制气体的扩散，使得元件表面被测气体的浓度减小，同 样会引起灵敏度降低。f i 9 2 1 0 是多种气体在温度上升过程中传感器灵敏度变换 的曲线： l 加ll盟o孙o3 f i l 幺l 啭毫暑的性与工撇的关系 f j g2 1 1 最佳工作温度在1 8 0 度下，气敏元件对c o 、c 0 2 、h c l 、n 0 等气 体的灵敏度。其中c 0 2 、h c l 的体积分数为o 0 1 ，其余都为0 0 0 s 。 4 0 加 f i 9 2 1 l 传摩嚣对各种气体的灵敏度 1 7 浙江大学硕士论文 上图表明，该传感器对低浓度的c 0 气体的灵敏度比对气体高浓度或相同浓 度的气体的灵敏度高出2 个数量级，说明该传感器在适当条件下对c o 气体有较 高的气敏选择性。当工作温度定在1 8 0 度时该传感器灵敏度随c o 气体浓度的变 化关系，如f i 9 2 1 2 所示。由图可以看出该传感器的灵敏度与气体浓度基本呈线 性关系，可检测气体的浓度范围比较宽。 瑚 舳 7 0 2 0 1 0 二 一 = 【 ili 响应一恢复时间时气敏传感器的另个重要的参数，也是实际应用中对气 体传感器的一个必要要求，气敏传感器的相应时间短，表明该传感器在接触到 特性气体后能够迅速报警：气敏元件恢复时间短，表明元件能较快地恢复为原 来的状态，继续执行检测任务。f i 9 4 1 3 是m q l 2 气敏传感器对c o 气体的响应 时间和恢复时间的一些基本参数指标。 f i 9 2 1 3 1 2 对气体的响应与恢复c 0 浓度为o 既 1 b 浙江大学硕士论文 2 2 3 4 电气火灾检测中的系统框图一 探测器x 1l - 团h l 、 识 ，i 一麴 别 结 果 l 较删i x n 鬯卜_ 蚀 恤 丫 电气火灾特征向量l i 样本训练集 ：一 该系统的主要模型如f j g2 1 4 【删所示。系统的硬件有：专用测温传感器 ( x 1 ) 、探测模块( 气体传感器阵列) 、数据传输线( 四路数据同步传输) 、采集器 主机( m s p 4 3 0 ) 、局部总线、中心计算机等。 智能型电气火灾报警控制系统由火灾探测器和上位机信号处理两级构成， 考虑系统的性价比以及当前计算机控制系统发展水平和计算机网络通信等因s 素，火灾探测器以单片机作为系统的中央处理器。本系统所用单片机菲利普公 司的p 8 7 i j p c 7 6 4 芯片。完成传感器探测信号、对火灾发生情况的判断、和区域 报警控制器通讯、实现自动灭火等功能；上位机主要完成对单片机采集得到的信 号的数据保存、实时显示、数据后台处理( 对信号进行数字滤波、频谱分析、模 糊识别、神经网络火灾探测等1 。 数据采集系统来源于实验室晕业已存在的通用数据采集系统，该系统可安 装四个气体传感器，一个温度传感器以完成信号的输入。短路模拟由一个专门 的加热器完成，该加热器能根据设定完成加热。根据上述讨论气体传感器我们 选择了m q 2 和m q - 4 1 2 。系统采集到的数据的波形如f i 窟2 1 5 所示。 浙江大学硕士论文 毫 l 鱼 魁 3 f i g2 1 5 系统得到的一组数据的波形 图f i g2 1 6 所显示的是对数据采集系统的一些基本设置。该系统软件功能 包含数据接收、数据储存、数据分析、列表显示、图形显示、趋势分析、域值 设定、异常报警、危险报警、图表打印等。除此之外，该终端还能实时地设置 系统的采样频率，传感器的加热时间、加热周期、系统的采集时间、实时的多 通道数据显示、串口选择、a d 加热电压、波形显示状态等。 f i g2 1 6 数据采集系统的一些基本设置 浙江大学硕士论文 2 2 4 系统的基本特点 该系统是集气体检测、温度检测与一体的电缆安全监测设备。系统结构简 单，采集器主机和计算机置放于主控室内，无源元件专用测温传感器和采集模 块可以固定在电缆央层或电缆沟道内，安装方便。通过改变气箱的大小能对多 种现场环境进行模拟，改变传感器与气体源头的距离，方向角能够评价各种传 感器的检测性能。能够传输信号所需电压仅为1 5 2 4v ，恒流电流仅为数毫 安级。该系统具有良好的稳定性、安全性和干扰抑制能力，其信号传输能力也 比较强。 浙江大学硕士论文 第三章模糊控制与神经网络简述 3 1 模糊控制机理 3 1 1 模糊逻辑的历史 l az a d e h 于2 0 世纪6 0 年代引入了模糊逻辑，以表示和利用模糊的不 确定知识。1 9 6 5 年他首次提出了模糊集合的概念；1 9 7 3 年又进一步提出了模糊 语言处理，提出了用模糊语言进行系统描述的方法，奠定了模糊理论的基础， 并为模糊控制的实施提供了有效的手段。1 9 7 4 年，m 姗d 卸i 和他的学生在q u e e n m a r r y 学院首次应用模糊逻辑，实现了蒸汽发动机的模糊控制实验。目前有报道 模糊控制在运动学中的机器人手臂控制方面已经取得了巨大的成功。 模糊逻辑是对模糊的、自然语言的表达和描述进行操作和利用。它允许在 模糊系统中纳入常识和自学习规则，并意味着一个学习模块能够用一个模糊规 则集来解释其行为。因此说模糊系统对使用者来说是透明的，这与许多人工神 经网络0 n n ) 形成鲜明对比。 同许多人工智能算法一样，模糊逻辑最初应用到那些由人来执行毫不费力， 但对基于传统算法的方法而言却很困难的课题上，例如语音识别、部分模式匹 配、