（生物医学工程专业论文）电子鼻技术在电气火灾监测系统中的应用研究.pdf

浙江大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sns t u d yo nt h ea p p l i c a t i o no fe - n o s et e c h n i q u ei n e l e c t r i cf i r em o n i t o r i n gs y s t e m i tp r o v i d e ss o m et h e o r e t i c sf o rt h ec o n s t r u c t i o n o far e a le - n o s eb a s e de l e c t r i cf i r em o n i t o r i n gs y s t e m t h eg a s e sr e l e a s e db yo v e r h e a t e de l e c t r i cw i r e sa r em o n i t o r e db yt h e e n o s eb a s e de l e c t r i cf i r em o n i t o r i n gs y s t e m i nt h i sd i s s e r t a t i o ni tr e v i e w s p i o n e e rs t u d i e so ne - n o s et e c h n i q u ea n de l e c t r i cf i r e , a n di no r d e rt oc h o o s e a p p r o p r i a t eg a s s e n s o r sf o rt h es e n s o ra r r a y , i ta l s om a k e sad e t a i l e d p r e s e n t a t i o no nt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd i f f e r e n tk i n d so fe l e c t r i cw i r e s t h e e - n o s ed a q s y s t e m 缸a l s oc o n s t r u c t e d i th a ss e v e r a ld i f f e r e n tw o r k i n gm o d e s 。 s u c ha sd i f f e r e n ts a m p t i n gr a t e s , d i f f e r e n th e a t i n gm o d e s ，e t c a sf o rt h ee x p e r i m e n t s ，t h i sd i s s e r t a t i o nm a k e sn s t u d yo nt h es e n s i t i v i t yo f d i f f e r e n tg a ss e n s o r sa n dc o m p a r e st h e i rp e r f o r m a n c e s b ym e a n so fi m i t a t i n g d i f f e r e n ts i t u a t i o n s , t h 缸d i s s e r t a t i o nt r i e st of i n do u tt h ef i n a ie f f e c t so nt h e c h a r a c t e r i s t i c so fs e n s o rr e s p o n s e sc a u s e db yd i f f e r e n th e a t i n gs i t u a t i o n s , d i f f e r e n td e t e c t i n gp o s i t i o n s ，d i f f e r e n td e t e c t i n gd i s t a n c e sa n dd i f f e r e n t t e m p e r a t u r er i s i n gr a t e s s i g n a lp r e t r e a t i n gt e c h n i q u e skd i s c u s s e di nd e t a i l t h e s et e c h n i q u e s i n c l u d e ss i g n a lp r e s e n t a t i o n , n o i s er e d u c t i o na n dz e r op o i n tr e v i s i o n ad o a b l e z e r op o i n tr e v i s i o na r t t h e m e t i ei sr e a l i z e di nt h i sd i s s e r t a t i o n i tr a nn o to n l y i m p r o v et h ew a r n i n gv e r a c i t yb u ta l s ob r i n gf o r w a r dt h ew a r n i n gt i m eo ft h e e l e c t r i cf i r em o n i t o r i n gs y s t e m t h 缸d i s s e r t a t i o na l s op r e s e n t ss o m ec o m m o n f i r ed e t e c t i n gm e t h o d sa n da n a l y s e st h e i ra p p l i c a b l es i t u a t i o n s a tt h ee n do ft h i sd i s s e r t a t i o n , i tf o r e c a s t st h ea p p l i c a t i o no ft h ee n o s e b a s e de l e c t r i cf i r em o n i t o r i n gs y s t e ma n di br e s e a r c hd i r e c t i o n si nt h ef u t u r e k e y w o r d s ：e - n o s e ，e l e c t r i cf i r e ，g a ss e n s o r , f i r ed e t e c t i n g , z e r op o i n tr e v i s i o n l 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，也不包含为获得逝鎏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已在论文中作了明确的说 明并表示谢意。 靴论文作者躲式恩 字嗍m 7 年月占日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解迸姿盘鲎有关保留、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 权堑鎏盘堂可以将学位论文的全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用本授权书) 学位论文作者签名 爿恩绽 导师签名 节蜮? v 签字日期：，1 年石月g 日 签字日期： 年 月日 学位论文作者毕业后去向： 工作单位：百芝【冲国) 杨1 5 i 玷苠司 电话：j ；5 争7 j ，歹8 通讯地址：池史、祧j 臣 5 幕蝮彳毒畜j 弓萏石f 砌w 塘邮编： 卜。7 3 9 e - m a i l 地址 b ，l h w “ 础鲫加。- 浙江大学硕士学位论文 第1 章引言 1 1 课题研究背景 当今社会，随着社会经济的发展和人们生活水平的日益提高，各种电子设 备越来越多的走进我们的生活之中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。由于各种场合的电子设备大多长 期处于运行状态，电气设备过载、过热、短路等情况所引起的火灾隐患较多， 同时火灾过程的复杂性和火灾的损失也越来越大。例如近年来，我国的群死群 伤、特大恶性火灾事件时有发生，并且很多火灾事故都是由于电气火灾所造成 的。一些特殊的重要场所，如计算机中心、电力调度指挥中心、邮电通信枢纽、 图书档案信息中心等，在国民经济生产和社会生活中起着至关重要的作用。这 些场所内的各种电气设备、仪器仪表高度集中且长期运行，电气设备过载、过 热、短路的火灾隐患较多，一旦发生火灾将造成重大的损失，给社会带来重大 影响；另外，现代工矿企业的生产，也都离不开电力及其控制。而电力输送和 控制的实现，则是由大量的电缆来完成的电缆的超负荷工作给火灾的发生和 发展提供了巨大的便利。为此，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。因此进行电气火灾监测报警的研究具有十分重要 的现实意义 火灾探测器是目前广泛应用的智能型火灾自动报警系统的重要组成部分， 它的敏感性和可靠性决定着整个系统的性能。但事实上，现行的各种火灾探测 器在火灾探测过程中常有误报、漏报等情况，这一方面是由于火灾产生的条件 和环境干差万别，另一方面是由于产品本身尚有不尽人意之处。因而人们试图 研制更敏感、更可靠的火灾探测器以期在火灾初起阶段就能够准确报警。众所 周知，人的嗅觉非常灵敏，可以感知燃烧时产生的多种挥发性物质。我们的鼻 子不仅能识别燃烧的典型气味，而且能以我们的经验区分出许多物质。根据阴 燃阶段的气味就能判断出有火灾发生的可能，正是火灾报警器所追求的目标和 要达到的理想境地。尽管人的嗅觉具有比火灾探测器更准确更灵敏的报警能力， 但用人去做探测器显然是不切实际的。考虑到人类鼻子的功能，人们利用仿生 学原理研制成具有嗅觉功能的鼻模型，即电子鼻系统。人们由此得到启示，尝 一1 一 浙江大学硕士学位论文 试将电子鼻技术应用于火灾探测。电子鼻火灾探测器是项较新的技术，也是 一项较昂贵的技术，目前国内外在这方面已经有了相关的研究。 正是考虑到电气火灾监测的必要性及电子鼻火灾探测技术的发展前景，本 论文对电子鼻技术在电气火灾监测中的应用进行研究，既具有一定的现实意义 也具有一定的理论价值。 1 2 电子鼻及电气火灾监测的发展历程、现状及二者间的关系 1 2 1 电子鼻技术的发展历程及现状 电子鼻又称气味扫描仪，是一种智能仿生传感器系统j w g a r d n e r 给电 子鼻下的定义是：“电子鼻是由一种有选择性的电化学传感器阵列和适当的识别 装置组成的仪器，能识别简单和复杂的气味 1 ”电子鼻通常由一个具有部分 专一性的传感器阵列和一个合适的模式识别系统组成，能够定性或定量地检测 单一的或混合的气味，还能够用于识别单一成分的气体、蒸汽或其他混合物。 电子鼻是模拟生物鼻的工作原理进行工作的 2 ，3 。我们知道，人类的嗅觉 系统是一种特殊的化学敏感器官，其性能是相当出色的，可对自然界中上千种 气味做出反应。目前对嗅觉过程的理解认为，嗅觉是物质气味分子的识别过程， 即：气味分子通过鼻腔到达神经元，初级神经元的轴突再把感受到的信息传达 到嗅球( 由数万个初级神经元汇聚而成的二级神经元) 。初级嗅觉神经元的信息 在这里调节和抑制后，送到大脑神经中枢产生相应的判断和反应。与人类的嗅 觉相类似，模拟生物嗅觉构造的人工嗅觉电子鼻模型也包括前端检测气体的气 敏传感器阵列、数据采集处理电路以及后端进行模式识别的模式识别系统。图 1 1 形象的反应了人的嗅觉与电子鼻各自的基本组成原理。 电予鼻 人的嘤霓 图1 1 人的嗅觉和电子鼻的组成原理图 一2 一 浙江大学硕士学位论文 电子鼻技术的发展已经有了一段历史。利用气味在电极上的氧化还原反应 研制的第一个“电子鼻”是由w i l k e n s 和h a t m a n 在1 9 6 4 年报道的。然而，真 正作为气味分类用的智能化学传感器阵列的概念，直到近2 0 年才出现在英国 w a r w i c k 大学的p e r s a u d 等人和r 本同立公司的i k e g a m i 等人的文章中。而电子 鼻这个术语则约在8 0 年代晚期出现。在过去的十几年中，英国和开本的研究人 员已经研制成功了商业化的人工嗅觉系统即电子再，比较著名的有英国的 n e o t r o n i c ss y s t e m 和a r o m a s c a ns y s t e m 、法国a l p h a m o s 系统【4 】。 随着人们对电子鼻研究的不断深入，电子鼻的应用领域不断扩大，目前电 子鼻已在食品、农业、医学、工业、环境保护、航空航天、安全保障和军事等 各个领域获得了广泛的应用【5 1 0 。随着相关技术的不断发展，目前，人工嗅觉 系统已经从单一的敏感元件到传感器阵列再到图像传感器，逐步实现向集成化、 小型化的发展，测量的精度也在不断的提高。而且出现了许多灵活多样的测量 方式。这些都为人工嗅觉系统的应用展现了非常广阔的应用i ； 景。 1 2 2 电气火灾监测的发展历程及现状 1 2 2 1 电气火灾监测的发展历程、现状及存在的问题 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 到整个火灾探测系统能否正常运行火灾探测技术是火灾预防技术的重要内容， 它前后经历了约一个多世纪的发展过程。1 8 4 7 年美国牙科医生c h a n n i n g 和缅 因大学教授f a r m e r 1 l 】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 年英国人利用金属材料的热反应性能，研制成功了第一个感温式火灾探测 器二十世纪初奥地利物理学家施卫德勒( s c h w i d l e r ) 研究发现了电离子具有吸 附气溶胶粒子的现象，并被用于电子仪器仪表工业。从1 9 世纪加年代至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。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等原因使得火灾探 测技术开始了更深远的发展。到2 0 世纪5 0 年代，瑞士西伯乐斯( c e r b e r u s ) 公司 研制出世界上第一只离子感烟火灾探测器的雏形。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。二十世纪八十年代后，火灾探测技术与其他技 一3 一 浙江大学硕士学位论文 术开始有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。 目前，现行的各种火灾探测器在火灾探测过程中常有误报、漏报等情况。 以离子型感烟式火灾探测器为例，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；而对于乙醇等燃烧时只有火焰却 不发烟的完全燃烧也很难探测出火灾的发生 1 2 1 ，在这些情况下容易出现失报。 对于有类似火灾发生的烟雾，如吸烟、厨房炉灶烟雾等，其浓度超过规定值时， 离子型感烟探测器很难将之与火灾相区别，在这些情况下则很容易出现误报。 离子型感烟探测器的电离室和内部电路异常也会引起失报或误报。据报道，仅 美国1 9 8 0 年由烟雾探测器引起的误报率即占9 5 1 3 1 ；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率也高达9 1 9 3 1 4 1 。可见烟雾探测器确实存 在着很大的误报率，在其执行火灾监测的同时也给我们的生活带来了诸多不便。 此外，由于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，原理非常简单。简单的判断算法所造成的虚警概率很大。即使现 在使用较普遍的各种带火灾探测算法的智能型火灾探测报警系统也还存在着很 大的缺陷和不足 1 2 2 2 现有火灾探测技术的分类及其优缺点 随着火灾探测技术的发展，相继出现了各类火灾探测技术根据探测方式 的不同，现有的火灾探测技术可分为接触式探测技术以及非接触式探测技术。 具体的，接触式探测技术又可分为感温探测、感烟探测、气体探测技术等。 其中，感温探测技术不适用于早期报警，因为其对阴燃火反应差，探测速度慢， 灵敏度低，报警时间迟，易受气温或温度变化的影响等。目前的感烟探测技术 可分为离子感烟探测和光电感烟探测两大类，无论是哪一种，都是对烟雾等粒 子进行探测，易受油雾、灰尘等因素的干扰，因此误报率高。气体探测技术可 分为气敏半导体型、光干涉型、红外型等几种不同的类型，其中，气敏半导体 型具有灵敏度高、能耗少、寿命长等优点，但其缺点也比较明显，如选择性差、 线性测量范围窄等；光干涉型受温度以及气压影响容易产生误差，而且其选择 性也较差；红外型气体探测器具有选择性好灵敏度高等优点，因此用于精确测 量以及气体浓度标定的探测器基本都采用红外技术 一4 一 浙江大学硕士学位论文 非接触式火灾探测技术可分为图像探测技术以及火焰探测技术等。图像探 测技术是近些年新发展的一种火灾探测技术1 1 5 2 0 ，是基于数字图像处理及分 析的一种新型火灾探测技术，基于图像处理技术的火灾探测技术与其他探测技 术联合应用会大大提高火灾探测的准确性和可靠性。火焰探测技术是通过对火 焰发出的辐射实现火灾探测的一种新型探测技术，当响应波长低于4 0 0 h m 辐射 磁通量时为紫外探测，波长高于7 0 0 r i m 辐射磁通量时为红外探测，响应具有较 快的速度，可以进行早期报警，但缺点是容易受到电焊弧、雷击、照明以及太 阳光等因素的干扰。 综上可知火灾是一个相当复杂的过程。火灾时所表现的物理特征也往往是 多方面的，任何一种火灾探测技术，既有其优点，但也存在不足，若只针对火 灾中同时出观的多种物理量中的一种进行探测，则不可避免地会受到环境中某 些相似因素的干扰，从而导致误报。 1 2 2 3 新材料、新技术、新方法在电气火灾监测中的应用 由电气设备引起的火灾事故中，大部分的问题出现在电线电缆上，因此电 线电缆的防火问题已引起了相关部门的高度重视赵华利等人对防火电线电缆 的分类特性及试验方法进行了研究，详细讨论了阻燃电缆、耐火电缆，低烟电 缆、无卤( 低卤) 电缆、燃烧产物低毒电缆的产品特性、试验方法等【2 1 】。李 风等对阻燃电线电缆及其性能试验方法进行了探讨和研究【2 2 】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 3 1 。宋万 俭等结合电力电缆的自身材质等，阐述了交联电缆防火的方法，并提出了行之 有效的措施 2 4 1 。 目前，在火灾探测技术中，由于传统的火灾探测技术存在着方方面面的不 足，无法准确地感应各种物质在燃烧过程中所特有的光谱、辐射、气味等诸多 方面发生的微妙变化，火灾的误报、漏报时有发生因此火灾信号探测新技术 及信号处理技术是提静预报、减少误报的必要手段，也是提高整机系统报警灵 敏度和可靠性的重要保证。目前对于火灾探测新技术、新方法方面的研究主要 有以下几个方面： ( 1 ) 模糊神经网络的火灾信号处理技术。自从y o k a y a m a ( 日本) 【2 5 】和 s n a k a n i s h i ( h 本) 2 6 1 把神经网络和模糊逻辑应用到火灾探测技术之后，它们 一5 一 浙江大学硕士学位论文 已经成为提高现有探测系统性能的利器。火灾探测系统不再单一依靠开关量信 号，而是反映火灾特征的模拟量。神经网络的自学习能力使系统能适应环境变 化，其容错能力又提高了系统的可靠性。模糊系统和神经网络是智能化处理信 息的有效方法，该技术对火灾探测这种非结构性问题具有很强的识别能力【2 7 】。 模糊系统和神经网络的融合有效地发挥了二者的优势，不仅增强了神经网络处 理信息的可理解性，同时还能自动生成模糊隶属函数，提高模糊规则精度，使 模糊系统具备了自适应性，提高了火灾探测系统的智能化程度。 ( 2 ) 复合探测技术传统的单元探测技术采用单一参数进行火灾探测，但由 于火灾的复杂性和多特征性很难满足实际需要，目前还没有任何一种单一参数 的火灾探测器能有效探测各种火情。考虑到火灾发生时会同时表现出许多物理 特征，因此出现了基于多传感器信息融合技术的多元复合探测器即复合探测技 术目前复合探测技术中技术较为成熟的是光电感烟式烟温复合探测器。因为 复合探测技术的应用能够大大降低误报率，并且不以增加响应时间为代价，因 此复合探测技术是目前有效的一种探测方法。 ( 3 ) 一氧化碳气体探测技术。厂氧化碳是一种无色无味的有毒气体，通常 c o 在空气中的含量极低，而绝大多数火灾均产生c o 气体，燃烧不充分的早 期更是如此。空气中c o 含量变化要早于烟雾和火焰输出，它比感烟和感温探 测器的响应速度都快，在多数情况下，c o 都可作为一种良好的火灾指示气体。 因此通过测量空气中c o 含量，便可准确判断是否有火灾发生，实现早期报警。 将c o 传感器引入到火灾探测中，既能实现对火灾的提前报警，又能极大地改 善报警性能，减少误报耳日口气体探测技术已经成为火灾探测技术的一个新的 亮点，而基于气体探测的火灾探测技术则主要是基于对c o 的探测。 1 2 3 电子鼻与电气火灾监测之间的联系 电子鼻是利用仿生学原理研制的具有嗅觉功能的鼻模型。由于电子鼻不会 发生嗅觉疲劳现象，所以人们尝试将其应用到火灾探测器之中。国外已经进行 了这方面的实验，最早演示的电子鼻火灾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。目前人工神经网络软件已经能辨认多种燃烧物产生的气 味，与现代火灾自动报警技术相结合，将生产出更准确、更迅速、更敏感、更 可靠的火灾报警器。英国曼彻斯特大学科学技术研究所开发的并由a r o m a 一6 一 浙江大学硕士学位论文 s c a n p l c 公司生产的电子鼻已经上市，该公司为俄罗斯和平号空间站装备的电子 鼻型探测器可以识别多种有毒化学物质，闻出空间站内电器设备产生的过热气 味。虽然且前电子鼻火灾探测是一项较新的技术，电子鼻型火灾探测器的普遍 应用尚待时日，但相信随着计算机技术、传感器技术以及神经网络技术的发展， 电子鼻火灾探测器的应用必将会越来越广，不久的将来会出现在各种场合。 本论文即对电子鼻在电气火灾监测中的应用进行研究。电子彝系统往往由 多个传感器组成阵列，每个传感器对电线电缆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产生， 从而达到智能检测火灾的目的。 1 3 课题的主要研究内容及实验步骤 在火灾事故中，由于电气事故引起的火灾占相当大的比重而电气火灾事 故中，大部分都是由于电线电缆过热等原因引起的，电线电缆在受热过程中会 释放出各种气体，这为基于电子鼻的火灾探测提供了一种途径。 因此本文将首先对各种电线电缆的特性作详细论述从而为电子鼻系统中气 敏传感器的选择做好理论准备。在选择好相关气敏传感器的基础上构建实验中 的电子鼻软硬件系统。 然后在各种不同的实验条件下对电线电缆进行燃烧实验，通过不同的实验 条件来模拟电气火灾中的各种实际情况，从而来研究其对气敏传感器响应的影 响，为电子鼻电气火灾监测系统的设计提供一定的理论基础。 在获得了相关实验数据的基础上，对采集到的数据进行数据处理及分析。 重点讨论了电子鼻数据的预处理技术，对常用的火灾探测算法也稍有提及。 最后在本文的结尾将对所做的研究的工作加以总结和展望。 一一，一 浙江大学硕上学位论文 第2 章电线电缆特性分析、火灾原因及危害性 2 1 常用电线电缆的分类 电线电缆是用以传输电力、传递信息和电磁能量转换的一大类电工线材产 品。从构成上来分，电线电缆主要有裸屯线、油纸绝缘电缆、橡皮绝缘电缆以及 塑料电线电缆等。根据电线电缆的不同用途，可以将电线电缆分为电气装备用电 线电缆、电力用电缆、控制用电缆、通信用电缆以及信号电缆等【2 8 】。 从电线电缆发展的历史来看，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阶段早期的普通线缆如聚乙烯电缆由于可燃性大，容易 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 开始进行阻燃线缆的研究，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，会释放出大量的腐蚀性气体和浓烟，给人员逃生及火灾扑救造 成一定的困难，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。目前，电缆行业习惯将阻燃、无卤低烟或低卤低烟、耐 火等具有一定防火性能的电缆统称为防火电缆。 2 2 常用电线电缆的物质构成 目前电线电缆的绝缘层和护套层主要由塑料以及橡胶材料构成，因此这里 主要对构成电线电缆的塑料以及橡胶种类进行介绍 2 9 1 。 2 2 1 塑料材料电线电缆 塑料具有优良的电绝缘性能、化学稳定性能和物理机械性能，已被广泛用 作各类电线电缆的绝缘和护套材料。目前电线电缆常用的塑料种类有聚氯乙烯、 聚乙烯、交联聚乙烯等。 聚氯乙烯( p v c ) 的耐电压和绝缘电阻比较高，因此常用作电线电缆和局 内通信电缆的绝缘材料，并且还广泛地用作电线电缆的护层材料。 聚乙烯具有绝缘电阻高耐电压好等特点，因此被广泛用作高频通信电缆和 电力电缆的绝缘材料。此外聚乙烯也是一种很好的护层材料。 交联聚乙烯与聚乙烯相比具有耐热性高且不熔融等特点，因此特别适用于 一8 一 浙江大学硕士学位论文 耐热电力电缆的绝缘层。 2 2 2 橡胶材料电线电缆 橡胶具有良好的物理机械性能、电绝缘性能等，因而在各类电线电缆产品 中广泛用作绝缘和护套材料。橡胶可分为天然橡胶和合成橡胶两大类。下面就 电线电缆中常用的橡胶种类加以介绍。 ( 一) 天然橡胶。天然橡胶电性能优良，有很好的综合性能。但天然橡胶 具有可燃性。一般适用于工作温度6 5 c 及以下的各种电线电缆的绝缘材料。 ( - - ) 丁苯橡胶。丁苯橡胶的性能与天然橡胶相近，在电缆工业中通常是 与天然橡胶并用丁苯橡胶单独使用时可用作工作温度为7 5 c 的绝缘材料。 ( - - - ) 氯丁橡胶。由于存在氯原子，因此具有不延燃性、耐老化等特点。 主要用于船用及户外用电线电缆的护套材料，也可用于低电压电线的绝缘材料。 ( 四) 氯磺化聚乙烯橡胶。是聚乙烯的衍生物。在电缆工业中常用作各种 高压点火线和低压户外电线的绝缘材料及船用、矿用等电线电缆的护套材料。 ( 五) 氯化聚乙烯橡胶。氯化聚乙烯橡胶也是聚乙烯的衍生物，其特性与 氯磺化聚乙烯相似，在电缆工业中用途与氯磺化聚乙烯橡胶一样，应用广泛。 2 3 防火电线电缆阻燃特。眭分析 防火电线电缆根据其本身所具有的燃烧特性，可分为阻燃系列、无卤低烟 系列、低卤低烟系列以及耐火系列等几种。各种防火电线电缆的燃烧特性要求 各不相同，下面就这几种防火电线电缆的特性进行分析说明1 3 0 。 2 3 1 阻燃电线电缆性能分析 阻燃电线电缆的阻燃性主要是实现电缆结构材料中的聚合物材料的阻燃。 有些聚合物材料本身就具有良好的阻燃性能，如电线电缆中用量最大的聚氯乙 烯塑料在没有添加其它助剂时的氧指数高达4 7 ，是典型的高阻燃聚合物材 料为了达到阻燃的目的，其处理方法主要是添加阻燃剂：一种是添加卤系阻 燃剂，即将含氟，氯、溴等元素的阻燃剂添加到电缆料中，这是应用最普遍的 阻燃处理方法；另一种是添加无卤阻燃剂，如a t ( o h ) 3 、m g ( o h ) 2 、硼酸锌、 磷系阻燃剂等添加到塑料、橡胶电缆料中，用以提高其阻燃性能，这种方法在 无卤电线电缆中应用较为普遍。不同的阻燃剂在实现电线电缆的阻燃时遵循不 一9 一 浙江大学硕：t 学位论文 同的阻燃机理，常见的聚合物阻燃机理有气相阻燃机理、凝聚相阻燃机理和中 断热交换机理。阻燃机理使人们对燃烧和阻燃有了更深刻的认识，实际意义上 的燃烧和阻燃是一个很复杂的过程，某种阻燃体系的阻燃实现往往是几种阻燃 机理协同作用的结果。当然，电线电缆的阻燃措施除利用阻燃机理外，还可以 有其他方法，如隔氧层电缆、铠装电缆，成缆包带采用涂覆阻燃剂的玻璃纤维 编织带等设计也可以达到阻止燃烧的目的。 2 3 2 无卤电线电缆性能分析 含卤阻燃材料具有优良的阻燃性能，但是当它们与火焰接触，在热分解和 燃烧过程中，会产生大量烟雾和有毒的腐蚀性卤化氢气体。因此，为了提高防 火电线电缆的安全性，不仅要求电线电缆阻燃，而且要求尽可能的减少在燃烧 时的烟雾和有害气体的发生量。无卤电线电缆就是在制作电线电缆的电缆料中 使用无卤聚合物材料并添加无卤阻燃剂。聚烯烃是无卤材料，分子链上只有碳 和氢两种元素，燃烧时分解出水和二氧化碳，不产生明显的烟雾和有毒的腐蚀 性气体聚烯烃本身是可燃的，在聚烯烃里添加无卤阻燃剂作为电线电缆的绝 缘材料和护套材料，可得到燃烧时不产生有毒的腐蚀性气体的无卤电线电缆。 2 3 3 低烟电线电缆性能分析 人们很早就对电缆燃烧发烟的问题进行了关注。电线电缆燃烧发烟在火灾 中具有很大的危害，主要体现在：( 1 ) 迅速扩散的浓密烟雾使火灾中的人们迷失 方向，找不到逃生的出口；( 2 ) 毒性烟雾使火灾中的人们过早地丧失自救的能力； ( 3 ) 浓密的烟雾使救灾工作无法正常实施，往往还会造成二次灾害。某些制造电 线电缆的聚合物材料，如p v c 具有高阻燃性能和高电绝缘性能，但低烟性能较 差，因此，对于此类材料来说“抑烟”比“阻燃”更为重要。通过添加各种助 剂可以提高聚合物材料阻燃、低烟性能。采用阻燃剂与抑烟剂复配使用，可以 同时达到阻燃和抑烟的效果。 2 3 a 耐火电线电缆性能分析 所谓耐火，即在规定的火源和时间下燃烧时能持续地在指定状态下运行， 即保持线路完整性的能力。在一些重要场合，如消防设备、救生逃生设施、重 要通讯设施的电力输送等，要求在火灾条件下保证正常输送电力或信号。耐火 一1 0 一 浙江大学硕士学位论文 电缆就是在规定火焰燃烧条件下能够保持一定时间正常输送电力或信号的电 缆。耐火电缆与普通电缆的不同之处在于它增加了一个耐火层。电缆一旦被燃 烧，构成电缆的所有有机材料将被烧尽，而要保持电缆的线路完整性，就要保 证耐火层不被烧掉和击穿。耐火电缆的耐火层几乎都是用耐火云母带来制作， 而制作耐火云母带的材料是云母纸、粘合剂和玻璃丝布。其中，由天然云母或 合成云母制成的云母纸是真正起着电绝缘及耐火作用的材料。 2 4 火灾发生时的相关物理参量分析 电气火灾的发展过程可分为起火、增长、蔓延、充分发展四个阶段。电气 火灾预警的目的就是在明火发生之前，利用各种传感设备对火灾发生初期的烟、 气、温度等火灾相关物理参量进行采集、分析，从而进行火灾预警。火灾发生 时所表现出的各种物理特征从形式上可分为两大类，即接触式和非接触式两种。 具体的物理表现包括燃烧气体、烟雾颗粒、气溶胶、火焰光以及燃烧音等。 我们知道，火灾的发生必然伴随着火焰的产生，火灾燃烧是复杂的放热化 学反应，燃烧火焰的温度一般都很高伴随着这一过程，通常也会产生大量的 炽热微粒。正是这些炽热微粒的存在，使火焰发射出电磁波辐射，其中也包括 可见光，而正是这些光学特性为远距离火灾探测提供了可行性。 火灾过程中还必然伴随着物质的燃烧，形成燃烧产物。这里所说的燃烧产 物即通常所说的烟气，包括固态高温燃烧产物和气态燃烧产物。其中固态高温 燃烧产物即高温微粒，具有对光线的散射和吸收作用，对离子的俘获和阻挡作 用等；气态燃烧产物主要成分为c o 、c 0 2 、h 2 0 、n o x 、s 0 2 、c h 4 、n h 3 等 由于环境湿度的影响，通常h 2 0 不被作为火灾探测的参数。一般情况下，空气 中c o 、c 0 2 的含量极低，而在火灾燃烧时才会出现使空气中这两种气体的含 量急剧增加的情况，因此可以作为火灾探测的参数。气态燃烧产物的典型物理 特征是气体特征光谱、气体浓度和气体温度。不过针对气体浓度和温度的探测 都很容易受到扩散流动等因素的影响。 火灾过程中也往往伴随着各种声音。而燃烧音是指燃烧过程中，由于高温 将周围的空气加热，从而使之膨胀形成压力声波，其频率仅在数1 4 _ z 左右( 次 声) 。这种次声是物质燃烧的共同现象，而且在这个频带中日常杂音也很少，所 以在这个频带探测可以去除相当大部分的噪声干扰。燃烧现象在可听域及超声 一1 1 浙江大学硕十学位论文 域也会产生声波。然而可听域有很多日常噪声干扰，且并非所有的燃烧都会产 生超声波。因此这两个频率范围的声音一般不作为火灾探澳0 的参数。 综上所述，电气火灾过程中的这些物理特征是对火灾进行有效监测、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、温度探测、光声探测等。本 论文所讨论的电子鼻系统即为气体探测器中的一种。 2 5 电线电缆受热析出气体成分分析 电线电缆材料如聚乙烯、聚氯乙烯等在燃烧时会不同程度的释放出很多不 同种类的毒害气体，而阻燃剂特别是卤素阻燃剂的加入又增大了有害气体及腐 蚀性气体的释放。电线电缆燃烧时释放出的烟气成分如表2 1 所示 表2 1 常用线缆材料燃烧烟气成分表 景合物聚乙聚氯氯磺化聚乙丙橡胶氯丁橡胶 烯乙烯氯乙烯 勺萨 c o 大量大量大量大量 大量 c 0 2 大量大量大量大量大量 n o x 小量小量小量 无小量 s 0 2 无小量大量 无小量 h c l 无大量大量 无大量 h c n微量 无无微量无 聚氯乙烯是一种广泛应用的塑科制品，同时聚氯乙烯电线电缆也是目前用 量最大的电线电缆。在发生火灾时，p v c 材料将会发生热解和燃烧现象，释放 出大量的h c i 气体，这种气体属于粘膜窒息性有毒气体，浓度足够大时会导致脬 吸困难、窒息甚至死亡清华大学季春生等人对p v c 材料燃烧时h c i 的释放 规律进行了研究【3 1 】，结果表明p v c 材料在受热升温后的热解阶段就会释放出 大部分h c i 气体，使得烟气毒性达到峰值。对于p v c 材料燃烧产生的火灾，其烟 气毒性最大状况发生在火焰出现之前。这与人们通常所认为的火灾烟气毒性的 最大状况发生在轰燃现象之后这一常识是不同的，而在火灾过程中，一氧化碳 等气体烟气毒性的最大状况是发生在轰燃现象之后的。 一1 2 浙江大学硕： 学位论文 2 6 电线电缆火灾原因及其危害性 根据消防部门的统计，国内大火灾案例中电气火灾约占8 0 ，其中每年发 生的电气火灾中因电线电缆引发的火灾占5 0 以上，居各类火灾之首，给企业 和社会造成了巨大的经济损失和人身伤亡电线电缆引起火灾，大多数是由于 电缆过负荷、短路、接触电阻过大及外部热源作用引起的。大部分电线电缆的 绝缘及护套材料由各种聚合物组成。在实际火灾中往往产生以下危害：( 1 ) 生烟 量大。聚氯乙烯材料在燃烧过程中会产生大量的烟雾。例如英国伦敦地铁有限 公司所做的燃烧实验表明，一根1 米长的约含o 8 5 千克的p v c 电缆，从燃烧 着火起所产生的烟气可在不到5 分钟的时间内完全笼罩容积为1 0 0 0 m 3 的房间。 此时烟的浓度将造成呼吸困难，严重阻碍人员疏敖和灭火救援( 2 ) 产生有害气 体，并造成“二次危害”。火场可以导致人员死亡的最主要原因是烟气中毒烟 雾中的有毒气体主要来源于材料在火灾中的燃烧。实验结果表明，材料在空气中 燃烧产生的气体产物包括c o 、c 0 2 、s 0 2 、n h 3 、c h 4 、h c n 、h c l 等，其中 c o 、c 0 2 是火灾中致人死亡的最主要的气体 3 2 3 4 尽管一氧化碳的毒性是 二氧化碳毒性的1 0 5 0 倍，但是可燃物质在充分燃烧情况下，二氧化碳才是致人 昏迷的主要原因| 3 5 1 。另外聚氯乙烯等含氯聚合物除在高温条件下能分解出氯 化氢等有毒气体，对人的生命构成直接威胁外，氯化氢溶解形成的稀盐酸附着 在电器设备等装置上，会严重降低设备的安全性；稀盐酸渗透吸附在建筑物钢 结构材料上，对材料形成的腐蚀作用也将降低建筑物的使用寿命，人们称这种 损害为“二次损害”( 3 ) 不能保证电气线路的正常供电。普通聚氯乙烯电线遇 火后，在很快时间内就丧失供电能力，结果导致消防水泵、电梯、应急照明等 自动控制电路无法正常工作。给消防救生，财产撤离带来了很大的麻烦。( 4 ) 加 剧燃烧，进一步扩大火灾。虽然高聚物如硬质聚氯乙烯等属于难燃材料，但在 众多的火灾中表明，集中敷设的电线电缆一旦遇火后，燃烧迅速难于扑灭，易 导致火灾事故扩大。由此可见，大部分电线电缆都是由聚合物材料构成，而聚 合物材料是可燃材料，燃烧时火焰易蔓延；尽管聚氯乙烯塑料和一些含卤的电 线电缆材料有阻燃自熄性，但一旦燃烧，会释放出大量腐蚀性气体、毒性气体 和浓烟，这些腐蚀性气体、毒性气体和浓烟不仅危及到生命安全，而且还严重 腐蚀设备和建筑物，同时给消防救生、财产撤离工作造成很大的困难。 一1 3 浙江大学硕士学位论文 第3 章电子鼻技术及电子鼻数据采集系统的构成 3 1 电子鼻技术 3 1 1 电子鼻系统的构成 电子鼻系统的构成框图如图3 1 所示。一般由传感器阵列、信号预处理单 元以及模式识别单元构成。 图3 1 电子鼻系统构成框图 典型的电子鼻系统由气敏传感器阵列、微处理机与接口电路和模式识别系 统组成。气敏传感器阵列可以是由分立的气敏传感器构成，也可以是单片集成 的气敏传感器阵列。气敏传感器阵列用来感应气体中的化学成分，产生可以用 来测量的物理量的变化。常用的气敏传感器包括金属氧化物气敏传感器、高分 子聚合物材料等。将气敏传感器构成阵列，可利用其对多种气体的交叉敏感性 实现对混合气体的分析与检测。正确地选择传感器的种类和材料对于整个电子 鼻系统的性能有着很大的影响。气敏传感器的响应经接口电路进入微处理机， 之后采集到的信号被进行预处理，完成滤波、转换和特征提取。信号经过预处 理单元后被送入模式识别单元，模式识别部分主要采用人工神经网络和统计模 式识别等方法。由于人工神经网络对非线性问题具有很强的处理能力，并能够 在一定程度上模拟生物体的神经联系，因此在电子鼻系统中得到了广泛的应用。 3 1 2 电子鼻传感器技术的研制进展 电子鼻系统中传感器阵列对整个系统的性能有着很大的影响。可以说传感 器阵列是电子鼻的心赃，它的功能是把不同的气味分子在其表面的作用转化为 可测的物理信号。随着微制造工艺和微电子机械加工技术的发展，各种新型传 感器不断涌现，因此电子鼻的研制近年来也有快速的发展。按照传感器工作原 理的不同，可以分为五种类型：压电型传感器，导电型传感器，电容电荷祸合 型传感器，光学传感器以及基于图谱方法的传感器。 一】4 - - 浙江大学硕士学位论文 压电型传感器分为石英晶体微平衡型传感器和表面声波型传感器两种。它 们能测量温度、质量变化、力的强度以及加速度等。但在人工嗅觉系统中，主 要用来制造感测质量变化的仪器。对于导电型传感器而言，也分为金属氧化物 型传感器和导电聚合物型传感器两种类型。在电子鼻系统中，金属氧化物型传 感器有着广泛的应用。金属氧化物型传感器通常由活性材料、电极和基底材料 几部分构成，其基准响应一般在几小时到几天之间会发生漂移，所以以后采用 的信号处理算法应能抵消这一类漂移另外，金属氧化物型传感器也容易发生 硫化物中毒。但由于这类传感器容易制造，并且价格低廉，所以至今仍被广泛 应用。另外一种导电型传感器是导电聚合物型传感器常用的导电聚合物包括 聚吡咯、噻吩、吲哚和呋喃等一类家族。与金属氧化物型传感器所不同的是导 电聚合物型传感器在常温下工作，因此不需要加热器，比较容易制造而且适合 用在手提式仪器上聚合物型传感器的灵敏度很高，但也存在着一些不足，主 要是：活性物质的电聚合化过程比较困难和耗时，所以不同批量之间生产的产 品会有一些偏差，同时响应也会随时间而漂移。 以上是从传感器的工作原理上对传感器进行的划分。我们知道，构成传感 器的材料必须对不同的气味均能产生响应，即要有很强的通用性：并且构成传 感器的材料在与嗅味分子相互作用或反应时必须是快速的和可逆的，不能产生 任何记忆效应。因此根据构成传感器的材料类型的不同，现有的传感器还可分 为金属氧化物半导体、导电有机聚合物膜、声表面波与石英晶振，红外线光电 等类型。其中以s n 0 2 为代表的金属氧化物半导体型气敏传感器应用最为广泛， 这种敏感器件的分类如表3 1 所示 表3 i 金属氧化物半导体型气敏传感器的分类 所利用的特性敏感材料工作温度 典型被测气体 晶体管 p d m o s f e t1 5 0i 2 、h 2 s 体电阻 y f e 2 0 3 。t i 0 23 0 0 4 5 0还原性气体蒸汽等 表面电阻s n 0 2 ，z n o室温4 5 0还原性气体蒸汽等 表面电位 a 9 2 0 室温硫化物、醇类 二极管整流p d t i 0 2室温。2 0 0 h 2 、c 0 、乙醇等 晶体管 p d - m o s f e t 1 5 0h 2 、h 2 s s n 0 2 型气敏器件按加热方式的不同可分为直热型和旁热型两种。这种类型气 敏传感器的工作原理是，当敏感层表面与空气发生接触时，空气中的氧分子靠电 一1 5 浙江大学硕士学位论文 子亲和力捕获敏感层表面上的自由电子而吸附在s n 0 2 膜表面上，从而在晶界上形 成一个势垒，这一势垒限制了电子的流动，导致器件电阻增加，结果是s n 0 2 表面 带负电。当传感器被加热到某个温度并与c o 和h 2 等还原性气体接触时，还原性气 体分子与s n 0 2 表面的吸附氧发生化学反应，降低了势垒高度，使电子容易流动， 从而降低器件的阻值。 ， 综上所述，随着微电子技术和微电子机械加工工艺的发展，传感器的性能 会进一步提高，价格更加合理，整个电子鼻系统的体积也会变小，从而适用的 范围将更广，检出的气体种类会变得更丰富，灵敏度也将进一步得到提高。 3 1 3 电子鼻信号处理方法的研究进展 在电子鼻系统的构成中，信号预处理单元以及其后的模式识别单