（生物医学工程专业论文）基于电子鼻技术的电气火灾预警系统研究.pdf

摘要 优点，也是目前研究的热点。本文研究了多壁碳纳米管的预处理和纳米金属粒 子掺杂，同时我们制作了以多孔a 1 2 0 3 为基底的金叉指电极，在其上涂敷不同 处理后的碳纳米管，制备成安培型的气敏传感器。我们研究了不同处理后碳纳 米管的气敏性能，理论分析和实验表明；金属粒子的掺杂改变了碳纳米管的物 理结构和电特性，使得其对气体响应灵敏度和选择性都有了明显的改变。由不 同碳纳米管传感器构成的阵列满足电子鼻系统对阵列交叉敏感、广谱和冗余的 要求，在电子鼻系统中具有很好的应用前景。 通过对电气火灾的模拟，得到不同故障条件下传感器阵列的响应模式。分 别利用时域阈值算法、基于统计原理的算法和人工神经网络算法对传感器阵列 的响应信号进行处理，得到电气火灾的预警模型。结果表明三种算法都可以有 效的探测到电气火灾隐患，探测时间比现有文献上报导的大大缩短。由于气敏 传感器的广谱性，传感器也会对干扰气体产生响应，而时域阈值算法和统计原 理算法由于缺乏对气体源的辨识能力，很容易造成误报。而基于神经网络的模 式识别技术不仅可以探测到传感器响应的变化，同时也能根据传感器响应特征 区分是由电线释放气体还是其它干扰气体引起的响应，从而实现降低误报警率 的目标，提高了系统的可靠性和稳定性。此外，利用神经网络的学习能力，系 统可以方便的推广到类似的应用目标中，如变压器油状态检测等。 关键词：电子鼻，电气火灾，预警，碳纳米管，气敏传感器，神经网络，模式 识别 2 a b s tr a c t e l e c t r i f i c a t i o nc o n t r i b u t e st og r e a tp r o g r e s si np r o d u c t i v i t ya n dc i v i l i z a t i o no f t h ew o r l d 。h o w e v e ri ta l s oc a u s e sag r e a tn u m b e ro fe l e c t r i c a if i r e s s i n c e 19 9 0 s ，t h ep r o p o r t i o no fe l e c t r i c a lf i r e sk e p to ni n c r e a s i n gi nc h i n a ，a sw e l la s t h el o s s o fp r o p e r t ya n dl i v e s a n dt h es a m ew a sf o u n da b r o a d t h e p r e d o m i n a t i n gm e c h a n i s mo fe l e c t r i c a i f i r ei sa b n o r m a lh i g ht e m p e r a t u r e c a u s e db yo v e r l o a d s ，s h o r tc i r c u i t ，p o o rc o n n e c t i o n s ，a r c i n g ，l e a k a g e ，l i g h t n i n g o rs t a t i ce l e c t r i c i t y ，w h i c hm a yc a u s ei g n i t i o no ft h ec o m b u s t i b l es u b s t a n c eo r s p o n t a n e o u sc o m b u s t i o no fw i r e s a tp r e s e n tt h ee l e c t r i c a l f i r ed e t e c t i o n m e t h o d si n c l u d ew i r es u r f a c et e m p e r a t u r ed e t e c t i o na n de l e c t r o m a g n e t i s m p r i n c i p l eb a s e dd e t e c t i o n ，w h i c hm a y c a u s el a r g en u m b e ro ff a l s ea l a r m sa n d m a i n t e n a n c ed i f f i c u l t y c o n s i d e r i n gt h a th i g ht e m p e r a t u r ew i l lc a u s et h e r m a l d e g r a d a t i o no fe l e c t r i c a li n s u l a t i o nm a t e r i a l sa n dc o n s e q u e n t l ys p e c i f i cg a si s r e l e a s e d ，w ei n t r o d u c e de l e c t r o n i cn o s et e c h n o l o g yt oa p p l i c a t i o no fe a r l y s t a g ee l e c t r i c a lf i r ep r e c a u t i o n i tw a sa b l et od e t e c tt h ee l e c t r i c a l f a i l u r ei n f i n i t et i m ea n dr e a l i z ep r e c a u t i o n a f t e rt h e o r e t i c a ia n a l y s i so ft h e r m a ic h a r a c t e r i s t i c so fe l e c t r i c a l n s u l a t i o n m a t e r i a la n dt h e r m a ld e g r a d a t i o np r o c e s so fc o m m o n l yu s e dp v cw i r e 。w e o b s e r v e dt h ep v cw i r eb e i n gh e a t e da n df o u n dt h a tb e f o r et h er e l e a s eo f s m o k em a s so r g a n i cg a sc o u l db ed e t e c t e db yg c t h ec o n c e n t r a t i o n i n c r e a s e da st h eh e a t i n gt e m p e r a t u r ei n c r e a s e d ，w h i l et h ec o m p o n e n t s c h a n g e da b i t t h i sr e s u l ti sb a s i so fs e n s o ra r r a yd e s i g n d u et ot h en e e do fr e a l - t i m ed e t e c t i o n 。a sw e l ia st h ee n v i r o n m e n t a jf a c t o ro f w i r e ，a na c t i v es a m p l i n ge l e c t r o n i cn o s ew a sd e s i g n e d u n d e rt h eo p e r a t i o no f s a m p l i n gp u m p ，t h em a j o r i t yo fr e l e a s e dg a si sc o l l e c t e dt ot h ea i rc h a m b e r t h e r e f o r et h ei n f l u e n c eo fw i n dt og a sd i f f u s i o ni sr e d u c e dg r e a t l ya n dt h e s a m p l i n ge f f i c i e n c yi si n c r e a s e dt o o 。t h u sr e s u l t si n f a s tr e s p o n s eo fs e n s o r a r r a y t h eg a s c h a m b e rp r o v i d e st h es e n s o ra r r a yar e l a t i v e l ys t a b l e e n v i r o n m e n t ，w h i c he n h a n c e ss t a b i l i t y a n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t sa l s ol n d i c a t e dt h a t ，t h ea c t i v es a m p l i n gm o d eh a st h e q u i c k e rs p e e do fr e s p o n s et h a n t h a t o fp a s s i v ed i f f u s i o nm o d e ，w h i c h l e n g t h e n st h ep r e c a u t i o n t i m e s i g n i f i c a n t l y a s o l i da d s o r p t i o nb a s e d e n r i c h m e n t s y s t e m i si n d u c e d w h i c hc a na l s of u r t h e re n h a n c et h e p e r f o r m a n c eo ft h es y s t e m 3 c a r b o nn a n o t u b ea san e wk i n do fg a ss e n s i t i v em a t e r i a lh a sh i g hs e n s i t i v i t y 。 l o wd e t e c t i n gl i m i t sa n dc a nw o r ko nn o r m a lt e m p e r a t u r e ，w h i c hm a d ei tt h e h o ts p o ta tp r e s e n tr e s e a r c h p r e t r e a t m e n ta n dt h en a n o - m e t a l p a r t i c l ed o p i n g o f m u l t i - w a l lc a r b o nn a n o t u b e ( m w c n t ) w e r es t u d i e d d i f f e r e n tm w c n t s o l u t i o n sw e r ed r o p d e p o s i t e do n t oi n t e r d i g i t a t e da ue l e c t r o d e so np o r o u s a 1 2 0 3s u b s t r a t et om a k ea m p e r o m e t r i cg a ss e n s o r sr e s p e c t i v e l y t h e p e r f o r m a n c eo ft h es e n s o r sw a sc a r e f u l l ys t u d i e d t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n d e x p e r i m e n t si n d i c a t e dt h a tt h en a n o - - m e t a l p a r t i c l ed o p i n gc h a n g e ds t r u c t u r e a n dt h ee l e c t r i c i t yc h a r a c t e r i s t i co fm w c n t ，t h u st h e yh a do b v i o u sd i f f e r e n c e i ng a ss e n s i t i v i t ya n ds e l e c t i v i t y w h i c hw e r ee s s e n t i a lt of 6 r mas e n s o ra r r a yi n a ne l e c t r o n i cn o s e d i f f e r e n tr e s p o n s ep a t t e r n so fs e n s o ra r r a yw e r eo b t a i n e dt h r o u g hs i m u l a n t e l e c t r i c a if a i l u r eo fd i f f e r e n tb r e a k d o w nc o n d i t i o n s t i m ed o m a i nt h r e s h o l dr u l e 。 s t a t i s t i c a lp r i n c i p l eb a s e da l g o r i t h ma n dt h ea r t i f i c i a in e u r a in e t w o i r kw e r e c h o s e na ss i g n a lp r o c e s s i n gm e t h o d st ow o r ko u tt h ee l e c t r i c a lf i r ep r e c a u t i o n m o d e l t h er e s u l t si n d i c a t e da l lt h r e ea l g o r i t h m sc o u l de f f e c t i v e l yd e t e c th i d d e n t r o u b l eo fe l e c t r i c a lw i r e s ，a n dt h ep r e c a u t i o nt i m ew a sm u c hl a g e rt h a nt h a t r e p o r t e di ne x i s t i n gl i t e r a t u r e t i m ed o m a i nt h r e s h o l da l g o r i t h ma n ds t a t i s t i c a l p r i n c i p l eb a s e da l g o r i t h ml a c k o ft h ea b i l i t yt od i s t i n g u i s hb e t w e e nr e a l e l e c t r i c a if a i l u r ea n dn u i s a n c e ，b e c a u s eg a ss e n s o r sa l w a y sh a v ep o o r s e l e c t i v i t ya n dw i l lr e s p o n s et oa l o to fn u i s a n c e sa sc i g a r e t t es m o k e a n dt h u s r e s u l t si nf a l s ea l a r m s p a t t e r nr e c o g n i t i o nt e c h n o l o g yo fa r t i f i c i a ln e u r a l n e t w o r kc a nn o to n l yd e t e c tt h er e s p o n s eo ft h es e n s o ra r r a y b u ta l s oc a n i d e n t i f yw h e t h e ri ti sc a u s e db yg a s e sr e l e a s e db yw i r e so ro t h e rd i s t u r b a n c e g a sa c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i c so ft h es e n s o rr e s p o n s e ，t h u sa c h i e v e sl o w f a l s ea l a r mr a t ea n de n h a n c e sr e l i a b i l i t ya n ds t a b i l i t yo ft h es y s t e m d u et ot h e l e a r n i n ga b i l i t yo fa n n ，t h es y s t e mc a ne a s i l ye x t e n dt os i m i l a ra p p l i c a t i o n s k e y w o r d s ：e l e c t r o n i cn o s e ，e l e c t r i c a lf i r e ，p r e c a u t i o n ，c a r b o nn a n o t u b e ， g a ss e n s o r , p a t t e mr e c o g n i t i o n ，a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k 4 图表索引 图表索引 插图 图1 1 电子鼻与生物嗅觉系统之间对应关系8 图1 - 2 电子鼻数学模型9 图2 1 均质导体温升曲线2 1 图2 - 2 圆导线的热传导2 1 图2 3 电流流过导体时温度变化示意图2 2 图2 _ 4 过载电流为额定值2 倍时电缆的温度特性f 1 3 6 】2 5 图2 5 过载电流为额定值1 1 倍时电缆的温度特性【13 6 】2 6 图2 - 6 过载电流为额定值1 1 倍时电缆的温度特性( 局部放大) 【1 3 6 】2 6 图2 7p v c 脱h c i 过程2 7 图2 88 0 时电线释放气体色谱图2 9 图2 99 0 时电线释放气体色谱图2 9 图2 1 01 0 0 时电线释放气体色谱图2 9 图2 1 11 1 5 时电线释放气体色谱图3 0 图2 1 21 3 0 时电线释放气体色谱图3 0 图2 1 31 4 5 c 时电线释放气体色谱图3 0 图2 1 41 6 5 时电线释放气体色谱图3 0 图2 1 5 二甲苯的色谱图3 1 图2 1 62 - 乙基己醇色谱图3 1 图孓1 电线加温实验系统示意图3 7 图3 - 2 电子鼻系统组成3 7 图3 3 电子鼻系统基本工作原理3 7 图3 _ 4 有限元分析模型结构示意图3 9 图3 5 气管流速为4 c m s 时系统流速分布图3 9 图3 - 6 气管流速为1 0 c m s 时气室模型1 的流速分布图4 0 图3 - 7 气管流速为1 0 c m s 时气室模型2 的流速分布图4 1 图3 8 气室模型1 ( 左) 和2 ( 右) 气室中间处的速度分布曲线4 1 图3 9 气室模型1 和2 中间离轴线1 5 c m 处流速与进气1 ：3 流速的关系4 2 图3 - 1 0 气体三维扩散的( a ) 高斯模型和( b ) 浮羽流模型4 3 图3 - 1 1 实际使用的富集系统示意图。4 9 图3 - 1 2 吸附管性能测试系统4 9 图3 1 3t e n a x - g 对苯的吸附效率曲线4 9 图3 1 4 生物嗅觉系统模型5 1 图孓1 5 气敏传感器阵列模型5 3 图3 1 6 数据采集软件界面5 7 图孓1 7 数据采集软件参数设置5 8 图3 1 8 火灾探测系统的流程5 8 图4 1 碳纳米管的高分辨电子显微镜照片，从左到右为s w n t ，m w n t ( 分别包含2 层、 川 图表索引 3 层、4 层、5 层石墨片层) 6 0 图4 - 2m w c n t 粗产物的电镜图6 2 图4 3 酸化处理不同时间的m w c n t 电镜图，a d 依次是2 h 、8 h 、1 6 h 、2 4 h 6 2 图4 - 4 化学还原钯掺杂的原理示意图6 3 图4 - 5 不同反应时间掺杂钯后m w c n t 电镜图，从左至右依次是1 0 、2 0 、3 0 i n 6 4 图4 - 6 不同电量的镀钯m w c n t 电镜图，( a ) 1 0 m c ，( b ) 1 5 m c ：6 4 图4 7 掺杂c u 扣前后m w c n t 的电镜图，( a ) 酸化8 h 的m w c n t ，( b ) 1 0 r a gc u e l ：掺杂后的 m w c n t 6 5 图4 - 8 化学还原掺杂铜离子过程和掺杂后m w c n t 的电镜图6 6 图4 - 9 电极结构( a ：俯视图，b ：加样后的侧视图) 6 7 图4 10 测试系统示意图6 7 图4 1 1 单次测试传感器电流变化曲线 图4 - 1 2m w c n t 传感器对不同浓度二甲苯的响应6 8 图4 - 13 酸化处理时间对m w c n t 气敏性能的影响一6 9 图4 1 4 掺杂时间对镀钯后m w c n t 气敏性能的影响7 0 图4 - 1 5c u z + 掺杂量对传感器灵敏度的影响7 0 图4 1 6s w c n t 的灵敏度曲线7 1 图4 1 7m w c n t 的灵敏度曲线7 1 图4 18 化学还原掺钯m w c n t 的灵敏度曲线7 1 图4 - 1 9 电化学掺铜m w c n t 的灵敏度曲线7 2 图4 - 2 0 金电极表面的多壁碳管气敏膜结构示意图7 4 图5 1 传感器响应特性7 7 图5 2 电线起火状态下传感器的响应7 8 图5 3 电线在8 0 下的响应信号7 9 图电线在1 0 0 下的响应信号8 0 图5 5 电线在1 2 0 下的响应信号8 0 图5 与电线在1 4 0 下的响应信号8 0 图5 7 电线在8 0 1 4 0 c 时s 3 的响应( 减去基线值) 8 1 图5 - 81 4 0 c 电线释放气体被动扩散时传感器的响应8 2 图5 9 传感器阵列基线8 2 图5 1 0s 1 基线漂移8 2 图5 1 1 主动采气( a ) 和被动扩散( b 、c ) 时热源对传感器的影响一8 3 图5 1 2 传感器阵列对香烟的响应信号8 4 图5 13 传感器阵列对丁烷的响应8 4 图5 1 4 传感器阵列对乙醇蒸气的响应8 4 图6 1 z = 1 0 时1 2 0 电线的响应与其变化率曲线8 7 图6 2 丁= 1 0 时1 4 0 。c 电线的响应与其变化率曲线8 7 图6 3 丁= 1 0 时丁烷的响应与其变化率曲线8 8 图6 4 歹= 1 0 时香烟的响应与其变化率曲线一8 8 图6 51 2 0 电线的响应与其持续时问信号9 0 图6 - 61 4 0 c 电线的响应与其持续时间信号9 1 v 图表索引 图6 7 丁烷的响应与其持续时间信号9 1 图6 8 香烟的响应与其持续时间信号一9 1 图6 91 0 s 时间窗内信号的功率谱密度函数9 6 图6 101 2 0 电线响应信号与其能量变化曲线明 图6 1 1 丁烷响应信号与其能量变化曲线9 7 图6 - 1 2 香烟响应信号与其能量变化曲线- 9 7 图昏1 3 叠加高频脉冲后1 2 0 c 电线响应信号与其能量变化曲线9 7 图6 1 4 神经元结构1 0 0 图6 1 5b p 网络的系统结构一1 0 1 图6 1 6b p 网络学习结构1 0 1 图6 1 7 神经网络训练输入原始数据( 特征提取前的信号) 一1 0 4 图6 1 8 神经网络训练输出数据1 0 5 图6 1 9b p 网络1 训练过程1 0 5 图6 - 2 0b p 网络2 训练过程1 0 6 图6 - 2 tb p 网络1 对8 0 电线的识别结果1 0 6 图6 2 2b p 网络2 对8 0 电线的识别结果1 0 6 图6 - 2 3b p 网络1 对1 0 0 电线的识别结果1 0 7 图6 - 2 4b p 网络2 对1 0 0 电线的识别结果一1 0 7 图6 - 2 5b p 网络1 对1 2 0 。c 电线的识别结果1 0 7 图6 - 2 6b p 网络2 对1 2 0 电线的识别结果1 0 7 图6 - 2 7b p 网络1 对1 4 0 。c 电线的识别结果1 0 8 图6 - 2 8b p 网络2 对1 4 0 c 电线的识别结果1 0 8 图6 - 2 9b p 网络1 对丁烷的识别结果1 0 8 图6 - 3 0b p 网络2 对丁烷的识别结果1 0 8 图6 3 1b p 网络1 对香烟的识别结果1 0 9 图6 3 2b p 网络2 对香烟的识别结果1 0 9 图6 3 3b p 网络1 对乙醇的识别结果1 u 9 图6 3 4b p 网络2 对乙醇的识别结果1 0 9 表格 表1 11 9 9 3 - 2 0 0 2 年我国电气火灾起数及经济损失统计数据3 表2 11 9 9 3 - 2 0 0 2 年我国重特大电气火灾按起火源的统计数据1 9 表2 21 9 9 3 2 0 0 2 年我国重特大电气火灾按起火原因的统计数据1 9 表2 3p v c 电线加热现象观察一z 蚤 表2 _ 4p v c 受热分解产物g c 分析结果3 1 表2 5p v c 受热分解产物g c 分析结果( 续) 3 2 表2 击参考有机物的g c 分析结果3 z 表3 1t e n a x - g 吸附管对苯的吸附过程5 0 表3 - 2 吸附和解析过程的参数5 0 q 图表索弓 表4 1 不同处理碳纳米管的灵敏度7 2 表5 1 传感器响应特性7 8 表5 2 电线急剧受热或燃烧的传感器响应7 9 表6 1 固定门限检测法在不同阈值时探测时间( s ) 8 6 表6 - 2 变化率检测法在不同时间间隔设置时的探测时间( s ) 8 8 表6 3 固定门限与变化率相结合算法探测时间( s ) ，其中变化率算法时间间隔5 s 8 9 表6 4 不同阈值时持续时间算法得到的探测时间( s ) 9 1 表6 5 统计检测算法得到的探测时间( s ) 9 7 表6 - 6b p 网络算法得到的探测时间( s ) 1 1 0 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，也不包含为获得堑江盘堂或其他教育 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。 学位做作者签名另伺生签字日期砂压9 月，秒日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝堑太堂有关保留、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。本人授权逝迤太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) 学位论文作者签名易户包导师签名j 强缘书 签字日期：擗歹月，汐日 签字日期： 学位论文作者毕业后去向： 工作单位： 通讯地址： e - r e a l l 地址： o 轿 f 电话： 邮编： 勺月，汐日 第一章绪论 在人类生活生产和文明发展过程中，火发挥了非常重要的作用，它不仅改善 了人类的饮食与取暖条件，而且不断促进社会生产力的发展，使人类创造出了大 量的社会财富。从某种意义上说，火的应用对人类文明和社会进步起了巨大的推 动作用。然而火既可以造福人类，也会违背人们的愿望，给我们带来巨大的灾害： 一旦让火在具备燃烧条件的地方自由发展，就会四处蔓延，吞噬那里的各种可燃 物质，这就是火灾。往往由于一把火，人们辛苦多年创造和积累的财富转瞬间化 为灰烬，火灾还可以无情的夺去人的宝贵生命。目前随着城市化进程的加快，人 口和财富也越来越集中，以及新材料、新工艺的应用，火灾造成的损失和影响也 越来越大【1 1 。据统计，大多数国家的火灾直接损失都占国民经济总值的0 2 以 上，造成的死亡率可占人口总死亡率的十万分之二。除直接损失外，火灾的间接 经济损失、人员伤亡损失、灭火费用等也相当的大，而且有些损失在短期内看不 出来，火灾总的损失大约是直接损失的5 倍以上【2 】。 火灾是一种发生频率很高的常见灾害，是一种时间和空间上都失去控制并造 成一定损害的燃烧过程。对火灾探测的研究和应用也有很长的历史，现代火灾探 测器诞生已有1 0 0 多年，但由于安全产品不问断工作的长期性、火灾发生的随机 性、保护场所的多样性、环境条件的不确定性，对探测系统的准确性、稳定性和 可靠性都有重要的影响，导致误报漏报等时有发生【1 】。 据统计，八五期间我国发生的各类火灾中，建筑火灾的次数占所有火灾的 7 5 、死亡人数占8 7 8 、受伤人数占8 2 1 、直接经济损失占8 5 7 【1 】。 在这当中，电气火灾是一个重要的组成部分。 1 1 电气火灾 自从1 7 世纪初人类发现了电后，我们的生存和发展就和电有着紧密的联 系。随着工业、农业、国防等各行业的电气化，生产力得到了极大的提高，人 类的生活水平和社会文明也不断的进步。与此同时，遍布我们生活环境中的电 线电缆和电力电子设备的异常也常常导致电气火灾的发生，给人民的生命和财 产造成的损失也与日俱增。 浙江大学博士学位论文 1 1 1 概述 电能通过电器设备及线路转化成热能，并成为火源和燃烧物而引发的火灾， 称为电气火灾【3 】。一般指由电气线路、用电设备、器具以及供配电设备出现故 障性释放热能，如高温、电弧、电火花以及非故障性释放热能，如电热器具的 炽热表面，在具备燃烧条件下引燃本体或其他可燃物而造成的火灾。我国将雷 电和静电引起的火灾也列入电气火灾范围【4 】。 电气火灾主要发生在建筑物内，人员密集、疏散困难且排烟不畅，极易造 成群死群伤的重大事故。卡拉o k 厅、电子游戏室、居民住宅、中小学校、医 院、图书馆等建筑中用电设备大量增加，用电负荷也急剧上升，在这些场所一 旦因电气故障发生火灾，后果不堪设想。相关统计数据表明，近年来，我国低 压电气线路火灾十分突出，造成了大量的人员伤亡和财产损失。根据( 2 0 0 5 年中国家庭用电环境调查报告披露，我国城市家庭用电中7 5 。9 存在不同程 度的安全隐患，另外根据有关资料显示，8 0 年代电气火灾约占我国火灾总数的 1 5 ，居第三位；9 0 年代以来，电气火灾已经占火灾总数的2 0 以上，跃居 第一位。电气火灾除了损坏财产、破坏建筑物、导致人员伤亡以外，还将造成 大范围、长时间的停电，给人民群众的生命财产带来更大的损失。由于存在触 电的危险，电气火灾和爆炸的扑救更加困难，因此对电气火灾的早期预警具有 重要的意义。 除了民用建筑中容易发生电气火灾外，在很多工业场合，尤其是电厂，也 是电气火灾的隐患区域。随着机组容量的增大，自动化水平的提高，电缆用量 越来越多。一台2 0 0 m w 的机组，各类电缆长达2 0 0 3 0 0 k m 。由于电缆长度 增加，其火灾事故的发生几率也相应增加。特别是一些运行时间长的非阻燃电 缆，存在着严重的事故隐患【5 】。 1 1 2 电气火灾的危害 由于电气系统分布广泛，通常敷设在隐蔽处且长期持续运行，火灾隐患期 或初期时不易被观察到，故电气火灾隐患具有分布性、持续性和隐蔽性。另外， 电气火灾的危险性还与用电情况密切相关，当用电负荷增大时，容易引发电气 故障，进而造成火灾。 电气火灾的人员伤亡、财产损失和社会振荡都是巨大的。美国在1 9 6 5 - - , 一2 一 第一章绪论 1 9 7 5 年统计的3 2 8 2 次电气火灾事故中，电线电缆事故3 0 5 ，直接损失约 4 0 0 0 万美元。该期间核电厂发生的1 0 次火灾事故中，起因于电缆着火或延燃 造成灾害扩大就占7 次。日本曾对钢铁、石油化学、造纸等工厂企业调查，有 7 8 的单位发生过电缆着火，其中危害程度大的事故占4 0 【6 1 。美国消防管 理局2 0 0 6 年底的统计表明在美国一年内住宅中电气火灾次数达到6 7 8 0 0 次， 造成4 8 5 人死亡和6 8 6 亿美元的财产损失，其中电气线路引起的火灾数量是 电气设备的两倍。 我国电气火灾无论是在火灾原因还是在火灾直接经济损失方面多年来都处 于各类火灾统计数的首位，同时电气火灾不仅一直呈现居高不下的局面，而且 损失惨重的重特大火灾往往也由电气火灾所造成。可以说电气火灾已成为影响 我国社会消防安全的主要致灾因素。在1 9 9 3 2 0 0 2 年的十年中，我国公安机 关调查的8 0 余万起火灾中，电气火灾高达2 0 余万起，约占火灾总数的2 5 3 ， 电气火灾所造成的直接经济损失占火灾总损失的3 7 4 。其统计数据详见表 1 1 【7 - 1 6 】。 表1 - 11 9 9 3 2 0 0 2 年我国电气火灾起数及经济损失统计数据 火灾数量火灾损失( t j 元) 年度 火灾 电气火灾 电气火灾 总起数 电气火灾总损失电气火灾 比例i ) 比例( ) 19 9 33 8 0 7 3 9 3 7 42 4 61 1 1 6 5 8 3 0 3 13 5 2 6 02 8 1 19 9 43 9 3 3 71 0 5 8 32 6 912 4 3 9 0 9 85 3 7 6 2 0 04 3 2 19 9 53 7 9 1 51 0 5 9 82 8 01 1 0 3 1 5 5 44 7 9 10 2 54 3 4 1 9 9 63 6 8 5 61 0 4 9 22 8 510 2 9 0 8 5 03 7 2 6 5 0 93 6 2 1 9 9 7 8 5 5 7 82 2 7 1 92 6 514 8 6 7 0 4 06 5 3 3 6 3 0 4 3 9 19 9 88 4 0 6 72 3 1 5 32 7 513 8 4 3 0 9 05 16 8 3 4 03 7 3 19 9 99 7 6 7 62 4 2 3 32 4 8 1 3 5 1 6 6 0 0 4 7 8 6 4 0 03 5 4 2 0 0 01 2 2 2 0 23 1 9 3 32 6 11 1 8 9 5 7 7 04 5 3 10 8 03 8 1 2 0 0 1 1 2 4 2 8 23 0 9 5 42 4 99 4 2 4 6 9 03 0 0 6 2 1 03 1 9 2 0 0 2 1 3 9 5 5 72 9 7 4 12 1 39 6 6 2 5 9 03 1 4 2 1 2 03 2 5 合计 8 0 5 5 3 8 2 0 3 7 8 02 5 31 1 8 1 3 7 1 1 24 4 19 6 7 7 43 7 4 1 1 3 火灾探测的发展概况 火灾是可燃物和助燃剂之间发生的剧烈的化学反应，通常伴有发光发热的 物理化学现象，且在此过程中会产生气溶胶、烟雾、光、热和燃烧波等，目前 火灾探测就是通过对上述参量的测量和分析来确定火灾的过程【1 】。 一3 一 浙江大学博士学位论文 人类对火灾的探测研究已经经历了1 0 0 多年的历史。早在1 8 4 7 年美国的 c h a n n i n g 和f r a n r m e r 就研究出世界上第一台用于城镇火灾报警的发送装置， 1 8 9 0 年英国人研制成功了感温火灾探测器，在接下来的半个多世纪中感温火灾 探测器一直占主导地位，火灾自动报警系统处于初级发展阶段。感温型探测器 灵敏度比较低，火灾进入发展阶段才能探测到，所以无法实现火灾早期报警的 要求。2 0 世纪5 0 年代瑞士研究成功离子型感烟探测器，促进了火灾早期自动 报警技术的发展。在火灾发生的初期一般均会释放出烟雾颗粒，而且通常出现 的比火焰和高温都要早，而且感烟型探测器稳定性好、误报率低、寿命长，因 此得到了广泛的引用并占据了主要地位。2 0 世纪7 0 年代末，由于长寿命的光 电元件技术取得突破，光电感烟探测器应运而生，而且比离子型探测器更环保， 因此到2 0 世纪9 0 年代，日本、瑞士的光电感烟探测器的销售量上升到9 0 以上，欧洲也大幅度减