淺談火焰探測器種類和原理及發展方向

摘 要：筆者在參考前人研究調研的基礎上，結合多年在火焰探測領域的實際設計經驗體會，闡述了目前火焰探測器的種類、原理和特點，并探討了火災探測技術今后的發展方向。

關鍵詞：紅外熱釋電；紫外光電；火災探測

引言

火災是一種失去人為控制的燃燒過程，它能夠造成人員傷亡和財產損失等危害。火災通常以燃燒的形式表現，燃燒產生的物理參量有熱（溫度）、煙（煙霧粒子）、光（火焰）、氣（氣體）、聲（燃燒音）。火災探測的本質就是將火災中出現的物理現象，利用傳感元件進行感受，并將其轉化為易處理的物理信號，并告知預警設備或人類。按照探測火災物理量的不同，火災探測器可以分為：感溫火災探測器、感煙火災探測器、氣體火災探測器、感光火災探測器、聲音探測器五大類型[1]。針對這些火災參量的探測結合具體的探測實現技術，現有火災探測器種類又可具體分為如圖1所示。其中感光型火災探測器即火焰探測器具有響應速度快、探測距離遠、保護面積大等優點，已被用于航天工業、化學工業、公路隧道、彈藥倉庫、油漆工廠、石化企業、制藥企業、電廠、物流倉庫等易燃易爆工業和民用場所。

1 火焰探測器的種類和原理

1.1 火焰探測器的種類

根據目前消防標準規定和探測器的原理差別，通常火焰探測器分為兩大類：第一類是以探測火焰輻射光譜中紅紫外光為目標的感光型火焰探測器，第二類是基于模式識別技術，以識別火焰發生時表現出來的顏色、亮度、閃爍、邊緣變化等視覺特征為目標的圖像型火焰探測器。根據火焰燃燒所產生的光譜特性，目前使用的感光型火焰探測器又可分為三種：一種是對火焰中波長較短的紫外光輻射敏感的紫外探測器；另一種是對火焰中波長較長的紅外光輻射敏感的紅外探測器；第三種是同時探測火焰中紫外線和紅外線的紅紫外復合型探測器。

1.2 火焰光譜特征

圖2是火焰和地表太陽光的光譜簡圖。不同的物質燃燒，其發射的紅紫外光譜有所差別，但從圖中可以明顯看出三個火焰輻射曲線凸起部分，其中一個是紫外段0.28um以下部分，另兩個分別是紅外段4.4um和2.6um附近，在這三個波段，地表上的日光輻射曲線恰好處于波谷位置。其中4.4um附近出現的火焰輻射波峰部分，是燃燒產物CO2受熱而發出的共鳴輻射發光光譜，它比其他光譜具有絕對大的輻射強度，此特征為火焰所特有，通常對火焰的紅外探測就是利用本波段。因大氣層的強烈吸收，太陽光的輻射在0.28um以下短波長輻射在地球表面上極少能觀測到，該波段被稱為“日光盲區”紫外波段[2]。紫外光敏管的響應波長范圍一般為180nm至260nm之間，而對其它頻譜范圍的光線不敏感，利用它可以對火焰中的紫外線進行檢測。大多紫外火焰探測器正是利用這一“日盲區”波段進行工作從而獲得了較高的探測靈敏度。

1.3 紅外熱釋電效應

當電介質受到紅外輻射后，其內部溫度升高，自發極化強度隨之降低，這時它表面的電荷也隨之釋放，當溫度達到居里點時，電荷全部釋放，這種現象稱為電介質的熱釋電效應。紅外熱釋電傳感器就是基于這種原理制成的[3]。熱釋電紅外傳感器結構如圖3所示，這里電介質是一個靈敏元電容，在外部電壓和紅外光照射下，通過電容充放電在傳感器源極產生一個幾十微伏的電壓信號輸出，然后經過放大濾波處理后加以利用。通常CO2共鳴式點型火焰探測器除了用光學濾光片有選擇地感受火災特有的紅外輻射光線，并且感受到的光強度達到一定閾值外，還選擇火焰的燃燒起伏頻率作為判據，所以提高了探測的可靠性。

1.4 紫外光電效應

當紫外線透過紫外光電管外殼入射到陰極金屬表面時，如果光頻率大于極限頻率值（即入射光的波長小于臨界波長）時，就可產生光電效應而在瞬間逸出光電子，在光頻率不變的情況下，入射光強度越大，單位時間內陰極發射的光電子數目越多。光電子在電場的作用下向陽極運動，途中與管內氣體原子碰撞而發生電離現象。電離過程形成新的電子與光電子一起被陽極吸收，正離子卻向反方向運動被陰極接收。在圖4所示電路中形成數倍于真空光電管的光電流。一般紫外管用純金屬作為陰極材料，通過在紫外管內充入特殊的氣體，經過繁流倍增放電達到高輸出的目的。

綜上，火焰的輻射波長在0.1-10μm或更寬的范圍，為了避免其他信號的干擾，常利用上述波段光譜特征，以熱釋電紅外傳感器和紫外光敏管作為核心器件，輔以必要的信號處理元件制成了單波段紅外、單波段紫外、紅紫外復合火焰探測器。此類火焰系統避開了最強大的自然光源——太陽光造成的復雜背景，使得在系統中信息處理的負擔大為減輕，所以可靠性較高，加之它是光子檢測手段，因而信噪比高，具有反應時間快的特點。

1.5 圖像型火焰探測器

圖像火災探測就是利用圖像處理的方法，探測火災中發生的各種可見的物理現象，以及這些物理現象的圖像表現在多大程度上代表了火災的典型特征而區別于火災以外的其他物理現象。在圖像型火焰探測技術領域，常用的方法主要是通過分析火焰的顏色、紋理、亮度時變、閃爍頻率、邊緣變化等參數作為火災探測的判據，確定火災發生。在實現算法上有圖像分割算法、趨勢算法、概率神經網絡算法等等[4-5]。目前國內外各大公司和科研機構基于圖像識別的火災探測器產品數量眾多，但某些產品的探測抗干擾性水平有待提高。

2 性能特點和應用場所

三波段紅外探測器、紅紫外復合式探測器和圖像探測器是目前市場上主流火焰探測器，它們的原理決定了各自都有優缺點，因此在消防安裝設計中必須根據監測保護區域的特點選擇一種或多種探測器，表1給出了目前市場上存在的不同火焰探測器的特點及適用場所。

3 火災探測技術的發展方向

3.1 極早期火災探測

普通火災的發生可分為四個階段：預燃階段、可見煙霧階段、火焰燃燒階段和猛烈燃燒階段[6]。傳統的探測器一般都是在火災發展的后三個階段實現報警，而此時火勢可能已造成危害。針對這一情況，研究人員著手火災極早期的探測研究，譬如CO火災探測器。火災時，CO含量變化早于煙霧和火焰出現，且擴散性比煙霧強，國內外開始出現采用主動吸氣式紅外光譜吸收原理測量CO的濃度的火災探測器。

3.2 多傳感器復合探測

只針對火災的某一特性（如溫度、煙霧、火焰、氣體等）進行探測和報警，容易出現漏報、誤報等情況。采用多傳感器檢測兩種、三種甚至多種火災參量的復合探測方式，可以大大提高火災探測預警的可靠性[7]。如今市場上出現的譬如點型溫度煙霧復合式探測器、視頻多波段紅外火焰探測器等新產品即是這方面技術的應用成果。提高在太陽光、雨滴、大霧、熱源、煙塵、各類人造光源等干擾條件下火災探測的可靠性始終是研究人員工作的努力方向。

3.3 系統化、網絡化、一體化和小型化

與其他領域新技術與火災探測技術的融合，特別是嵌入式技術、總線技術、無線技術、物聯網技術的快速發展和應用，使得火災探測報警朝著系統化、網絡化、一體化、小型化的方向發展。系統化、網絡化是指現在的火災預警系統采用二總線、CAN總線、Modbus總線、GPRS網絡、Zigbee網絡等物理介質和網絡協議，以火災探測器為智能前端，構建綜合消防報警處理管理系統。一體化、小型化是指前端火災探測器應用嵌入式技術、電子信息技術，探測單元和處理單元一體化，外形小型化，接口網絡化，使安裝維護更加美觀便捷。物聯網技術的發展應用使得火災探測預警技術躍上一個更新更高的臺階。隨著納米技術的發展，現在已有研究人員開始使用這種新型材料來開發火災探測傳感器[8]。

3.4 人工智能、模糊神經網絡技術在火災探測中的應用

具備自我體檢功能，對灰塵、電路漂移具有補償功能，可以發出需要檢修、維護信號；具有自學習智能單元，能夠根據探測器使用環境的變化，自動調整靈敏度，自動切換晝/夜等工作模式。利用模糊控制理論和神經網絡算法形成對火災對象的描述，利用多傳感器信息融合技術模擬檢測火災現象的發生過程，充分發揮模糊邏輯明確的推理規則和接近人的感官判斷的優點與神經網絡的自適應、自組織和魯棒性等特點[9]，在提高探測靈敏度的同時提高火災預警的準確性。

3.5 特殊區域的火災探測

如空間航天器、艦船動力艙、風電機組機艙、機動車發動機艙等，這些特定區域一般空間封閉且狹小、設備密集，周邊溫度、濕度、電磁環境惡劣，存在電氣過熱短路、機械摩擦、易燃油、易燃品等火災隱患，這些特定區域的火災探測方法和裝置的研究在我們國家目前大都處空白或起步階段，個別公司或科研院所推出的產品面臨著行業規范和國家標準缺乏的現狀，產品一致性和實用性存在疑問。

3.6 人工嗅覺探測火災

人工嗅覺探測火災系統，就是利用氣敏傳感器構成的陳列和適當的模式識別系統，模擬人的鼻子，用來識別火災氣味[10]。嗅覺模擬在火災探測中的應用目前在世界范圍內尚處在研究階段，應用成熟的技術成果較少，當前有代表性的有美國利用嗅覺模擬系統在空間站內識別多種有毒化學物質，“聞”出站內電氣設備產生的過熱氣味。

4 結束語

火災探測技術在保護自然資源和人民生命財產安全中起著非常重要的作用，近年來在我們國家得到了快速發展。本文在前人研究調研的基礎上，結合這些年在火焰探測領域的實際設計經驗體會，給出了火焰探測器的種類、原理和特點，并探討了火災探測技術今后的發展方向，以供實際工作者參考使用。限于筆者水平，文中不當處敬請批評指正。

參考文獻

[1]程曉舫，等.火災探測的原理和方法[J].中國安全科學學報，1999，（1）：24-29.1-5.

[2]劉曉科，等.一種日盲區紫外信號探測系統前端[J].探測與控制學報，2007，（12）：41-44.

[3]張斌斌.點型火焰探測器的原理及應用[J].品牌與標準化，2011，（10）：41-42.

[4]THUILLARD M. A new flame detector using the latest research on flames and fuzzy-wavelet algorithms [J].Fire Safety Journal， 2002，（37），371-380.

[5]程鑫，王大川，尹東良.圖像型火災火焰探測原理[J].火災科學，2005，（10）：239-244.

[6]杜建華，張認成.火災探測器的研究現狀與發展趨勢[J].消防技術與產品信息，2004（7）：10-14.

[7]李力.中國火災探測技術的現狀及其發展趨勢[J].火災科學，2001，（4）：116-118.

[8]龔雪，等.氣體火災探測器的研究與發展[J].消防科學與技術，2005，（11）：735-737.

[9]何建華，等.模糊神經網絡在火災探測中的應用[J].自動化儀表，2011，（10）：48-51.

[10]劉靜.基于人工嗅覺系統的智能火災探測研究[D].太原：太原理工大學，2008，4：13-17.

作者簡介：劉建翔（1977-），男，漢族，山東昌邑人，山東省科學院自動化研究所，山東省汽車電子技術重點實驗室，碩士，助理研究員，主要從事火災探測方面的技術研究工作。