（检测技术与自动化装置专业论文）基于ftir的早期火灾探测方法研究.pdf

摘要 摘要 火灾作为一种频发性自然灾害，对人类生命财产和社会安全构成极大了的威 胁。研究火灾发生发展的规律，特别是早期火灾的探测研究对于防范火灾，保护 人民生命财产安全具有极为重要的意义。 火灾在发生过程中总是伴随着能量流和物质流的产生，具体表现为火焰、气 体、烟和燃烧音等。传统火灾探测器针对这些探测参量的响应时间过长，当它们 发出报警信号的时候火势已无法有效控制，再者传统探测器多采用单个时刻的火 灾参量作为判断标准，在外界干扰下易引起频繁误报或漏报，难于进行早期火灾 的准确预报。 火灾中的气体与火灾同步产生，其浓度变化与火灾息息相关，且传播速度 快，适合用于火灾早期探测。本文以c o 和c 0 2 为早期探测的特征气体，建立了 基于傅立叶变换红外光谱分析技术的早期火灾探测试验系统。通过对c o 、c 0 2 气体光谱吸收特性的研究，制定出适合于c o 、c 0 2 浓度定量的光谱分析方法。 针对各类真假火源，利用实验系统进行了大量加热燃烧实验，采集到实验过程中 的特征气体c o 、c 0 2 光谱数据、加热视频图像、传统探测器报警时间和环境温 度等火灾参量，通过光谱定量分析得到c o 、c 0 2 浓度。 在理论与实验研究的基础上，提出使用火灾过程特征信息来判别火灾的发 生与否。通过对加热初期c o 浓度数据的时间序列建模和c o c 0 2 浓度比值的分 析，提取出三个火灾过程信息参数：c o 浓度的a r ( 2 ) 模型参数氟、：和c 0 c 0 2 浓度比值标准差盯，通过计算并综合考虑报警时间和过程信息分辨真假火源的能 力，确定取实验前1 3 分钟的数据作为建模数据。利用自适应神经模糊推理系统 建立起基于火灾过程信息参数的早期火灾探测系统。通过验证比较，该探测系统 真假火源分辨力极高，报警准确可靠。在实验条件下，可比传统火灾探测器报警 时间提前l o 分钟以上，将报警时间提前到火灾初期，实现了火灾的早期报警。 关键词：早期火灾探测红外光谱时间序列模糊神经网络 a b s t r a c t a b s t r a c t a san a t u r ed i s a s t e r , f i r e so c c u rf r e q u e n t l ya n db e c o m eo n eo ft h eg r e a t e s t t h r e a t st op e o p l e sl i f e ，p r o p e r t ya n ds o c i a ls e c u r i t y i t sv e r yi m p o r t a n tt os t u d yt h e l a w o f f i r e ，e s p e c i a l l yt h ee a r l y f i r ed e t e c t i o nm e t h o d st oa v o i d i n gg r e a tl o s s i nt h ep r o c e s so faf i r e ，t h e r ea r ea l lk i n d so fp h y s i c a lp a r a m e t e r s ，f o re x a m p l e f l a m e ，g a s e s ，s m o k e ，c o m b u s t i o ns o u n d ，a n ds oo n c o n v e n t i o n a lf i r ed e t e c t o r sn e e d l o n gt i m e t or e s p o n dt ot h e s ep a r a m e t e r s ，u s u a l l yt h ef i r eh a v eo u to fc o n t r o lw h e nt h e d e t e c t o r sg i v ea l a r m s i t sn o taw i s ec h o i c ef o rf i r ed e t e c t o r st ou s ep a r a m e t e r sa ta s i n g l et i m ea sf i r ea l a r mc r i t e r i o ni nf i r ee n v i r o n m e n t sf u l l o fn u i s a n c ea l a r m a sa r e s u l t ，t h ed e t e c t o r s o f t e ng i v ew r o n ga l a r ma n dc a u s eg r e a tl o s s g a s e sa r es u i t a b l ef o re a r l yf i r ed e t e c t i o nb e c a u s et h e y & r ep r o d u c e da tt h es a m e t i m ew i t l lf i r e sa n dt h e ys p r e a dq u i c k l y b a s e do nag r e a td e a lo fr e s e a r c h w eg e tt h e c o n c l u s i o nt h a tc oa n dc 0 2a r et h eb e s tt a r g e tg a s e st od e t e c te a r l yf i r e s i no r d e rt o r e s e a r c he a r l yf i r e s c h a r a c t e r s ，as p e c i f i ce x p e r i m e n ts y s t e mi ss e tu pb a s e do nf t i r t e c h n o l o g y t h r o u g he x p e r i m e n t so f r e a lf i r es o u r c e sa n dn u i s a n c ea l a r ms o u r c e s ，w e g e ta l lk i n d so f f i r ep a r a m e t e r s ，i n c l u d i n gs p e c t r u mo fc oa n dc 0 2 ，f i r ev i d e o ，a l a r m t i m eo fc o n v e n t i o n a lf i r ed e t e c t o r s ，a n de n v i r o n m e n te t c t h ec o n c e n t r a t i o no f c oa n d c 0 2a t eg e tb ys p e c t r a la n a l y s i s a na l a r ma l g o r i t h mw h i c hu s et h ee a r l yf i r e s p r o c e s si n f o r m a t i o ni sp u tf o r w a r d b a s e do ns y n t h e t i c a lf i r er e s e a r c h b yt i m es e r i e sa n a l y s i s ，w eb u i l daa u t o - r e g r e s s i v e m o d e lf o rt h ec o n c e n t r a t i o no f c o ，t h em o d e lp a r a m e t e r s 而、办c a n d i s c r i m i n a t er e a l f i r es o u r c e sa n dn u i s a n c es o n l e s f u r t h e rm o r e ，w ef o u n dt h es t a n d a r dd e v i a t i o n 盯 o fc o c 0 2c o n c e n t r a t i o nr a t i oc a na l s od i s t i n g u i s hr e a lf i r e sf r o mn u i s a n c ea l a r m s ，s o t h r e ef i r ep r o c e s si n f o r m a t i o n 而、2a n d 盯a r ce x t r a c t e df r o me a r l yf i r e s ，a n dt h e c o n c e n t r a t i o nd a t ao ff i r s tt h i n e e nm i n u t e si nf i r e si se h o o s e dt ob eu s e da se x t r a c t i o n d a t a b a s e do na n f i s ，a na l a r ma l g o r i t h mi s s e tu pw h i c hu s ee a r l yf i r ep r o c e s s i n f o r m a t i o n s t h er e s u l t ss h o wt h a td i s c r i m i n a t i o nb e t w e e nr e a lf i r ea n dn u i s a n c e a l a r m sc a nb ea c h i e v e d n ea l g o d t h r ni sr e l i a b l ea n ds u i t a b l ef o re a r l yf i r ea l a r m ，a n d i tc a l lp r o v i d eat e nm i n u t e se a r l i e ra l a r mt h a nc o n v e n t i o n a lf i r ed e t e c t o r si nt h es a m e e x p e r i m e n t e n v i r o n m e n t k e y w o r d s ：e a r l y f i r ed e t e c t i o n ；f t i r ；t i m es e r i e sa n a l y s i s ；a n f i s 声明 第一章绪论 1 1 前言 1 1 1 课题来源 第一章绪论 本课题来源于福建省自然科学基金项目，项目编号d 0 2 0 0 1 5 1 1 2 课题研究的意义 火灾作为一种频发性自然灾害，时刻威胁着人类的生命和生存环境。随着我国 经济的迅速发展，火灾损失也呈现出逐步上升的趋势。1 9 9 4 年1 2 月8 日克拉玛依 友谊馆火灾死3 2 5 人，2 0 0 0 年圣诞夜洛阳东都商厦特大火灾死3 0 9 人；2 0 0 4 年2 月 5 日吉林中百商厦和海宁特大火灾死9 4 人1 1 月3 日衡阳特大火灾死消防官兵2 0 人；2 0 0 5 年1 月2 0 日造价2 5 亿元的南京青少年科技中心被大火烧毁等等。火灾造 成的生命和财产损失不计其数，据不完全统计，在过去的5 年中，全国火灾损失居 高不下，群死群伤事故接连不断。除森林、草原和军队火灾外，2 0 0 0 年全国共发生 火灾1 8 8 6 万起，死3 0 2 1 人，伤4 4 0 4 人，直接财产损失1 5 2 亿元：2 0 0 3 年火灾数 上升到2 5 5 万起，直接损失1 1 6 亿元2 1 。森林火灾除导致巨大的林业资源损失外， 也对国家或世界区域性生态平衡造成严重的破坏【3 1 。当今减少和预防火灾已成为人 类面临的重大挑战。火灾防治的总体目标是通过发展先进的火灾防治技术，依赖科 学的火灾安全工程设计体系和火灾科学管理与应急预案体系，实现火灾防治有效性 和经济性的科学统一。其中，对火灾进行“早期、迅速、准确地探测”是火灾安全 工程的关键技术之一【4 j i ”，即在火灾发生初期及时探测出火情，并且要求很高的探测 灵敏度和很低误报率。 由于火灾系统的复杂性和火灾发生在时空上的随机性，使得火灾探测比其他任何 物理量的检测都要复杂得多，火灾探测系统必须具备探测的长期性、可靠性、及时性 和准确性。掌握、认识以及提取早期火灾燃烧物产生的特征信息是研究先进火灾探测 技术的基础，也是信息科学一个新兴的研究领域。本课题就是要采用先进的傅立叫变 换红外光谱( f t i r ) 分析技术研究火灾早期气态产物随时间的动态变化特征，以及这种 特征的有效提取方法，进而研究基于特征的火灾探测方法，实现火灾的早期预报，将 第一章绪论 火灾消灭在明火期之前，有效地降低火灾损失。故课题的研究对我国经济的稳健发展 和人民的生命财产安全有极其重要的现实意义。 1 2 火灾探测原理 火灾是一个复杂的非平稳动态过程【6 】，火灾发生、发展过程中除了自身的物理化 学变化以外还会受到许多外界因素的干扰，各种干扰的介入给火灾的快速准确报警带 来了一定的难度。因此，火灾探测与一般物理量的检测有着本质的区别，火灾探测技 术包含火灾量的检测和确定火灾是否发生的火灾算法两部分内容。火灾一旦产生便以 接触式( 物质流) 和非接触式( 能量流) 的形式向外释放能量f 7 】【8 1 。接触式形式包括 可燃气体、燃烧气体；烟雾、气溶胶等f 9 】【1 0 1 。非接触式如声音、辐射等】。火灾探测 技术就是利用敏感元件将火灾中出现的物理化学特征转换为另外一种易于处理的物 理量，再通过火灾算法判断火灾是否发生。各种探测器对应的火灾物理参量及探测器 如图1 1 所示。 火焰c 非接触式， 墨萎二眚鬈娄箸鬈 温度一感温传感器 火灾 燃烧产物。接触式， 固体产物 微粒 萎三姜： 妻主要 烟雾形状一图像传感器 气体产物一气体传感器 燃烧音( 非接触式) 一声音传感器 图1 1 火灾物理参量与对应传感器 随着传感技术和信号处理手段的不断完善，火灾探测技术也随之有了突飞猛进的 发展】。已经从单一的物理量探测逐步转变为多元复合智能探测模式”。为火灾监 测提供了可靠的保证。 1 3 火灾探测技术研究现状 1 3 1 火灾探测器 火灾探测器发展到现在已经有了一百多年的历史，从1 9 世纪4 0 年代到2 0 世纪 ， 第一章绪论 4 0 年代的一百年间，感温探测器一直占据着主导地位，但也只是处于初级阶段。在 这期间逐渐出现了定温探测器、差温探测器和差定温组合式探测器。2 0 世纪5 0 年代 至7 0 年代期间，出现了感烟火灾探测器。8 0 年代后期，总线制火灾探测器开始兴起 5 1 ，其后又出现了模拟量可寻址技术给火灾探测技术注入了新的活力，为火灾探测 的智能化发展奠定了良好的基础。到9 0 年代开始倡导早期火灾智能报警系统，它能 在火灾发生初期对火灾进行识别并发出报警信号，将火灾抑制在萌芽状态。如今又发 展起来的许多新型的火灾探测器，使得火灾探测越来越准确可靠。 根据探测范围不同，可大致将它们划分为：( 1 ) 点型探测器：以探测器为中心点， 对周围火灾参数进行响应的火灾探测器。目前大部分的火灾探测器属于点型火灾探测 器。( 2 ) 线型火灾探测器：这种火灾探测器形成一个连续的线路，并对这一连续线路 周围的火灾参数进行响应。 根据探测方法或火灾量的类型，火灾探测器可分为感温火灾探测器、感烟火灾探 测器、感光式火灾探测器、气体火灾探测器、图像火灾探测器和声音火灾探测器等。 ( 1 ) 感温火灾探测器 物质在燃烧过程中，释放出大量的热，使环境温度升高，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。 由于可采用敏感元件繁多，如热敏电阻、热电偶、双金属片、易熔金属、膜盒式 半导体元件等，故而感温式火灾探测器的种类也颇多。根据感热效果和结构型式，可 将它们分为定温火灾探测器、差温火灾探测器和差定温复合火灾探测器。定温火灾探 测器根据局部环境到达规定温度上下时开始动作。差温火灾探测器根据升温速率束动 作，如果升温速率超过预定值时则发出报警信号。差定温复合火灾探测器是兼有差温、 定温两种功能的感温火灾探测器。 感温火灾探测器结构简单，电路少，与感烟探测器相比可靠性高、误报率低，且 可以做成密封结构，防潮防火防腐蚀性好，可在恶劣环境( 如风速大、多灰尘、潮湿 等) 使用，但是灵敏度低，响应时间长，对阴燃初期的“点”火源反应不灵敏，且监 视区域十分有限。现在有些j 一家在感温探测器上也加上了智能芯片，使其能对偶尔出 现的干扰信号进行识别，大大提高了它的工作能力。 第一章绪论 另外，随着光纤技术的发展，出现了分布式光纤感温探测器，大大的改变了感温 传感器的性能。它是一种线型探测器，采用光纤作为信号传输媒体，利用r a m m a n 散射及光时域反射原理通过高速a d 转换采集信号并进行分析，可以测定沿光纤分 布的线性温度场的温度参数，并可据此设定报警闽值。光纤所特有的本安特性及抗电 磁干扰能力特性使得它特别适用于隧道、大型变压器等特殊环境场合的应用。 ( 2 ) 感烟火灾探测器 感烟式火灾探测器具有早期报警的效果，是目前使用最为广泛的一种探测器。感 烟火灾探测器可分为离子型、光电型、电容式和半导体型等几种。其中又以离子型和 光电型火灾探测器使用居多。 离子感烟探测器 离子感烟火灾探测器是通过检测放射性元素州镅( 2 4 1 a m ) 构成的电离室的电压变 化来感知烟雾浓度的装置。如图1 。2 所示2 4 1 镅( 2 4 1 a m ) 不断放射出a 射线，n 离子高 速运动撞击空气分子从而使极板间空气分子电离为正离子和负离子( 电子) ，这样电 极之间原来不导电的空气具有了导电性。从而形成电离室。如果在极板间加上一个电 压e ，极板间原来做杂乱无章运动的正负离子，此时在电场的作用下，正离子向负极 运动负离子向正极运动，形成电离电流。当有火灾发生时。烟雾粒子进入检测电离室 后，被电离的部分正离子和负离子吸附到烟雾离子上去。因此离予在电场中运动速度 比原来降低，而且在运动过程中正离子和负离子互相中和的几率增加，使得能够到达 电极的有效离子数更少；另外由于烟雾粒子的作用，a 射线被阻挡，电离能力降低了 很多，电离室内产生的正负离子数就少，从而使得电离电流减少。 一镅 图i - 2 电离室示意图 离子感烟火灾探测器按电离室可分为双极性和单极性两种f 1 6 l 。整个电离室全部 被a 射线所照射，电离室内的空气都被电离，我们把这种电离室称为双极性电离室。 所谓单极性电离室，是指电离室局部被a 射线所照射，使一部分形成电离区，而未被 - d - 第一章绪论 n 射线所照射的部分则为非电离区。这样在同一个电离室内分为两个性质不同区域。 实际使用的离子感烟探测器都采用两个单极性电离室串联的形式，一个作为检测电离 室，另一个作为补偿电离室，这样可以减少环境温度、湿度、气压等自然条件变化对 电离电流的影响，提高探测器的环境适应能力和稳定性。 离子感烟探测器采用的是传统的接触式烟雾探测方法，对有焰火产生的小颗粒烟 粒子敏感，对于粒径较大的阴燃烟雾粒子，响应灵敏度则偏低【1 7 j 【1 8 】，尤其是安装高 度的限制，粒径大于1 “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，故两通常都要避免在相对 湿度高于9 5 的环境下使用，再者就是要安装防风罩以减少风速对探测器探测性能的 影响。 光电感烟探测器 光电感烟火灾探测器按其动作原理不同，即烟雾粒子对光路遮挡和对光散射原 理，可以分为减光型和散光型两种。减光式光电感烟火灾探测器的检测室内装有发光 元件及受光元件。在正常情况下，受光元件接受到发光元件发出的一定光量；而在火 灾时，探测器的检测室内进入了大量烟雾，发光元件的发射光受到烟雾的遮挡，因而 使受光元件接受的光线减少，光电流降低，探测器发出报警信号。原理示意图如图 i 3 所示。现在这种形式探测器应用较少。 图1 - 3 减光型光电感烟探测器原理图 目前世界各国生产的点型光电感烟火灾探测器多为散射型光电感烟探测器。此种 探测器的检测室内亦装有发光元件和受光元件。在正常情况下，受光元件是接受不到 发光元件发出的光的，因此不产生光电流。在火灾发生。烟雾进入探测器的检测室时， 第一章绪论 由于烟雾离子的作用，使发光元件发射的光产生漫射，这种漫射光被受光元件所接受 使受光元件阻抗发生变化产生光电流。从而实现了将烟雾信号转变成电信号的功能 探测器发出报警信号【1 9 1 。原理示意图如图1 - 4 所示。 图1 4 散射型光电感烟探测器原理 在感烟探测器研究方面，中国科技大学火灾科学国家重点实验室作了大量且卓有 成效的研究工作 2 0 1 。他们的鉴定成果光截面图像感烟系统，如图1 - 4 所示，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，可排除偶然 误报因素。 发 射 器 接收器 接收器 图1 5 光截面线型光束感烟光路示意 离子感烟和光电感烟火灾探测器由于自身的特点和使用环境，现在哪一个也无法 完全取代对方。离子感烟探测器对各种明火烟雾检测效果较好，对阴燃烟雾也能检测， 但易受探测环境的影响，误报率较高。同时，由于使用了放射源镅，易对环境造成污 染。光电感烟探测器是利用红外光散射的原理来进行烟雾浓度的探测，对环境不存在 污染问题，对阴燃火烟雾的探测性能明显优于离子探测器，但对某些黑烟探测效果较 差，这也是光电探测器没有完全取代离子感烟探测器的原因之一。 发射器 第一章绪论 在探测区域内，周围环境因生产作业造成的正常情况下，有大量粉尘、水雾、烟、 或其它气溶液存在( 例如水泥厂、农药厂、面粉厂、染织厂的烘干车间等) ，可能引起 感烟探测器误报，此种场合不宜选用感烟探测器。在存在高频电磁波干扰的场合不适 合使用光电感烟探测器。 ( 3 ) 感光式火灾探测器 感光火灾探测器又称为火焰探测器，是一种响应火焰辐射光谱中的红外和紫外的 点型火灾探测器，主要有红外火焰型和紫外火焰型两种。红外火焰探测器的探测波长 为7 0 0 0 _ ，紫外火焰探测器的探测波长为4 0 0 0 j 。由于光辐射的传播速度快 ( 3 10 8m s ) ，且火焰探测器的传感器件接收光辐射的响应时间极短( m s 数量级) ，因 而火焰探测器响应速度也极快。它对于环境中气流速度也没什么限制，这类探测器适 用于生产、储存和运输高度易燃物质( 特别是可燃液体火灾或爆炸品) 的危险性场所 以及昂贵设备或关键设施对火情有特殊监测需要的地方。对于起火速度快。且无烟遮 蔽的明火火灾反应最为灵敏。其中紫外火焰探测器不受风雨、阳光、高湿度、气压变 化、极限环境湿度等影响，能在室外使用，但在雷电及电弧光有大量紫外线产生的场 所运用此设备时，必须采取一定措施以防止菲火灾报警。另外。在产生火光之前就有 大量烟雾产生的场合，不宜单独采用紫外线火焰探测器，必须与其它感烟探测器联合 使用。一般紫外火焰探测器同快速灭火系统和抑爆系统联动【2 ”，组成快速自动报警 灭火系统和自动报警抑爆系统。 ( 4 ) 气体火灾探测器 目前气体火灾探测器主要有两类：可燃气体型( 主要探测对象是还原性气体) 和 燃烧气体产物型【冽( 主要探测对象是c o 和c 0 2 ) 。 可燃气体型 可燃气体通常是指城市煤气、石油液化气、汽油蒸汽、酒精蒸汽、天然气以及煤 矿瓦期等易燃易爆、有毒有害的气体。这些气体主要含有烷类、烃类、烯类、醇类、 氢以及一氧化碳等成分。因此，在，扛产、运输、储存和使用这些气体的过程中，如果 违反操作规程或设备密封质量不好，都有可能发生可燃气体泄漏现象，进而酿成火灾 或爆炸事故。 第一章绪论 针对这些可燃气体探测器主要有半导体型可燃气体探测器、载体催化型可燃气体 探测器、固体电介质型可燃气体探测器、光电型可燃气体探测器等。 燃烧气体产物型 火灾发生的气态燃烧产物主要成分为h 2 0 、一氧化碳c o 、二氧化碳c 0 2 、碳氢 化合物( c 。h 。) 。一般情况下，c o 和c 0 2 在空气中的含量极低。只有在燃烧发生时 才会产生大量的c o 和c 0 2 。这些气体比烟雾粒子产生得早，在感烟火灾探测器尚未 发出报警信号前已达到相当大的浓度。所以。针对这两种气体进行监测将会在很大程 度上反映出环境中有燃烧现象发生，而且早期报警的效果比感烟探测器好。 ( 5 ) 图像火灾探测器 对于物质燃烧产生的火焰，除了可以分析它的光谱特征外，还可以对其火焰形状 进行利用，这样就产生了图像火灾探测器。火焰是高温物体，而它的周围环境则是处 于常温状态。火灾火焰在发展的过程中其形状有个不断变化和持续的过程，而普通 火焰( 如打火机点火、蜡烛燃烧、煤气火焰等) 和高温发光源( 如白炽灯、电炉等) 则没有这个变化过程。这样就形成了火灾识别和探测算法的重要基础。国内已有研究 表明利用液晶片和c c d 摄像机可对火灾图像进行有效的探测f 2 3 】 2 4 】。液晶片在不透光 的情况下仍能透过红外光，正常使用条件下的黑白c c d 摄像头对近红外光也有响应。 将液晶片放置在摄像机前就能获得具有强烈红外光的火焰图像。通过对红外图像的处 理，即可识别真假火灾，达到火灾探测的目的。另一个就是利用红外辐射成像技术判 别火情。特别适合于监测正在运行中的电器设备，它能检测电器设备发射出的红外辐 射能量并将其转换为相应的信号，再经专门的电信号处理系统进行处理，最后再经成 像装置得到与物体表面温度相对应的热图像。 ( 6 ) 声音火灾探测器 声音火灾探测器利用燃烧所特有的次声波现象制成的声音传感器。物质在燃烧过 程中，会放出大量的热能，对周围空气进行加热，使得空气膨胀，形成压力声波，其 频率仅有数赫兹。这种超低频( 次声波) 的声音现象为物质燃烧所共有。且在这个频率 范围内，同常杂音很少，所以，可以在很大程度上避免环境对探测器的于扰。h 本东 京消防厅消防科学研究所利用这个特性并结合防风和防振措施研制出了性能优良的 声音火灾探测器【2 ”。 8 一 第一章绪论 ( 7 ) 其他火灾探测器 随着纳米技术的发展，现在研究人员已经丌始使用这种新型的材料来丌发火灾探 测器，研究表明，制作传感器是纳米材料最有前途的应用领域之一。目前传感器的小 型化、微型化和智能化是其主要发展方向之一，国内外传感器研究逐步集中在开发新 型敏感材料的选择性传感器上。在气体传感器领域，由于纳米材料粒度小，表面积大， 结晶表面催化活性强，极有可能开发出性能优良的气敏元件，存在巨大的研究开发价 值和商业前景【2 6 1 。 1 3 2 火灾探测算法 将火灾发生的物理特征通过传感器转化为电信号以后，必须用火灾探测算法判断 火灾是否发生，以确定探测器是否发出预警信号。根据火灾物理参数探测方式的不同， 可将探测算法分为接触式火灾探测算法和非接触式火灾探测算法两类。 ( 1 ) 接触式火灾探测算法 接触式火灾探测算法主要应用于接触式火灾参量的探测，如图1 1 所示，主要有 感温、感烟和气体传感器等，接触式火灾探测算法分为阀值算法、浮动式阈值算法以 及过程算法等。 早期的探测算法都采用阈值法，即在传感器中设定一个阈值，如果检测到的参数 高于这个设定值，探测器就认为发生火灾，报警器发出报警信号，否则认为火灾没有 发生。但是环境条件的变化会影响探测器的探测性能，固定的阈值探测算法显然是 不可靠的，例如在气温高和气温低的时候，温度探测器的报警温度应该有所不同，以 免探测器的输出受到环境温度的影响：探测器长期暴露于空气中，其灵敏度也会发生 漂移等等。这些因素通常都会引起误报警或漏报警。 为了消除环境因素对火灾探测器性能的影响，将阀值算法作以改进形成了浮动 式阈值算法。其原理是用专门的传感器对探测器的周围环境参数进行跟踪检测，并依 照检测结果对探测器算法的阀值进行自动调整，从而保证更高的正确报警率。 随着火灾探测技术的发展，出现了能够输出模拟量数据的火灾探测器，于是便产 生了模拟量火灾探测算法，又称过程法【2 7 。火灾的发生是有一定的规律的，通过大 量实验可以找出它在发生过程中各种物理特征变化的规律，再将探测器探测得到的模 0 第一章绪论 拟量数据通过计算机分析与人们所掌握的规律进行对比，如果两者相符，就认为发生 火灾，发出报警信号，反之，则说明没有火灾发生。 f 2 ) 非接触式火灾探测算法 非接触式火灾探测算法主要应用于非接触火灾探测参量的探测主要有图像、火 焰和声音探测器等。它也是在模拟量探测器的基础上发展起来的，非接触式火灾探测 算法与过程法相类似。都是通过对所得到的大量数据进行分析来提取火灾特征，与实 验中得到的各种火灾情形特征比较判断火灾的发生与否。不过非接触式探测算法还有 很多值得深入研究的方面，如通过烟气的湍流效应和火焰图像等来建立火灾探测算法 等。 传统火灾探测器大都采用单个时刻的火灾参量进行火灾判断，且报警时间集中在 火灾中期或后期，火灾已经发展到具有一定的破坏力，造成重大损失，同时还绘扑救 带来相当的难度。 1 4 火灾探测器的发展趋势 新探测技术的发展进一步拓展了火灾探测的应用领域，为一些传统探测器无法胜 任的环境提供了有效的手段。相关技术的发展，如傅立叶近红外光谱技术【2 引、弱信 号处理技术、低功耗m c u 技术进一步促进了传统探测技术的改进，使得传统探测器 在技术和性能上有了显著的提高。火灾探测器朝着早期探测、多传感器复合探测和探 测器小型化、智能化的方向发展迈出了更快的步伐【2 鲫【3 0 】【3 l 】。 1 4 1 多传感器复合探测 复合式火灾探测器是一种响应两种或两种以上火灾参数的火灾探测器1 3 2 】f 3 3 1 。已 经投入使用的有感温感烟火灾探测器、感光感烟火灾探测器、感光感温火灾探测器、 差定温火灾探测器等，现在又有了进一步的发展，出现了探测三个参量或更多参量的 探测器，如：一氧化碳、光电感烟和感温三复合火灾探测器等。今后随着科学研究的 不断发展，各种技术手段日趋成熟，将会实现更多火灾参量的信息融合，在最大程度 上及时准确的预报火情。复合探测器与单一参量的探测器相比具有误报率低、反应灵 敏、使用场合广等诸多优点，因而也被应用到了火灾探测报警的众多场台3 4 1 。 第一章绪论 1 4 2 小型化、智能化 随着微处理器、集成电路技术、纳米技术和信息处理技术的发展与完善，火灾探 测器由传统开关量式变为模拟量式，体积更加小巧，轻便，信号处理方式也日趋智能 化，由原来简单的直观法跨入了趋势算法、斜率算法、持续时间算法、模糊逻辑和神 经网络智能算法【3 5 1 3 6 】【3 7 等一些较为复杂的系统算法，使火灾探测准确性和可靠性有 了质的飞跃。神经网络探测算法以其较强的学习能力、环境适应性、容错能力和并行 处理能力等优点已经逐渐成为目前被使用研究的最为广泛的一种智能算法。 1 4 3 早期火灾探测 火灾的早期报警现在已经越来越受到火灾研究人员的重视【3 引。一般火灾的产生 可分为六个阶段：趿热阶段、热解阶段、发烟阶段、扩散阶段、明火阶段和衰减阶段。 传统探测器一般只能在火灾发展的后三个阶段实现报警，而此时火势已经发展的相当 严重。即使扑救及时，也会造成极大的损失。针对这一情况，大量研究人员开始着手 火灾早期的探测研究。 ( 1 ) 高灵敏度空气采样式感烟火灾探测 高灵敏度空气采样式感烟火灾探测报警系统( h s a s d ) 就是在这样的背景下产 生出来的。它克服了传统感烟探测器被动吸烟的工作方式和对人眼不可见的烟无法探 测的弊端。采用主动吸气抽取空气样本的方式，通过独特的检测室和激光器件对烟粒 子进行探测计数分析。大大提高了探测器的可靠性和灵敏度。n o t i f i e r 公司也已研制 出早期智能报警系统1 4 0 ，该系统感烟灵敏度高于目前光电感烟探测器5 0 倍，它与高 灵敏度吸气式感烟火灾探测报警系统一样，可以提供早期火灾探测，但是比后者成本 费用低得多。 ( 2 ) 一氧化碳早期火灾探测 国外在一氧化碳早期火灾探测研究方面也取得了显著的成效4 1 12 i 【4 3 】。大量的实 验研究表明：火灾的早期阶段始终存在着含量比预测环境中含量高的一氧化碳，一氧 化碳是几乎所有燃烧过程的生产物，在燃烧不充分的火灾早期更是这样，而且一氧化 碳气体比空气轻，扩散性比烟雾更强，特别是许多常用感烟探测的误报源并不产生一 氧化碳气体。这说明利用它进行早期火灾探测器的研究是具有极其广阔的前景的。目 i 1 第一章绪论 前已有多种采用离子传导性固体电解质和二氧化锡作为敏感元件的一氧化碳探测器 投入使用，但这些大都存在着灵敏度低、稳定性差和易受环境影响等缺点。在实 际应用中误报率和漏报率较高。 以上通过对近年来大量研究资料的归纳分析，回顾和总结了火灾探测器的研究现 状和存在的问题，提出了今后火灾探测器的主要发展方向是多传感器复合探测技术， 小型化、智能化探测和早期火灾探测的研究，其中早期火灾探测研究必将是未来火灾 研究的重点。 l 。5 基于火灾过程信息的早期火灾探测 火灾孕育初期，环境温度基本没有变化，烟雾也未发展到可见的程度，这个阶段 有明显变化的就是某些气体的浓度。通过对火灾早期生成气体浓度的测量，从中提取 出含有火灾整体特征的过程信息，根据火灾的过程信息建立专门的探测算法就可以准 确可靠的实现火灾早期报警。 在众多的火灾探测手段中将火灾气体产物作为火灾早期探测的参量，有其固有的 优点，在大多数情况下比其他参量更适合于早期探测，且在抗干扰方面更具有优势。 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，烟气混合了大量常温空气，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，感烟探测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；感光探测器和燃烧音探测器需要出 现明火时才能实现报警，显然也不适合于阴燃期和早期热解阶段的探测。 火灾气体产物产生时间最早，只需要比烟雾颗粒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。 目前针对气体浓度的测量方法很多，多数采用电化学，但是价格高、寿命短，且 无法预知其是否失效1 4 5 i 【4 6 】。近年来，由于傅立叶变换红外光谱技术的迅速发展【4 7 l 【4 8 l ， 光谱仪在扫描速度、分辨率、灵敏度和信噪比等性能指标上得到极大提高，引起了各 第一章绪论 界专业人员的广泛重视。傅立叶光谱方法利用干涉图和光谱之间的对应关系，通过测 量干涉图和对于涉图进行傅立叶变换积分的方法来测定和研究光谱图。和传统的色散 型光谱仪相比较，傅立叶光谱仪可以理解为以某种数学方式对光谱信息进行编码的摄 谱仪。它能同时测量、记录所有谱元的信号，并以更高的效率采集来自光源的辐射能 量，从而使它具有比传统光谱仪高的多的信噪比和分辨率；同时它的数字化的光谱数 据，也更便于数据的计算机处理和演绎。正是这些优点、使傅立叶变换光谱方法发展 为目前红外和远红外波段中最有力的光谱工具，并向近红外，可见和近紫外波段扩展。 它的研究、开发和应用已经形成了一个光谱学的一个独立的分支傅立叶变换光谱 学，或称干涉光谱学h g 。 每种气体分子或原子在振动过程中会吸收入射光的光强能量，由于各自振动吸收 的能量各有不同，因此形成的光谱图也不相同，每种物质都有自己独特的光谱图，在 某些波数处表现出强烈的吸收峰。根据l a m b e r t - b e e r 定律，波长为 的单色光射到长 为的均匀吸收物质上，入射光强度为，0 ，出射光强度为，。，光进入物质一段距离 d l 后由于物质中的吸收，光强度减为i ，则一d l i 厶被吸收掉的光能量与光强、光 在物质中通过的路程及通光面积上吸收粒子的多少这三个因素成比例。在均匀的物质 中，通光截面上吸收粒子的数目可用吸收粒子的浓度p ( 即单位体积中吸收粒子的数 目) 表征，有： d l = 一材p d l ( 1 - 1 ) 式中k 为吸收系数，它与入射光波长和物质吸收性质有关。 对式( 1 1 ) 进行积分有：l g 每：量肚 ( 1 2 ) 令a 5 艳鲁，a 称为吸光度。则有a = t p 三at - 砉称为透光度。“l 为已知量，通 过光谱图测得吸光度a 便可以确定气体的浓度。 火灾发生过程中，气体浓度随着火势的发展而不断变化，这种变化与火源本身就 有密切的关联。通过对火灾早期气体浓度变化的分析，从中提取出火灾过程的特征信 息，找出特征信息和真假火灾状态的对应关系，就可以准确可靠的实现火灾早期报警。 第一章绪论 1 6 本课题的研究内容 本课题基于傅立叶变换红外光谱技术，研究有限空间内早期火灾的探测方法。 主要研究内容包括：建立基于傅立叶变换红外光谱技术的早期火灾实验系统：在实 验系统上对常见的典型真假火源进行实验研究，采集火灾初期特征气体光谱信息； 研究适用于早期火灾探测的气体红外吸收谱带，对采集的光谱数据进行定量分析， 得到火灾初期特征气体浓度随时问的变化规律；研究特征气体浓度变化与火灾早期 特征的关系，提取描述火灾初期特征信息的过程参量：采用自适应神经模糊推理系 统建立基于火灾过程特征信息的早期火灾探测算法，实现早期火灾探测报警的目 标。 1 7 本章小结 本章主要介绍了火灾探测的原理和方法，并对现有的各种火灾探测气进行了归纳 分析。传统火灾探测器采用单个时刻的火灾参量作为火灾判别标准，易受到外界干扰 引起误报，其固有的探测参量和闽值式的探测算法使其火灾响应时间集中于火灾中后 期，难于实现火灾早期报警。 提出了今后火灾探测研究的主要方向是多传感器复合探测，小型化、智能化探测 和早期火灾探测的研究，其中早期火灾探测研究必将是未来火灾研究的重点。最后指 出了本题的主要研究内容和预期达到的目标。 第二章早期火灾特征气体及其红外探测研究 第二章早期火灾特征气体及其红外探测研究 各种火灾产物中，气体产物几乎与火灾同时产生，且扩散速度快，易于被探测器 接收。因此针对气体的早期火灾探测显得极为重要。 2 1 早期火灾探测特征气体研究 火灾所产生的气体成分包含完全燃烧产物( 如c 0 2 和水) 、不完全燃烧产物( 如c o 、 气态碳氢化合物、芳香类化合物及硫化物、卤化物等) 。绝大多数火灾中的可燃物以c 和h 两元素为主，阴燃热解或明火燃烧的气态燃烧产物主要成分为c 0 2 ，c o 和h 2 0 。 明火产生的c 0 2 生成浓度相对较大，其生成量是燃烧过程和燃烧物的函数，其体积分 数可以通过区域模型方法来估计。对于具有固定垂直横截面的稳定火源，从燃烧物项 部到烟层的高度为【5 0 1 5 1 】f 5 2 l ： z = 【1 + 2 k f j 月q + i 1 3 1 h 爿2 3 _ ， 一2 ( 2 - 1 ) 阳+ 1 1 爿。 。 式中h 为房间高度，k 。为夹带常数，t 为时间，q 为热释放率，a 为房间的面积，n 为热 释放指数。贝l j c 0 2 质量分数( 单位质量的空气中含有的c 0 2 质量) 为： = 瓦瓦f c o , 硒q t 习 ( 2 2 ) 式中l o , 为c 0 2 的产率( 单位质量的燃料产生的c 0 2 质量) ，p 为空气密度，以为 燃烧效率，以为燃烧热。将式( 2 - 1 ) 代入( 2 2 ) ，则可以得至t j c 0 2 质量分数和时间 t 的关系： k 2 磊面i l o q 丽t 户拓地彳h ( 1 一f 1 + i 兰芸 】。) ( 2 3 ) ( 2 1 卜( 2 3 ) 同样适用于无焰火燃烧中的c o 和c 0 2 生成特性，由式( 2 - 3 ) 通过质量一 体积换算便可以估算出特定环境下的c o 、c 0 2 气体浓度。t e w a r s o n 根据物质的燃烧特 性作了大量的实验研究1 5 3 | ，统计了无焰火和有焰火的c o 和c 0 2 产率。由图2 1 可以看 出，有焰燃烧和无焰燃烧c 0 2 明显不同，多数有焰燃烧的兀q 在1 0 - 2 o 魄之间；多数 第二章早期火灾特征气体及其红外探测研究 无焰燃烧的氏在o 0 5 0 2 9 9 2 _ l 日j 。而无焰火和有焰火的厶d 大致相当。 酱 一 占 u 僻 七l 产率c o ( g g ) 图2 - l t c w a r s o n 有焰燃烧和火焰燃烧产率比较 各种材料燃烧都会不同程度的生成c o 和c 0 2 ，表2 - 1 给出了常见可燃物的c 0 2 、 c o 和碳氢化合物 i x c ，的生成率旧。其中h t 为完全燃烧单位质量可燃物所放出的热量， ，赢、矗。、f h c # y l i i n c 0 2 ，c o 和心c y 的产率，x a 为燃烧效率，即实际燃烧释热速 率与理论上可能的最大释热速率之比。 表2 1 实验测得的常见可燃物主要火灾产物组分的产率和燃烧效率 可燃物h - r ( k j g )岛 如 q c x “ 气体 乙烷 4 7 52 9 0 o 0 0 l0 0 0 1o 9 9 丙烷 4 6 42 8 50 0 0 50 ，0 0 10 9 5 丁烷 4 5 72 8 8 0 0 0 60 0 0 3o 9 5 乙烯 4 7 22 8