第二章探测器

1、第二章火灾探测的原理与方法2.1 火灾的机理时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害叫做火灾。产生火灾的条件是需要可燃物、 助燃物和点火源三个要素。只要能与氧或氧化剂起剧烈氧化反应的物质，均称叫做可燃物； 空气是人们最常接触的助燃物，其助燃性能随含氧量的不同而改变；使可燃物起火燃烧的能源就叫做点火源。火灾分类各式各样，按火灾依据物质燃烧特性不同分，可划分为A类火灾、B类火灾、C类火灾、D类火灾、E类火灾等五类。具体如下表：表火灾的类型A类火灾B类火灾C类火灾D类火灾E类火灾性质固体物质火 灾液体火灾和 可熔化的固 体物质火灾气体火灾金属火灾带电物体和 精密仪器等 物质的火灾举例如木材、煤、 棉、

2、毛、麻、纸张等如煤油、柴 油、原油，甲 醇、乙醇、沥 青、石蜡等如煤气、天然 气、甲烷、乙 烷、丙烷、氢 气等如钾、钠、镁、铝镁合金等如发电机房、 变压器室、配 电间、仪器仪 表间等设备按火灾产生现象的不同，可将火灾分为慢速阴燃和明火两种类型。在疏松或颗粒介质中形成的缓慢进行的热解和氧化反应，也能在较长时间维持并传播，在一定条件下能转化为明火的即为阴燃，阴燃是诱发火灾的主要原因。火灾发生时燃烧产生的热量，使燃烧物表面释放出可燃气体，同时发出含有红外线或紫外线的火焰的即为明火。明火的特点是扩散速度较快，难控制。2.2 传统火灾探测器探测火灾的传感器就像人体的耳朵，眼睛，鼻子等一系列感觉器官，它的

3、作用是检测防护区内是否有火灾发生。一旦出现火情，传感器就将表现火灾特征的物理量，如温度、烟雾、气体和辐射光强等的变化转化成电信号，再通过微控制器处理与判断，并立即动作，向火灾报警控制器发送报警信号，这个过程就是火灾探测器的工作。目前火灾探测器种类繁多，分类的方法较为复杂，常见的有按其结构造型分类可分为点 型火灾探测器和线型火灾探测器。点型火灾探测器只实时探测某一点的火灾参数，很多探测器属于这种类型。线型火灾探测器则可以探测某一连续线路周围的参数，如极早期空气采样式火灾探测器，由吸气泵、过滤器、激光探测腔、控制电路、显示电路等组成。吸气泵通过 PVC管或钢管所组成的采样管网，从被保护区内连续采集

4、空气样品放入探测器。按照探测火灾物理参数的不同，可分为感温探测器、感烟探测器、火焰探测器、可燃气体探测器、和图像探测器等五大类。感温火灾探测器是对防护区内火灾温度作为参量，即环境气流的异常高温或升温速率做出响应的探测器；感烟火灾探测器是对防护区内火灾烟雾浓度参量做出响应的探测器，用于对火灾过程的早期和阴燃阶段的探测，是实现早期报警的主要工具；火焰探测器探测器是对防护区内火灾火焰光谱中的紫外或红外辐射参量做出响应的 探测器；可燃气体探测器是对火灾初期由于预热和气化作用所产生的燃烧气体做出响应的探 测器；复合型火灾探测器是指同时具有两种或以上探测功能的火灾探测器。常见的几种火灾探测器的原理、性能比

5、较，如下表所示：表常见火灾探测器的比较探测的原理优点缺点烟 雾 探 测 器离 子 型当烟雾粒子进入电离化 区域时，与离子结合从 而降低了导电性，使电 离室内电流减小能实现 早期火 灾报警， 适合在 火灾初 起阶段对微小的烟 雾粒子的感 应要灵敏些探测范围较窄；误报 率局，灵敏度受环境 影响大；后放射性污 染，生产储存、报 费困难光 电 型利用起火时产生的烟雾 能够改变光的传播特性对稍大的烟 雾粒子的感 应较为灵敏不适于小烟雾粒子 的探测；灰尘、水汽、 油雾等影响较大，不 适一些特殊场所； 易受电磁干扰感 温 探 测 器定 温利用金属不同膨胀系 数、温升后易熔合金、 水银接点动作等热敏方 式产生

6、电流、空气膨胀 等原理结构简单， 电路少； 可做成 密封结构， 适合各 种恶劣 环境适用于温度 上升缓慢的 场合灵敏度低、探测反应 比较慢、报警 时间迟；对阴火基本无响应， 难满足预警差 温受环境变化 的影响小差 定 温灵敏度、可靠 性相对较好火 焰 探 测 器红外 火焰利用产生 可见的或 大气中没 有的/、可 见的光辐 射原理红外响应波长大于0.8 m响应速度快，适应突然起 火；探测距离远，保护面积 广；环境适应性好价 格 比 较 贵在透镜面上 结冰、水蒸汽 浓度大时，反 应小灵敏紫外 火焰紫外响应波长小于0.4 jm易受电焊弧、 雷击影响气 体 探 测 器催 化 型利用难熔金属钳丝加热 后

7、的电阻变化来测定可 燃气体浓度响应速度快；易燃气体探测 范围较广；对雾状和气状的 易燃化合物微小量有很好 的灵敏度可燃气体的腐蚀作用 会降低探测器的灵敏 度，要常清理；受环 境温度影响大红夕卜 光学 型利用红外传感器通过红 外线光源的吸收原理来 检测现场环境的碳氢类 可燃气体图像探测器利用CCD、夜视仪、摄 像机等监视和分析火灾 图像探测距离远，探测灵 敏度高响应速度快； 误报率低火灾早期探测和预警 困难，价格相比较局2.3 火灾自动报警系统的误报警分析自火灾自动报警系统的问世，到目前为止已经有了很大规模的应用，在消防工作中有了举足轻重的地位。但是火灾自动报警系统的设计是一门新兴的消防技术，加

8、之在产品生产、工程设计、安装调试、用户使用、系统维修等方面技术水平有限，致使有一些报警系统不能正常工作，误报现象严重，本来没有发生火灾，系统误报警后就进行声光报警，甚至把重要电源切断，电梯迫降到底层，后果往往造成人们许多不必要的恐慌，有时可能造成大的损失和严重后果，所以用户甚至关闭了报警系统，这样很多自动报警系统就成为一种装饰品，没有真正起到自动报警的作用。所谓 “误报” 即指火灾自动报警系统在没有发生任何火灾的情况下就发出警报信号。从理论上分析，任何设备、系统， 包括各种精密仪器等都有误动作的可能性存在，但火灾自动报警系统探测器的误报警所造成的恐慌和损失等，已经引起了产业界、业主和消防监督部

9、门的高度重视。我们需对误报做出全面的、客观地分析，使其尽快地探测出真实的火灾，应尽降低误报率。探测器对火灾的探测是建立在对火灾的光、烟、 热等物理现象进行探测的基础上，通常只针对火灾某一物理量而设置一定的阈值，作为火灾发生的判据。实践中发现，以单一参数进行判断的方式进行火灾检测，经常会受到环境中某些相似因素的影响，从而导致误报或漏报。下面列出了探测器误报警的部分环境因素：（ 1 ）由于人造烟雾（吸烟）、电焊过程、烹调明火、灰尘、粉尘、水雾、纤维屑、机车废气等类火灾的其他物理条件造成的虚假火灾现象。（2）由于光线变化、气流、昆虫、电磁、高频、静电干扰、雷电、气压变化、高湿、腐蚀、结冰、污染等不利

10、的环境条件，影响了探测器采集的数据和参数，导致其发生误报。（3）对温度探测器而言，选择定温点过低，有些场所比如机车内环境通常比较高，会使温度探测器过热而容易达到阈值。（4）由于某些人搞恶作剧或有些小孩、非知情人员觉得好奇，而触发手动报警装置，或人为有意操作等方面引起的蓄意报警。解决误报警问题已成为消防技术中提高火灾探测准确性的关键所在，要想解决这个关键性问题，减少和降低误报警，则需要在基础和应用研究方面增加投入，即在探测器的设计方面需要加入更可靠的因素。有以下几条比较有效的途径：（1）避免和减少环境因素对误报警的影响。通过改进探测器结构设计和规定使用条件，定期检测和清洗探测器来入手来降低外界因

11、素影响的误报警。（2）设计新型火灾复合智能探测器，用来代替传统的单一探测器，即把单一物理参量的检测设计为火灾多参量复合检测。火灾的发生伴随着许多物理现象，因此对多参量同时进行检测分析， 并以这些数据综合处理所得的结果作为火灾判断的依据，这样系统不会因为某一参量达到阈值而直接报警，大幅度降低火灾误报率。这使火灾报警系统真正做到智能化，自动化。根据防护区环境及火灾特点，取舍物理量，更系统报警更加有效，减少误报警，又能保证经济和技术上可行。综上所述，火灾探测技术中及时准确报警和减少误报警是一对矛盾。探测器阈值设置过低，虽然提高了灵敏度，但很可能会产751F 误报警；探测器阈值设置过高，则会延长系统报

12、警的时间。根据火灾的物理参量采用火灾多传感器数据融合进行处理，这是传统火灾探测器所无法完成的。2.4 基于多传感器信息融合火灾探测的提出在火灾探测中，只通过一种传感器采集单一的信息，来反映探测状态都属于不完整的探测方式，目前，多数火灾探测器还是通过学习单一的传感器来采集现场的单一火灾参数，这种探测器的探测能力往往对其有局限性。如温度传感器只对明火产生的温度上升比较敏感， 对阴燃相对就不太敏感， 热量可由火灾产生， 也可由香烟或厨房里产生，温度传感器不能辨别热量产生的来源，从而光凭温度传感器容易产生误报现象；例如应用较为广泛的光电式感烟探测器对一般烟雾有较高灵敏度，是一种早期预警的重要工具，且探

13、测阴燃火有极好的效果，但对不可见烟或出现明火的黑烟不敏感。所以每种传感器都能探测火灾某一特征，但往往有一定的局限性，导致系统误报警发生率高时。只有通过多方面特征获得同一对象的多维信息，并采用信息融合技术加以利用，才能更准确地对火灾进行早期的探测。传统火灾探测的单一性，已无法满足现实火灾报警的需求， 因此本文采用多传感器信息融合技术对现场火灾进行全面地探测，即探测方法不是通过单一参数火灾探测器的简单组合，而是实施多传感器同步采集数据，提取有用信息，应用现代智能人工算法，对多传感器的火灾参数进行融合，输出最终决策来判断是否存在火情。这种探测方法克服了单个传感器测量的单一性，有效地降低了误报，增强了

14、辨别真实与虚假火灾的能力。每一种火焰的早期特征具有不同的表现形式，因此反映火灾的各种信号也呈现出不同的特征。由于火灾事件很偶然，观察数据极少，因此火灾信号是事先未知的或不能确定的信号。 通过对火灾机理的分析，可以知道环境温度、烟雾浓度、C0含量、H2含量等均能反映火灾的进程，大量实验观察表明， 这些参量及其变化率与火灾的状态存在着一定的映射关系。但利用传感器得到的上述物理量信号并不只随火情而变化，环境中如气候、湿度、灰尘、 电子噪声和人为的其他活动及传感器的安装位置都可能引起信号的变化，而且这种变化的特征往往与火情特征相似，因此火灾检测与其他典型的信号检测相比是一种十分困难的信号检测问 题。5

15、.1 数据融合的结构数据融合的结构分类方法较多， 按照传感器数据在送入融合处理中心之前已处理的不同 程度可把结构分为传感器数据融合、中央级数据融合和混合式融合；按照数据和处理过程的分辨率的高低可分为数据级融合、特征级融合和决策级融合等三个级别。数据融合实质是对数据进行的多层次处理， 每一级都代表了数据和处理过程中不同程度的分辨率。也可以认为是对原始数据不同程度的抽象化。数据融合的级别越高，分辨率程度越高，对原始数据的细节要求就越低。结构如图 5-1所示：数据级融合属于最低层次的数据融合，也称为像素级融合。是在传感器采集的原始信息层次上进行分析与处理。数据级融合的主要特点是能尽可能多的保持现场数

16、据的完整性，为特征级融合和决策级融合提供细微信息。但由于传感器数据量比较大，处理时间相应加长，所以实时性方面较差；由于该层次与传感器数据直接通信，所以容易受到干扰；该层次融合是对传感器采集的数据直接融合，所以处理对象必须是同类同性质传感器的数据。特征级融合属于中间层次的融合，是按一定的方式对传感器数据进行特征提取，再对特征信息进行分析和处理，即融合过程。所提取的特征信息必须是能充分表示相应检测的物理 对象。特征级融合的特点是对大量的的数据信息进行了压缩，方便实时性的处理，与决策级融合相比，也减少了信息损失。决策级融合属于最高层次的融合，该层次的融合结果为指挥控制或决策提供了依据，是对之前得到的

17、初步结果进行数据的综合处理，输出最终融合结果。主要负责对异质传感器数据之间的合并处理。决策级融合必须合理利用特征级的融合结果，这样才能真正提高整个系统的可靠性与鲁棒性。决策层融合具有灵活性高、抗干扰能力强的特点。5.2 数据融合过程多传感器数据融合过程如图所示，环境中的监测对象多为具有不同特征的非电量（如烟雾、温度、火焰等物理量），通过各传感器采集现场特征元素，并转换成为电信号，经过 A /D转换将特征元素转为处理器能够处理的数字信号。数字信号经过预处理，用以滤除采集过程中的干扰和噪声， 再进行归一化处理， 它是一种无量纲处理手段，即将有量纲的数据通过一定的变换成为在在某一范围的纯量，最后进入融合中心将信号进行特征提取，进行数