摘要：火災(zāi)自動報警系統(tǒng)是日常生活、工業(yè)安全監(jiān)控系統(tǒng)的重要組成部分之一，是保證安全運營，減少公路隧道發(fā)生火災(zāi)時人員傷亡與財產(chǎn)損失的重要手段。本文根據(jù)工作原理不同，介紹了不同類型的火災(zāi)探測器。其中基于熱釋電探測器的點型紅外火焰探測器具有廣泛的應(yīng)用和市場前景，并著重分析了幾種點型火焰探測器性能、特點、應(yīng)用等。基于熱釋電效應(yīng)的點型紅外火焰探測器不僅可以應(yīng)用于遠(yuǎn)近距離多波段火焰探測，同時在大空間自動定位消防水炮中具有顯著優(yōu)勢。

一、背景

當(dāng)前，工業(yè)生產(chǎn)中會涉及大量可燃、易爆、危害性較高的化工原料，火災(zāi)是一種失去人為控制的燃燒過程，易造成人員傷亡和財產(chǎn)損失等危害。因此在生產(chǎn)當(dāng)中需要對火災(zāi)保持高度警惕，并配備完善、高效的火災(zāi)探測裝置，實現(xiàn)對明火隱患的實時監(jiān)測。

火災(zāi)通常以燃燒的形式表現(xiàn)，燃燒產(chǎn)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）?；馂?zāi)探測的本質(zhì)就是將火災(zāi)中出現(xiàn)的物理現(xiàn)象，利用傳感元件進行接收，并將其轉(zhuǎn)化為易處理的物理信號，并告知預(yù)警設(shè)備或人類。

按照探測火災(zāi)物理量的不同，火災(zāi)探測器可以分為：感溫火災(zāi)探測器、感煙火災(zāi)探測器、氣體火災(zāi)探測器、感光火災(zāi)探測器、聲音探測器五大類型。針對這些火災(zāi)參量的探測結(jié)合具體的探測實現(xiàn)技術(shù)，現(xiàn)有火災(zāi)探測器種類又可具體分為如圖1所示。

圖1：火災(zāi)探測器種類

傳統(tǒng)的煙感、溫感、光感火焰探測器分別利用火焰的煙霧、溫度特性來對火焰進行識別，由于其制造工藝簡單，價格低廉，在酒店、列車、居民住宅等場所得到了很好的應(yīng)用，但是這些探測方式多采用檢測濃度法，而并不檢測火焰本身的特征，所以其響應(yīng)時間長、探測范圍窄，對周圍環(huán)境要求高，抗干擾能力差，對某些情況也無法預(yù)報，比如無煙火焰等。

隨著機器視覺技術(shù)的不斷發(fā)展，利用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與圖像識別方法的火焰探測技術(shù)取得了一定的進展，其具有較高的干擾免疫能力和探測精度，但是早期火災(zāi)圖像探測的基礎(chǔ)理論研究尚不充分，而且它的算法復(fù)雜，成本偏高，需要很大的訓(xùn)練樣本。

工業(yè)企業(yè)普遍采用的火災(zāi)探測裝置為感光型（火焰）探測器，即點型火焰探測。點型火焰探測器具有響應(yīng)速度快、探測距離遠(yuǎn)、保護面積大等優(yōu)點，尤其對于碳?xì)浠衔锶紵纬傻幕鹧娓鼮槊舾?/strong>，因此更為適用于化學(xué)工業(yè)、公路隧道、彈藥倉庫、油漆工廠、石化企業(yè)、制藥企業(yè)、電廠、物流倉庫等易燃易爆工業(yè)和民用場所。

二、火焰的光譜特征

圖2是火焰的光譜簡圖。不同的物質(zhì)燃燒，其發(fā)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4.3um和2.7um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4.3um附近出現(xiàn)的火焰輻射波峰部分，是燃燒產(chǎn)物CO2受熱而發(fā)出的共鳴輻射發(fā)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。

圖2：火焰吸收光譜圖

三、火焰探測器的種類和原理

根據(jù)目前消防標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定和探測器的原理差別，通?；鹧嫣綔y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(biāo)的感光型火焰探測器（點型）。從探測器特征進行分化，可以將其分為擴散和預(yù)混合兩類。

擴散性火焰能夠在燃燒前將氧化物、燃料等進行分離，這一燃燒過程多不充分，因此火焰顏色為黃色，而且有大量煙霧灰塵形成。生活中的火災(zāi)監(jiān)控多為擴散型，這種火焰的主要特點表現(xiàn)為輻射能量始終在若干能量值中波動，具有典型的閃爍效應(yīng)，其頻度會受外界風(fēng)速影響，基本保持 0.5-15Hz之間。

第二類是基于模式識別技術(shù)，以識別火焰發(fā)生時表現(xiàn)出來的顏色、亮度、閃爍、邊緣變化等視覺特征為目標(biāo)的圖像型火焰探測器。根據(jù)火焰燃燒所產(chǎn)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(fù)合型探測器。

點型火焰探測器之紅外火焰探測器

紅外火焰探測器是采用熱釋電紅外傳感器為核心感應(yīng)，基于傳感器敏感元的熱釋電效應(yīng)的火焰探測技術(shù)，利用紅外熱釋電傳感器作為敏感元，接收火焰燃燒輻射的紅外線信息，并轉(zhuǎn)換成電壓信號。

知識小卡片

當(dāng)電介質(zhì)受到紅外輻射后，其內(nèi)部溫度發(fā)生變化，導(dǎo)致電介質(zhì)自發(fā)極化強度改變，這時電介質(zhì)表面積聚的自由電荷跟不上自發(fā)極化強度的變化，從而產(chǎn)生電荷轉(zhuǎn)移，在外接回路中形成電荷移動，這種現(xiàn)象稱為電介質(zhì)的熱釋電效應(yīng)。紅外熱釋電傳感器就是基于這種原理制成的。

通常CO2共鳴式點型火焰探測器除了用紅外光學(xué)濾光片有選擇地接收火災(zāi)特有的紅外輻射光線，并且接收到的光強度達(dá)到一定閾值外，還選擇火焰的燃燒起伏頻率作為判據(jù)，所以提高了探測的可靠性。

單波段紅外火焰探測器

多數(shù)火焰都會產(chǎn)生紅外輻射，燃燒物能夠釋放大量紅外波，因此紅外探測器能夠?qū)ζ溥M行快速準(zhǔn)確的識別。燃燒產(chǎn)物中熾熱的CO2氣體在4.3um附近有個峰值輻射波段，火焰探測器就是主要對這個峰值輻射做出響應(yīng)。這就是傳統(tǒng)的單波段紅外火焰探測器。同時一些家用電器如烤箱、暖爐等也能夠產(chǎn)生紅外輻射，并與火焰紅外光譜相重疊。因此在此類探測器設(shè)計中，需要對上述干擾因素進行排除。

早期此類儀器不能屏蔽太陽光，因此僅能在室內(nèi)使用。新型探測器裝置有多個紅外傳感器，對不同頻率的輻射源進行探測，并將數(shù)據(jù)進行綜合分析，針對信號數(shù)據(jù)進行對比，以排除目標(biāo)之外的干擾源。現(xiàn)階段，單一波段傳感器已經(jīng)實現(xiàn)了對太陽輻射的完全排除，性能更加穩(wěn)定。

熱釋電火焰?zhèn)鞲衅?/strong>

雙波段紅外火焰探測器

雙波段紅外火焰探測器結(jié)合了火焰檢測波段和背景參考波段兩個不同波長的紅外輻射，考慮到了參考背景中存在的干擾輻射，可根據(jù)實際情況選擇使用。不過雙波段紅外火災(zāi)探測器的兩個波段的光學(xué)濾光片并不像單波段火焰探測器的濾光片要求那么狹窄和精確，對于加工的精度要求沒有單波段的高，相對成本也會低一些。

多波段紅外火焰探測器

考慮到干擾因素增加，為了保證更高的探測精準(zhǔn)度，三個或者三個以上的多波段的傳感器被選擇運用于火焰探測技術(shù)，其中的每一個傳感器分別探測不同紅外輻射的特定波長，因而更可靠地區(qū)分真正的火焰信息和其他各種熱體紅外輻射干擾。但是這對各個傳感器的輸出信號的分析處理帶來了難度。同時，由多個探測器組成的電路時滯會增大，也增加了探測器的反應(yīng)時間。

點型多波段紅外火焰探測技術(shù)是目前火災(zāi)及時預(yù)警的最佳方案之一，該技術(shù)通過探測火焰所發(fā)出的特征紅外線來預(yù)警火災(zāi)，比傳統(tǒng)感煙或感溫式火災(zāi)探測技術(shù)響應(yīng)速度更快，尤其在開放式空間，提前預(yù)警時間能夠超過80%。

現(xiàn)已被廣泛應(yīng)用于各類儲油設(shè)施、大型倉庫等場所，成為石油、化工、造紙、冶煉、核電站等火災(zāi)高危領(lǐng)域標(biāo)準(zhǔn)配置，同時也在高端住宅、商業(yè)、普通工業(yè)等領(lǐng)域逐漸得到普及，為人們生命財產(chǎn)安全提供更多保障。