浅谈火灾探测技术发展趋势

【摘 要】火的发现推动了人类文明的进步，但同时也给人类和社会带来了极大的危害。阐述了感烟、感温、感火焰等几种常规火灾探测器的工作原理，并介绍了目前较为先进的光声火灾探测技术和TDLAS火灾探测技术。

【关键词】火灾探测；感烟探测器；感温探测器；光声技术

一、火灾探测技术

火灾是一种复杂的物理和化学反应过程，其间会伴随着出现燃烧气体、烟雾、温度、火焰等特征，火灾探测技术正是借助这些特征来作为火灾识别的参数，尽早地自动探测到火灾并发出警报，最大程度地挽救人民生命和财产。目前对于火灾过程中产生的烟雾、温度以及火焰的测量都分别有成熟的产品，如感温探测器、感烟探测器、火焰探测器等。随着社会的进步和科技的发展，人们开始不断地致力于新的火灾探测技术的研究，火灾探测技术开始逐渐走向成熟。

1、感烟探测器

感烟探测器是一种响应由燃烧或热解而产生的固体或液体微粒的火灾探测器。除易燃、易爆物质起火非常迅速以外，固态物质的火灾一般都要经过早期、阴燃、起火等阶段，感温探测器主要用来探测阴燃阶段的烟雾。在此阶段由于热解作用加强，产生大量可见和不可见粒径为0.01-0.1m的气溶胶，空气的对流作用渐渐明显，有利于烟雾气溶胶的传播。目前感烟探测技术得到了广泛的发展与应用，据统计我国每年建筑中新安装的火灾探测器数量有500-600万只，其中约80%为感烟探测器。

（1）离子感烟探测器

在离子感烟探测器中，作为a源的241Am使电离室内的空气产生电离，使电离室在电子电路中呈现电阻特性。当发生火灾时烟雾进入电离室内，改变了空气电离的离子数量，即改变了电离电流，也就相当于阻值发生了变化。根据电阻变化大小就可以识别烟雾量的大小，并做出是否发生火灾的判断，这就是离子感烟探测器探测火灾的基本原理。

在实际的离子感烟探测器中，一般具有两个串联起来的单极型电离室。一个作为检测电离室，结构上做成烟雾容易进入的形式；另一个作为补偿电离室，在结构上采取烟雾粒子难进入，但空气又能缓慢进入的形式。

当有火灾发生时烟雾粒子进入检测电离室，烟雾粒子的质量比离子重得多，被电离的部分正离子和负离子被吸附到烟雾粒子上去。因此离子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相互复合的概率增加，这样使得到达电极的粒子就更少了。另一方面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，这些微观的变化反映在宏观上就是由于烟雾粒子进入检测电离室后，电离电流减少，相当于检测电离室的空气等效电阻增加，因而引起施加在两个电离室两端分压比的变化。这种变化导致电子线路的输出电压发生变化，变化量的大小就反映了烟雾浓度的高低，从而实现了将烟雾信号变成电信号的功能。

离子感烟探测器由检测电离室、补偿电离室、信号放大回路、开关转换电路、火灾模拟检查回路、故障自动检测回路以及确认灯回路等构成。

（2）光电感烟探测器

火灾中会产生一定数量的烟雾，这些烟雾颗粒和光相互作用时会发生两种不同的过程。一方面粒子可以再辐射已经接收到的能量，再辐射可以在所有方向上进行，但通常不同方向上其强度不同，这个过程叫做散射。另一方面辐射能可以转变成其他形式的能，如热能、化学反应能等，这个过程叫吸收。光电感烟探测器就是利用火灾烟雾对光产生的吸收和散射作用来探测火灾的一种装置。

①减光式光电火灾探测器工作过程

这种探测器的检测室内装有发光元件和受光元件。正常情况下，受光元件接受到发光元件发出的一定光量；当有火灾发生时，火灾产物将进入光电火灾探测器的检测室，由于发光元件发出的光受到火灾烟雾颗粒的遮挡，受光元件接受的光量就会减少，从而使得光电流降低，当降低到一定值时，探测器便发出报警信号。

②散射光型光电火灾探测器工作过程

与减光式光电火灾探测器一样，散射光型光电火灾探测器的检测室内也装有发光和受光元件，在正常情况下受光元件接受不到发光元件发出的光，因此也就不会产生光电流。当有火灾发生时，火灾烟雾便会进入探测器的检测室，由于烟粒子的作用，使得发光元件发出的光产生漫射，被受光元件所接受，使受光元件阻抗发生变化，从而产生光电流。若结合一定的算法，探测器即可做出响应判断是否有火灾发生。

2、火焰探测器

火焰探测器是继使用多年的感温、感烟探测器后较晚出现的一种火灾探测器，它是利用火灾发出的电磁辐射来工作的。因为电磁辐射的传播速度极快，因此这种探测器对快速发生的火灾（像易燃、可燃液体火灾）能够及时响应，是对这类火灾早期报警的理想探测器。虽然原则上讲大部分光谱都可被用来探测火焰，但实际上探测器利用的谱带却只有紫外区和几个较窄的红外区光谱。不像感烟探测器那样探测范围受到天花板的限制，火焰探测器特别适用于仓库、飞机库这样的大空间以及化工厂、炼油厂等户外场合，在这些危险场合中，火灾发生前一般都会有火焰出现。不过在户外环境中太阳是最大的“火源”，其辐射强度要比一般火灾大很多个数量级，因此火焰探测器必须要对太阳辐射能加以鉴别。

（1）紫外火焰探测器

绝大部分燃烧火焰中都包含紫外辐射，紫外火探测器就是根据这一特性来探测火灾发生的。紫外火焰探测器由紫外火焰报警器和紫外火焰探测器即控制器和探测器两部分组成，完成火焰监测和报警的功能。当探测器接受到波长为185-245nm的紫外线时，探测器的紫外光敏器件便立即响应，通过电子线路产生脉冲信号。紫外光越强，脉冲数就越多。这些脉冲信号通过电缆输送给控制器，当控制器接收到这些脉冲信号后，立即转变成与之成正比的直流电压信号，并将此电压与预先设置的阈值电压相比较。如超过阈值电压则测量通道中的电子触发电路便输出一个信号，它一方面使报警器发出灯光和音响信号，另一方面推动继电器工作，继电器的触点可以外接音响或者灭火系统。

（2）红外火焰探测器

几乎所有的燃烧火焰中也都包含有红外线辐射，红外火焰探测器主要根据这一特性来探测火灾的发生，它一般是利用响应火焰产生的波长大于700nm的红外辐射而进行工作的。相对紫外火焰探测器而言，由于火焰红外线辐射谱带范围比紫外辐射范围宽，辐射强度比紫外辐射强，因此可以利用火焰红外辐射进行大多数的有焰探测，其应用范围更广、更普遍。红外火焰探测器具有对火焰反应速度快、可靠性高的特点，适用于对生产、存储高度易燃物质、危险性很大的场所提供保护，并可以组成联动控制灭火系统。但红外辐射背景干扰因素多，因此红外火焰探测器必须有效屏蔽太阳光等背景辐射的影响。

二、结束语

以上简要介绍了分别以烟雾、温度、火焰、燃烧音以及气体为参数的火灾探测器，由于单判据火灾探测器经常对一些类似于火灾的虚假现象产生误报警，因此出现了将两种或两种以上探测传感功能结合在一起的复合探测技术，例如烟温复合、离子光电感烟复合、CO/感烟复合等等，这在很大程度上能够解决这种误报警问题。随着科技的进步以及研究人员对火灾机理的进一步认识，必将有更先进的火灾探测技术出现，同时火灾自动报警控制系统的智能程度、智能方式也将不断得到提高和完善。

参考文献：

[1]吴龙标，袁宏永.火灾探测与控制工程[M].合肥：中国科技大学出版社，1999.

[2]吴龙标，方俊，谢启源. 火灾探测与信息处理[M].北京：化学工业出版社，2006.