基于热释电效应的点型红外火焰探测器概述

摘要：火灾自动报警系统是日常生活、工业安全监控系统的重要组成部分之一，是保证安全运营，减少公路隧道发生火灾时人员伤亡与财产损失的重要手段。本文根据工作原理不同，介绍了不同类型的火灾探测器。其中基于热释电探测器的点型红外火焰探测器具有广泛的应用和市场前景，并着重分析了几种点型火焰探测器性能、特点、应用等。基于热释电效应的点型红外火焰探测器不仅可以应用于远近距离多波段火焰探测，同时在大空间自动定位消防水炮中具有显著优势。

一、背景

当前，工业生产中会涉及大量可燃、易爆、危害性较高的化工原料，火灾是一种失去人为控制的燃烧过程，易造成人员伤亡和财产损失等危害。因此在生产当中需要对火灾保持高度警惕，并配备完善、高效的火灾探测装置，实现对明火隐患的实时监测。

火灾通常以燃烧的形式表现，燃烧产生的物理参量有热（温度）、烟（烟雾粒子）、光（火焰）、气（气体）、声（燃烧音）。火灾探测的本质就是将火灾中出现的物理现象，利用传感元件进行接收，并将其转化为易处理的物理信号，并告知预警设备或人类。

按照探测火灾物理量的不同，火灾探测器可以分为：感温火灾探测器、感烟火灾探测器、气体火灾探测器、感光火灾探测器、声音探测器五大类型。针对这些火灾参量的探测结合具体的探测实现技术，现有火灾探测器种类又可具体分为如图1所示。

图1：火灾探测器种类

传统的烟感、温感、光感火焰探测器分别利用火焰的烟雾、温度特性来对火焰进行识别，由于其制造工艺简单，价格低廉，在酒店、列车、居民住宅等场所得到了很好的应用，但是这些探测方式多采用检测浓度法，而并不检测火焰本身的特征，所以其响应时间长、探测范围窄，对周围环境要求高，抗干扰能力差，对某些情况也无法预报，比如无烟火焰等。

随着机器视觉技术的不断发展，利用人工神经网络与图像识别方法的火焰探测技术取得了一定的进展，其具有较高的干扰免疫能力和探测精度，但是早期火灾图像探测的基础理论研究尚不充分，而且它的算法复杂，成本偏高，需要很大的训练样本。

工业企业普遍采用的火灾探测装置为感光型（火焰）探测器，即点型火焰探测。点型火焰探测器具有响应速度快、探测距离远、保护面积大等优点，尤其对于碳氢化合物燃烧所形成的火焰更为敏感，因此更为适用于化学工业、公路隧道、弹药仓库、油漆工厂、石化企业、制药企业、电厂、物流仓库等易燃易爆工业和民用场所。

二、火焰的光谱特征

图2是火焰的光谱简图。不同的物质燃烧，其发射的红紫外光谱有所差别，但从图中可以明显看出三个火焰辐射曲线凸起部分，其中一个是紫外段 0.28um 以下部分，另两个分别是红外段4.3um和2.7um附近，在这三个波段，地表上的日光辐射曲线恰好处于波谷位置。其中4.3um附近出现的火焰辐射波峰部分，是燃烧产物CO2受热而发出的共鸣辐射发光光谱，它比其他光谱具有绝对大的辐射强度，此特征为火焰所特有，通常对火焰的红外探测就是利用本波段。

图2：火焰吸收光谱图

三、火焰探测器的种类和原理

根据目前消防标准规定和探测器的原理差别，通常火焰探测器分为两大类。

第一类是以探测火焰辐射光谱中红紫外光为目标的感光型火焰探测器（点型）。从探测器特征进行分化，可以将其分为扩散和预混合两类。

扩散性火焰能够在燃烧前将氧化物、燃料等进行分离，这一燃烧过程多不充分，因此火焰颜色为黄色，而且有大量烟雾灰尘形成。生活中的火灾监控多为扩散型，这种火焰的主要特点表现为辐射能量始终在若干能量值中波动，具有典型的闪烁效应，其频度会受外界风速影响，基本保持 0.5-15Hz之间。

第二类是基于模式识别技术，以识别火焰发生时表现出来的颜色、亮度、闪烁、边缘变化等视觉特征为目标的图像型火焰探测器。根据火焰燃烧所产生的光谱特性，目前使用的感光型火焰探测器又可分为三种。

一种是对火焰中波长较短的紫外光辐射敏感的紫外探测器；

另一种是对火焰中波长较长的红外光辐射敏感的红外探测器；

第三种是同时探测火焰中紫外线和红外线的红紫外复合型探测器。

点型火焰探测器之红外火焰探测器

红外火焰探测器是采用热释电红外传感器为核心感应，基于传感器敏感元的热释电效应的火焰探测技术，利用红外热释电传感器作为敏感元，接收火焰燃烧辐射的红外线信息，并转换成电压信号。

知识小卡片

当电介质受到红外辐射后，其内部温度发生变化，导致电介质自发极化强度改变，这时电介质表面积聚的自由电荷跟不上自发极化强度的变化，从而产生电荷转移，在外接回路中形成电荷移动，这种现象称为电介质的热释电效应。红外热释电传感器就是基于这种原理制成的。

通常CO2共鸣式点型火焰探测器除了用红外光学滤光片有选择地接收火灾特有的红外辐射光线，并且接收到的光强度达到一定阈值外，还选择火焰的燃烧起伏频率作为判据，所以提高了探测的可靠性。

单波段红外火焰探测器

多数火焰都会产生红外辐射，燃烧物能够释放大量红外波，因此红外探测器能够对其进行快速准确的识别。燃烧产物中炽热的CO2气体在4.3um附近有个峰值辐射波段，火焰探测器就是主要对这个峰值辐射做出响应。这就是传统的单波段红外火焰探测器。同时一些家用电器如烤箱、暖炉等也能够产生红外辐射，并与火焰红外光谱相重叠。因此在此类探测器设计中，需要对上述干扰因素进行排除。

早期此类仪器不能屏蔽太阳光，因此仅能在室内使用。新型探测器装置有多个红外传感器，对不同频率的辐射源进行探测，并将数据进行综合分析，针对信号数据进行对比，以排除目标之外的干扰源。现阶段，单一波段传感器已经实现了对太阳辐射的完全排除，性能更加稳定。

热释电火焰传感器

双波段红外火焰探测器

双波段红外火焰探测器结合了火焰检测波段和背景参考波段两个不同波长的红外辐射，考虑到了参考背景中存在的干扰辐射，可根据实际情况选择使用。不过双波段红外火灾探测器的两个波段的光学滤光片并不像单波段火焰探测器的滤光片要求那么狭窄和精确，对于加工的精度要求没有单波段的高，相对成本也会低一些。

多波段红外火焰探测器

考虑到干扰因素增加，为了保证更高的探测精准度，三个或者三个以上的多波段的传感器被选择运用于火焰探测技术，其中的每一个传感器分别探测不同红外辐射的特定波长，因而更可靠地区分真正的火焰信息和其他各种热体红外辐射干扰。但是这对各个传感器的输出信号的分析处理带来了难度。同时，由多个探测器组成的电路时滞会增大，也增加了探测器的反应时间。

点型多波段红外火焰探测技术是目前火灾及时预警的最佳方案之一，该技术通过探测火焰所发出的特征红外线来预警火灾，比传统感烟或感温式火灾探测技术响应速度更快，尤其在开放式空间，提前预警时间能够超过80%。

现已被广泛应用于各类储油设施、大型仓库等场所，成为石油、化工、造纸、冶炼、核电站等火灾高危领域标准配置，同时也在高端住宅、商业、普通工业等领域逐渐得到普及，为人们生命财产安全提供更多保障。