摘要：火災自動報警系統是日常生活、工業安全監控系統的重要組成部分之一，是保證安全運營，減少公路隧道發生火災時人員傷亡與財產損失的重要手段。本文根據工作原理不同，介紹了不同類型的火災探測器。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、應用等。基于熱釋電效應的點型紅外火焰探測器不僅可以應用于遠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勢。

一、背景

當前，工業生產中會涉及大量可燃、易爆、危害性較高的化工原料，火災是一種失去人為控制的燃燒過程，易造成人員傷亡和財產損失等危害。因此在生產當中需要對火災保持高度警惕，并配備完善、高效的火災探測裝置，實現對明火隱患的實時監測。

火災通常以燃燒的形式表現，燃燒產生的物理參量有熱（溫度）、煙（煙霧粒子）、光（火焰）、氣（氣體）、聲（燃燒音）。火災探測的本質就是將火災中出現的物理現象，利用傳感元件進行接收，并將其轉化為易處理的物理信號，并告知預警設備或人類。

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

圖1：火災探測器種類

傳統的煙感、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，所以其響應時間長、探測范圍窄，對周圍環境要求高，抗干擾能力差，對某些情況也無法預報，比如無煙火焰等。

隨著機器視覺技術的不斷發展，利用人工神經網絡與圖像識別方法的火焰探測技術取得了一定的進展，其具有較高的干擾免疫能力和探測精度，但是早期火災圖像探測的基礎理論研究尚不充分，而且它的算法復雜，成本偏高，需要很大的訓練樣本。

工業企業普遍采用的火災探測裝置為感光型（火焰）探測器，即點型火焰探測。點型火焰探測器具有響應速度快、探測距離遠、保護面積大等優點，尤其對于碳氫化合物燃燒所形成的火焰更為敏感，因此更為適用于化學工業、公路隧道、彈藥倉庫、油漆工廠、石化企業、制藥企業、電廠、物流倉庫等易燃易爆工業和民用場所。

二、火焰的光譜特征

圖2是火焰的光譜簡圖。不同的物質燃燒，其發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附近出現的火焰輻射波峰部分，是燃燒產物CO2受熱而發出的共鳴輻射發光光譜，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

根據目前消防標準規定和探測器的原理差別，通常火焰探測器分為兩大類。

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。生活中的火災監控多為擴散型，這種火焰的主要特點表現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，其頻度會受外界風速影響，基本保持 0.5-15Hz之間。

第二類是基于模式識別技術，以識別火焰發生時表現出來的顏色、亮度、閃爍、邊緣變化等視覺特征為目標的圖像型火焰探測器。根據火焰燃燒所產生的光譜特性，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，基于傳感器敏感元的熱釋電效應的火焰探測技術，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，并轉換成電壓信號。

知識小卡片

當電介質受到紅外輻射后，其內部溫度發生變化，導致電介質自發極化強度改變，這時電介質表面積聚的自由電荷跟不上自發極化強度的變化，從而產生電荷轉移，在外接回路中形成電荷移動，這種現象稱為電介質的熱釋電效應。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濾光片有選擇地接收火災特有的紅外輻射光線，并且接收到的光強度達到一定閾值外，還選擇火焰的燃燒起伏頻率作為判據，所以提高了探測的可靠性。

單波段紅外火焰探測器

多數火焰都會產生紅外輻射，燃燒物能夠釋放大量紅外波，因此紅外探測器能夠對其進行快速準確的識別。燃燒產物中熾熱的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。這就是傳統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，并將數據進行綜合分析，針對信號數據進行對比，以排除目標之外的干擾源。現階段，單一波段傳感器已經實現了對太陽輻射的完全排除，性能更加穩定。

熱釋電火焰傳感器

雙波段紅外火焰探測器

雙波段紅外火焰探測器結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，可根據實際情況選擇使用。不過雙波段紅外火災探測器的兩個波段的光學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，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時間。

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

現已被廣泛應用于各類儲油設施、大型倉庫等場所，成為石油、化工、造紙、冶煉、核電站等火災高危領域標準配置，同時也在高端住宅、商業、普通工業等領域逐漸得到普及，為人們生命財產安全提供更多保障。