火灾探测器原理及应用1

火灾探测器原理

1 火灾探测器定义及形式

1。1 所谓的火灾探测器，是指用来响应其附近区域由火灾产生的物理和/或化学现象的探测器件。

1。2 火灾探测器根据其传感器的结构形式，可分为点型火灾探测器和线型火灾探测器。

2 火灾探测器分类及性能指示

2。1 火灾探测器分类型谱

根据不同的火灾探测方法可构成相应的火灾探测器，按照其待测的火灾参数不同划分的分类型谱如图：

火灾探测器分类型谱

2。2 火灾探测器的性能指标要求

（1）火灾探测器的灵敏度——通常用以下几个概念来表示：

——灵敏度：指火灾探测器响应火灾参数的想度敏感程度，有时也指火灾灵敏度。根据国家标准GB4968-85〈〈火灾分类〉〉的规定，A类火灾是指固体物质火灾，B类火灾是指液体火灾或可熔化固体物质火灾，C类火灾是指气体火灾。各种不同的火灾探测器对各种类型火灾的灵敏度如下表所示：

各种火灾探测器的灵敏度

——灵敏度级别：是指火灾探测器响应几种不同的标准实验火时，火灾参数的不同相同响应范围。火灾探测器的火灾灵敏度级别按照火灾参数的不同响应范围一般分为三级。

——感烟灵敏度：是指感烟火灾探测器响应烟粒子浓度的相对敏感程度，也可称作响应灵敏度。

——感烟灵敏度档次：是指采用标准烟（或试验气溶胶）在烟箱中标定的感烟探测器几个（一般为3个）不同的相宜阈值的范围，也可称作响应灵敏度档次。

（2）火灾探测器的可靠性

——是指在适当的环境条件下，火灾探测器长期不间断运行期间随时能够执行其预定功能的能力。

（3）火灾探测器的稳定性

——是指在一个预定的周期时间内，以不变的灵敏度重复感受火灾的能力。

（4）火灾探测器的维修性

——是指对可以维修的探测器产品进行修复的难易程度或性质。

上述四项火灾探测器的主要技术指标一般不能精确次顶，只能给出一般性估计，下表给出了常用火灾探测器的灵敏度、可靠性、稳定性和维修性指标评价，以供参考。

各种火灾探测器的主要技术指标

（5）火灾探测器性能指标指示

——工作电压和允差，火灾探测器工作电压统一规定为24V，按照国家标准规定，允差为额定工作电压的-15%~10%。

——响应阈值和灵敏度，响应阈值是指火灾探测器动作的最小参数值，不同类型火灾探测器的响应阈值单位量纲也不相同。灵敏度是指火灾探测器响应火灾参数的敏感程度，火灾探测器的灵敏度一般分为三级，供探测器在不同条件下使用。

——监视电流，是指火灾探测器处于监视状态下的工作电流。表示了火灾探测器在监

视状态下的功耗，因此要求火灾探视器的监视电流越小越好。

——允许的最大报警电流，是指火灾探测器处于报警状态时允许的最大工作电流。允许最大报警电流越大，表明火灾探测器的负载能力越强。

——报警电流，是指处于报警状态时的工作电流。报警电流和允差值决定了火灾探测报警系统中火灾探测器的最远安装距离，以及在一个地址码允许并接的火灾探测器数量。

——工作环境条件，是指环境温度、相对湿度、气流速度和清洁程度等，通常要求火灾探测器对工作环境的适应性越强越好。

3 感烟式火灾探测器

烟雾是火灾的早期现象，利用感烟式火灾探测器可以最早感受火灾信号即火灾参数，所以，感烟式火灾探测器是目前世界上应用较普及、数量较多的火灾探测器。目前，常用的感烟式火灾探测器是离子感烟式火灾探测器和光电感烟式火灾探测器。

3。1 离子感烟式火灾探测器

——离子感烟式火灾探测器是采用空气离化火灾探测方法构成和工作的，他是利用放射形同位素释放的高能量a射线将局部空间的空气电离产生正、负离子，在外加电压的作用下形成离子电流，当火灾产生的烟雾及燃烧产物即烟雾气溶胶进入电力空间（一般称为电离室）时，比表面积较大的烟雾粒子将吸附其中的带电离子，产生离子电流变化，经电子线路加以检测，从而获得与烟浓度有直接关系的电信号，用于火灾确认和报警。

——采用空气离化火灾探测法实现的感烟探测，对于火灾初起和阴燃阶段的烟雾溶胶检测非常灵敏有效，可测烟雾粒径范围在0.03~10μm左右.这类火灾探测器只适用于构成点型结构.

——根据这种火灾探测器内电离室的结构形式，离子感烟式火灾探测器可以分为双源感烟式和单源感烟式火灾探测器。

3。2 光电感烟式火灾探测器

——根据烟雾离子对光的吸收和散射作用，光电感烟式火灾探测器可分为减光式和散射光式两种类型。

3。2。1 减光式光电感烟式火灾探测器

——原理：进入光电检测暗室内的烟雾粒子对光源发出的光产生吸收和散射作用，使得通过光路上的光通量减少，从而在受光元件上产生的光电流降低。光电流相对于初始标定值的变化量大小，反映了烟雾的浓度大小，据此可通过电子线路对火灾信息进行阈值放大比较、类比判断处理或火灾参数运算，最后通过传输电路产生相应的火灾信号，构成开关量火灾探测器、类比式模拟量火灾探测器或分布智能式智能化探测器。

——减光式光电感烟火灾探测原理可用于构成点型结构的火灾探测器，但是，更适用于构成线型结构的火灾探测器，实现大面积火灾探测。

3。2。2 散射式光电感烟火灾探测器

——原理：进入遮光暗室的烟雾粒子对发光元件（光源）发出的一定波长的光产生散射作用（按照光散射定律，烟粒子需轻度着色，且当其粒径大于光的波长时将产生散射作用），使得处于一定夹角位置的受光元件（光敏元件）的阻抗发生变化，产生光电流。此光电流的大小与散射光强弱有关，并且由烟粒子的浓度和粒径大小及着色与否来决定。根据受光元件的光电流大小（无烟雾粒子时光电流大小约为暗电流），既当烟粒子浓度达到一定值时，散射光的能量就足以产生一定大小的激励用光电流，可以用于激励遮光暗室外部的信号处理电路发出火灾信号。显然，遮光暗室外部的信号处理电路采用的结构和数据处理方式不同，可以构成不同类型的火灾探测器，如阈值报警开关量火灾探测器、类比判断模拟量火灾探测器和参数运算智能化火灾探测器。

——散射光电感烟探测方式一般只适用于点型探测器结构。一般的，散射光式感烟火灾探测器中光源的发光波长约在0.9μm左右,光脉冲宽度在10-2--10ms,发光间歇时间在3~5s,对燃烧产物中颗粒粒径在0.9~10μm的烟雾粒子能够灵敏探测,而对于0.01~0.9μm的烟雾粒子浓度变化无灵敏反应.

3。3 感烟式火灾探测器的灵敏度指标

——点型感烟式火灾探测器是对保护区域中某一点周围烟雾参数响应的探测不见，探测器本身处于长期监视的连续工作状态，因此，他的灵敏度、稳定性、可保养性及长期工作的可靠性是衡量火灾探测器质量优劣、火灾探测报警系统是否处于最佳工作状态的主要技术指标。

——感烟式火灾探测器的灵敏度级别是指在特定的实验条件下，对规定的四种实验火（1、木材热解阴燃火 2、棉绳灼热阴然火 3、聚氨酯塑料明火 4、正庚烷液体火）的火灾参数（减光系数m值、烟浓度Y值、温度增量△T值）不同的响应范围。利用m值、Y 值和△T值可将感烟式火灾探测器的灵敏度定义为以下三级。

Ⅰ级：mⅠ≤0.5dB/m，YⅠ≤1.5，△TⅠ≤15℃

Ⅱ级：mⅡ≤1.0dB/m，YⅡ≤3.0，△TⅡ≤30℃

Ⅲ级: mⅢ≤2.0dB/m，YⅢ≤6.0，△TⅢ≤60℃

在实际应用中,常采用减光率来表示感烟式火灾探测器的三级灵敏度,如下所示:

Ⅰ级：减光率 5%/m，用于禁烟场所

Ⅱ级：减光率为（10~15）%/m，用于一般场所、允许吸烟的客房和居室

Ⅲ级: 减光率为20%/m，用于吸烟室、楼道、走廊等场所

4 感温式火灾探测器

——感温式火灾探测器可以根据其作用原理分为三大类：定温式火灾探测器、差温式火灾探测器、差定温式火灾探测器。

4。1 定温式火灾探测器

——定温式火灾探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升超过某个定值时启动报警的火灾探测器。他有点型和线型两种结构形式。

——目前常用的定温式火灾探测器有双金属、易熔合金和热敏电阻几种形式。

4。2 差温式火灾探测器

——差温式火灾探测器是在规定时间内，火灾引起的温度上升速率超过某个规定值时启动报警的火灾探测器。他有点型和线型良种结构。

——消防工程中常用的差温式火灾探测器多是点型结构，差温元件多采用空气膜盒和热敏电阻。

4。3 差定温式火灾探测器

——差定温式火灾探测器结合了定温式和差温式两种感温作用原理并将两种探测器结构结合在一起。在消防工程中，常见的差定温式火灾探测器是将定温式、差温式两种感温火灾探测器组装结合在一起，兼有两者的功能，若其中某一功能失效，则另一种功能仍然起作用。因此，大大提高了火灾监测的可靠性。

——差定温式火灾探测器根据其工作原理，还可以分为机械式和电子式两种。电子式差定温火灾探测器在当前火灾探测报警及消防联动控制系统中用的比较普遍。他的定温探测和差温探测两部分都是由半导体电子电路来实现的。

4。4 感温式火灾探测器的主要性能指标

4。4。1灵敏度：灵敏度表示感温式火灾探测器对标定的温度值（定温式火灾探测器）或对表顶的温升速率（差温式火灾探测器）的敏感程度（敏感程度以动作时间值表示）。一

般的，将感温式火灾探测器的灵敏度定为三个等级，即一级、二级、三级，并且分别用绿色、黄色和红色三种色点标记表示。

4。4。2标定值：标定值是指规定感温式火灾探测器动作的动作温度值（定温式火灾探测器）或动作温升速率值（差温式火灾探测器）

——定温式火灾探测器其动作标定动作温度值一般有：60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、90℃、100℃、110℃、120℃、130℃、140℃、150℃等，其误差均限定为±5%之内。

——差温式火灾探测器标定动作温升速率值一般有：1℃/min、3℃/min、5℃/min、10℃/min、20℃/min、30℃/min等。

——差定温式火灾探测器其中差温部分与差温式火灾探测器标定动作值相同，定温部分与定温式火灾探测器基本相同，而惟一不同之处是：定温部分在温升速率小于1℃/min时，其标定动作温度值以上、下限值给出。

一级灵敏度：54℃＜标定动作温度值＜62℃

二级灵敏度：54℃＜标定动作温度值＜70℃

三级灵敏度：54℃＜标定动作温度值＜78℃

4。4。3动作时间：感温式火灾探测器在某一设定的环境条件下，对标定的温度（定温）或标定的温升速率（差温），由不动作到动作所需时间的上限值被定为动作时间值。显然，对于相同标定值而言，探测器灵敏度越高则动作时间值就越小。

——下表给出了各个灵敏度的差温式火灾探测器的动作时间值，其设定的环境条件是：起始温度为25℃，风速为（0.8±0.1）m/s。

——下表给出了个灵敏度的定温火灾探测器的动作时间值，其设定的环境条件是：起始温度为25℃，垂直风流速度为1m/s，动作温度值为标定值的1.25倍。

4。4。4保护面积：保护面积是指一只火灾探测器能够有效的探测到被监测区域中的火灾信息的最大地面面积。

4。4。5工作电压及工作电流：国标规定火灾探测器的工作电压为DC24V±10%，火灾探测器的最大报警电流一般不超过DC100Ma。

4。4。6工作环境：工作环境通常是指从温度和湿度两方面提出限定范围值，一般的，火灾探测器的工作温度：-10~50℃（普通型）或-40~40℃（耐低温型）。环境湿度：不大于90%±3%（35℃时），或不大于95%±3%（40℃时）

5 感光式火灾探测器

——感光式火灾探测器主要是指火焰光探测器，目前广泛使用紫外式和红外式两种类型。

5。1 紫外感光火灾探测器

——当有机化合物燃烧时，其氢氧根在氧化反应中会辐射出强烈的波长为250nm的紫外光。因而，紫外感光火灾探测器就是利用火焰产生的强烈紫外辐射光来探测火灾的。紫外感光火灾探测器的敏感元件是紫外光敏管。他是在玻璃外壳内装着两根高纯度的钨或银丝制成的电极。当电极接受到紫外光辐射时立即发射出电子，并在两极的电场作用下被加速。由于管内充有一定量的氢气和氦气，所以当这些被加速而具有较大动能的电子同气体分子碰撞时，将使气体分子电离，电离后产生的正、负离子又被加速，他们又会使更多的气体分子分离。于是在极短的时间内，造成“雪崩”式的放电过程，从而式紫外光敏管由截止状态变成导通状态，驱动电路发出报警信号。

——一般的，紫外光敏管只对190~290nm的紫外光起感应。由于紫外光敏管具有输出功率大、耐高温、寿命长、反应快速等特点，可在交直流电压下工作，因而被广泛用于探测火灾引起的波长在0.2~0.3μm以下的紫外辐射和作为大型锅炉火焰状态的监视元件。他特别适用于火灾初期不产生烟雾的场所（如生产、储存酒精、石油等场所），也适用于电力装置火灾监控和快速探测火焰及易爆的场所。目前消防工程中所使用的紫外感光火灾探测器都是由紫外光敏管与驱动电路组合而成的。

——紫外感光火灾探测器在使用中应当注意如下事项：

（1）应避免阳光直接照射，以防止阳光中的微弱紫外光辐射造成误报警

（2）在安装有紫外感光火灾探测器的保护区域及其临近区域内，不能进行电焊操作，若必须进行电焊操作时，应采取相应措施，以防误动作报警

（3）在安装有紫外感光探测器的区域及其周围区域，不允许安装发射大量紫外线的碘钨灯等照明设备，以免引起误动作

（4）紫外光敏管受外界环境影响，长期使用可能会造成管子特性发生变化，形成自激现象，从而导致紫外感光火灾探测器频繁误报警，这时需更换紫外光敏管（5）对紫外光敏管应经常清洁，定期维修，以确保透光性良好

5。2 红外感光火灾探测器

——红外感光火灾探测器是利用红外光元件的光电导或光伏效应来敏感的探测低温产生的红外辐射，红外辐射光波波长一般应大于0.76μm.由于自然界中只要物体高于绝对零度都会产生红外辐射,所以,利用红外辐射探测火灾时,一般还要考虑物质燃烧时火焰的间歇性闪烁现象,以区别于背景红外辐射.物质燃烧时火焰的闪烁频率大约在3~30Hz ——红外感光火灾探测器在使用时应当注意以下事项

（1）红外感光火灾探测器的探头在安装时，应避开阳光的直射及反射，也应避开强烈灯光的照射，以防止由此引起的误报警

（2）对探头光学部分应定期清洁，当红玻璃片有灰尘回水汽时，可用擦镜纸或绒布擦拭

（3）红外感光火灾探测器的报警灵敏度切不可调的太高，以免因过于灵敏而出现误报警

6 可燃气体探测器

——可燃气体的探测原理，按照使用的气敏元件或传感器的不同主要分为热催化原理、热导原理、气敏原理和三端电化学原理四种。

——热催化原理，是指利用可燃气体在有足够氧气和一定高温条件下，发生在铂丝催化元件表面的无焰燃烧，防出热量并引起铂丝元件电阻的变化，从而达到可燃气体浓度探测的目的

——热导原理，是利用被测气体与纯净空气导热性的差异和在金属氧化物表面燃烧的特性，将被测气体浓度转换成热丝温度或电阻的变化，达到测定气体浓度的目的——气敏原理，是利用灵敏度较高的气敏半导体元件吸附可燃气体后电阻变化的特性来达到测量和探测目的

——三端电化学原理，是利用恒电位电解法，在电解池内安装三个电极并施加一定的极化电压，以透气薄膜将电解池同外部隔开，被测气体透过此薄膜达到工作电极，发生氧化还原反应，从而使得传感器产生与气体浓度成正比的输出电流，达到探测目的——采用热催化原理和热导原理测量气体时，不具有气体选择性，即具有可燃气体探测的广谱性，通常以体积百分比表示气体浓度。催化燃烧式气体探测器的优点是对可燃气体探测线性好，受湿度、温度影响小，响应快。缺点是对低浓度可燃气体灵敏度低，敏感元件受到催化剂侵害后其特性锐减，金属丝易断。热导式气体传感器的特点是不用催化剂，不存在催化剂影响而使特性变坏问题，既可用于可燃性气体测量，也可用于无机气体及其浓度测量。

——采用气敏原理和三端电化学测量可燃气体时，具有气体选择性，适用于气体成分检测和低浓度测量，通常以ppm（1ppm=10-6）表示气体浓度。一般的，气敏半导体传感器廉价，灵敏度高，但可靠性、对气体的选择性、稳定性较差；电化学传感器灵敏度、可靠性、气体选择性、稳定性较好，响应速度良好，测定范围宽，但价格较高。

——对可燃气体进行有效测量的方法随气体的种类、浓度、成分、用途而异，当前主要使用的气敏元件种类如下图：

气敏元件分类

——当前主要的气体检测方法如下表：

当前主要使用的气体检测方法

注：0表示可测量

——一般地，用于实际工程中的可燃气体探测器多为点型结构形式。在工程应用中，多采用微功耗热催化元件实现可燃气体浓度检测，采用气敏半导体元件或三端电化学元件时下可燃起成分和有害气体成分检测

——可燃气体探测器在使用过程中应当注意以下事项：

（1）安装位置应当根据待探测的可燃气体性质来确定。若被检测气体为天然气、煤气等，较空气轻，极易漂浮上升，应将可燃气体探测器安装在设备上方或天花板附近；若被探测气体为液化石油气等，较空气重，则应安装在距地面不超过50cm的地方（2）可燃气体探测器属长期通电状态，应当每月检查一次，现场检查方法是用棉球蘸上一点酒精靠近气敏元件，如给出报警，表示工作正常

（3）催化元件对多种可燃气体几乎有相同的敏感性，所以在有混合气体存在的场所，他不能作为分辨混合气体组分的敏感元件来使用

（4）可燃气体敏感元件的理化特性研究表明，硫化物可使元件特性发生变化，且又不能恢复，出现所谓“中毒”现象，所以仪，可燃气体敏感元件需防“中毒”，并且避免直接油浸或油垢污染，也不能在有酸、碱腐蚀性气体中长期使用。