地下停车场火灾自动报警系统的设计

随着我国经济的不断发展，各种车辆的数量也在不断增加，停车用地也越来越紧张。而地下停车库或停车场应运而生，较好的缓解了这一矛盾。地下停车场与地上空间相比具有其特殊性，不但火灾引发因素远远多于地上空间，而且还具有火场温度高、发烟量大、扑救困难、人员疏散困难等特点。

因此，扑救地下停车场火灾比其它一般建筑要复杂。一旦我们不能有效的预防和控制火灾，将给人们的生命和财产造成十分重大的损失。可见，地下停车场的防火安全极为重要。

地下停车场火灾自动报警系统的问题

由于环境的不同，地下停车场与地上建筑的火灾报警系统有着较大的差别。通常地上民用建筑内空气质量较好，可以较好地通风；而地下停车场空间体积大，大多自然通风条件较差，加上常年不见阳光，空气潮湿，灰尘多，各种管线都要在这里汇集，空间拥挤，当汽车启动行驶时有较大的震动，各系统间也会产生相互干扰，使得火灾报警系统一直运行在较强的电磁干扰等不良环境下。

目前我国大多数地上民用建筑中的火灾探测器都安装在顶棚，其高度通常低于6m，一般建筑的空间体积也不会太大，当要发生火灾时，烟气能够很容易被探测器感应到。而在地下停车场这样的大空间场所，由于火灾产生的烟气或温度在空间的传播会受到影响，使得探测滞后，不能第一时间发出火灾报警。现行的火灾探测技术在地下停车场这样的大空间场所的应用主要存在以下两方面的问题：

（1）在大空间中火灾烟气的扩散和上升，都会受到空间效应的稀释作用，其温度和浓度都大大降低，难以达到探测器的灵敏度，就实现不了早期火灾报警。

（2）受到电磁干扰、光干扰、震动、水蒸气、灰尘等的干扰或是环境状况比较恶劣的情况下，火灾探测器难以正常工作，常常会出现不报警或误报警的现象。

因此，地下停车场这样的大空间建筑需要更加先进的火灾探测技术。笔者设计了在地下停车场采用双波段红外火焰探测器，其设计过程如下。

双波段红外火焰探测器的设计

火灾探测器是消防自动报警系统的眼睛，它会在火灾初期探测火灾信号，并迅速将信号传到报警控制器，发出警报信号，从而使人们在第一时间知道火灾的发生，及早发现火灾是控制火灾的关键。探测器常用类型有：感温、感烟、感光(紫外、红外)、可燃气体等4类。由于地下停车场这样的大空间建筑不适合用普通的感温和感烟探测器，故本设计选用先进的双波段红外火焰探测器。

双波段红外火焰探测器是一种新型的火灾探测器，目前在国外已成功地应用于地下停车场等大空间建筑的消防报警。

该探测器工作原理是，采用火焰及背景辐射双信息相关传感技术，当发生火灾时，局部物体的温度开始升高时，会高于环境的背景温度，会带来其向空间辐射的红外线的能量生变化，而火焰和干扰光会产生两个不同特征波段上，两个红外传感元件对它们会作出不同响应，内部数据处理系统会及时对采集到的数据进行运算、分析和处理，会判断哪些是火灾信号，哪些是干扰信号，最后将正确信息传送给火灾报警控制器，从而大大提高对火焰探测的可靠性。

1 双波段红外火焰探测器的模型

双波段红外光火焰探测器的设计可以分为四个部分：第一部分是红外光源，它主要是提供探测器能够探测的波段的红外光；第二部分是探测器电路，它包括传感器及周围电路，主要是探测红外光；第三部分是信号处理电路，包括放大电路、滤波电路及AD转换电路，它主要是对信号作放大和转换等处理；最后是微控制器，它对转换后的信号进行处理，并做出响应，它是系统的核心。

本设计的主要技术参数：检测原理为红外吸收式；最小响应时间500ms；工作电压18～36V DC；环境温度-40～+80℃。

2 系统构成

（1）红外光源的设计

所有物体都能发射出红外辐射，火焰的红外辐射波长主要集中在3.5～5μm波段内。而红外光探测器通常只对光强的变化敏感，因此需要设计一个调制红外光源。本设计选择IRL715红外光源，它是一种白炽灯，是利用电调制的NDIR红外传感器激励光源，指定应用于NDIR红外吸收气体探测器，其工作的脉冲重复频率范围通常为0.1～10Hz，波长从可见光到5μm。

它具有可靠性高、输出稳定、寿命长等特点，此外，它还能滤掉直流干扰，降低平均功率提高瞬时发射功率，同时减少探测器、放大器等元件的寄生热，提高系统的稳定性。由于光源的辐射通量与通过的电流成正比，我们采用恒流源为其供电，并通过微处理器来脉动式开和关。通常红外电路的发射脉宽为800ms，周期为4s。

（2）光路系统的设计

在进行光路系统的结构设计时，应将红外光源和红外探测器设置在同一光轴上，这样可以使红外吸收信号具有较好的分辨率。光路系统是探测器的一个很重要的组成部分，它采用反射式，要求光路简洁，首先红外光源通过抛面镜发射出平行光，并通过能透过红外的滤波片，最后经平面镜反射后汇聚到光电传感器上。这种光路的平面镜对3.0～4.3μm的红外波段的反射率在98%以上。

（3）探测器的设计

1）波段选择

通常在火灾发生时，由碳氢或含碳化合物燃烧产生的红外辐射波长一般在4.4μm，而背景辐射（如调制太阳光、照明、电弧焊、及其他热体等非火灾红外辐射）红外波长一般为3.8μm，因此我们将探测器的两个设计波段定在这两个波长上。

2）传感器的选择

选择传感器的原则是要具有量子效率高、响应快、线性工作范围大、耗电少和使用寿命长等有点。本设计选用Perkinelmer公司的TP2534-G5G20热电堆双源传感器，它是一种双通道传感器，带有红外带通滤波器，自带滤光片，并且内部带有热敏电阻，其测量通道的G5滤波器的中心波长是4.4μm，能够可靠而且精确地探测到火焰产生的红外光。

（4）探测器的处理电路设计

红外探测器的设计关键是设计稳定可靠的前置放大电路，因为通常红外光产生的信号都十分微弱，极容易受到外界的干扰，最好采用高精密、低漂移的模拟前置放大电路进行放大处理，放大出来的信号通过二级放大电路，直接输出一个与火焰强度对应的信号，并由测控系统通过校正和补偿后得到火焰强度。

本文所设计的放大电路，热电堆的内阻较高（约50kΩ），输出电压仅有几mV，它就好像一个带内阻的电压源，输出信号是非常微弱，需要使用高输入阻抗并且低噪声的CMOS运算放大器进行线性放大。在对有用信号放大的同时，还应对工频段的背景干扰信号进行衰减，以减少工频和高频信号的干扰。此外，为了顺利实现双波段信号的提取，还应使电路满足火焰探测灵敏度要求较宽的动态范围。

3 信号数据处理

火焰探测是一种特殊类型的信号检测，由传感器采集的光强变化参数不能准确的确定信号，而且地下停车场环境较差，干扰因素较多，而且这些干扰引起光强变化特征往往与火焰强度变化相似，容易引起误报警，采用双波段补偿技术可以有效解决这个问题，它是由参比通道进行温度相关和光源强度补偿的。

光线通过测量通道和参比通道得出不同的数据，通过对这些数据进行分析，利用最小二乘法算法进行计算处理，再将通过AD转换所获取的数据经过滤波处理，此算法能够避免环境因素变化的影响，校正和补偿计算值，既能快速准确探测光强，又能降低误报率。

参比通道可以有效地处理温度影响。首先进行温度实验，测出参比通道和测试通道与温度的有关数据，并建立相关的数据表格，表格数据在一定程度上能反映出温度与误差之间的关系，再用最小二乘法拟合出这种关系式，它能反映各个温度对应的补偿量，通过补偿就可以抵消温度对传感器造成的测量误差。

本系统采用C8051F410单片机作为处理器，它结构简单、操作方便，能大大简化数据处理过程，节省运算时间，快速完成运算过程。

在实际的测量过程中，为了进一步提高测量精度，可根据上面提到的最小二乘法拟合出的温度与误差之间的关系式，来对误差进行补偿，最后经数字滤波、线性插值等软件处理后，得出波长值，从而判定火灾是否发生。

双波段红外火焰探测器的应用效果

北京某大型地下停车场采用了双波段红外火焰探测器系统。该地下停车场具有大空间建筑所共有的特点，即空间体积大，净空高。在未更换探测器之前，该停车场使用普通的感温探测器，曾经在一次电焊施工中，由于电焊产生的强光被探测器探测到而引起误报警，造成了极坏的影响；而在平时用加烟工具进行火灾模拟试验时，探测器经常显得反映迟钝，往往要很长时间才能发出报警。

在采用双波段红外火焰探测器系统之后，在进行的火灾模拟试验中，探测器能很快探测到并作出反映，在用一些干扰光以及其他干扰因素进行试验时，探测器也能很好的识别，没有发出误报警的情况。可见，双波段红外火焰探测器在地下停车场等大空间建筑中的使用效果良好，具有广泛的应用前景。

结论

双波段红外光火焰探测器不仅能有效排除外界因素干扰，准确探测危险信号，它还具有极高的灵敏度，能及时探测到火焰的存在，将火灾扼杀在摇篮之中。这种新型的火灾探测技术以后一定会在地下停车场这样的大空间建筑之中推广开来，为保证人民的生命财产安全作出更大的贡献。

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