CN106128004A - 基于阵列气敏传感器的火灾探测器 - Google Patents

基于阵列气敏传感器的火灾探测器 Download PDF

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何永勃
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杨建忠
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Abstract

本发明提供一种基于阵列气敏传感器的火灾探测器，该火灾探测器包括有传感器模块与信号采集模块，传感器模块为电阻型半导体阵列式气敏传感器，阵列传感器的输出端与信号采集模块相连接，形成阵列气敏传感器的火灾探测器。有益效果是采用该探测器误报率降低了一个数量级以上，可同时检测多种气体，提高检测精度，并且根据气体类型和每种气体的浓度比例来判断火灾发生的类别。将本发明火灾探测器用于飞机座舱、货仓时，可根据气体类型，推断燃烧或热解材料类型，进而可判断火灾位置，帮助机组人员进行故障排除。提高火灾报警器的可靠性，可有效解决传统的光电式感烟探测器对灰尘等干扰而引起的误报现象。其适用于各种不同性质的火灾监测，可广泛用于工厂、飞机座舱、游轮、火车、住宅、商场等。

Description

基于阵列气敏传感器的火灾探测器
技术领域
本发明涉及一种基于阵列气敏传感器的火灾探测器。更具体地说是一种可应用于飞机客舱中，在没有明确烟雾发生时的火灾探测器。
背景技术
当前，市面上的火灾探测器主要有单一检测颗粒物的光电式感烟探测器，以及颗粒物与温度结合的复合式探测器。西门子公司最近生产了一种颗粒物、温度和CO气体检测的复合式烟雾探测器，很好地解决了光电式烟雾探测器误报s三sms率较高的问题。
火灾发生时，绝大多数情况都有烟雾产生，并伴随有多种燃烧产物，如CO，CO2，SO2等气体。对于某些类型的火情，并无明显烟雾产生，只释放出一些气体，如飞机电气零件过热，电子器件烧毁，发动机部件过热等。在这些情况下，上述探测器以及当前飞机上使用的火灾探测器不能较好的完成任务。西门子公司的复合式烟雾探测器，也只能检测烟雾和单一的CO气体，而飞机上的其它燃烧产物就检测不到，造成火灾的检测的可靠性不高，产生误报及漏报现象。
火灾根据燃烧物的不同可以分为A类、B类、C类、D类、E类，每类火灾发生时产生的气体大体相同，少部分不同。而现有的单一气敏传感器往往不能辨别是哪类物质引发了火灾，这对火灾救援造成了一定延迟，如果误判，则后果难料。因此如何及时、准确地发现火灾，是当前的火灾探测器需要解决的问题。
飞机座舱、货仓的火灾报警***误报率高达90％以上。引起误报的原因多种多样，如灰尘、水蒸气等引起的误报。另外，为了能对火源类型以及燃烧物有更明确的推断，从而对火源位置进行定位，需要有更精确的探测方法。
发明内容
本发明所要解决的问题是提供一种能够同时检测多种气体、避免误报警和漏报警、判断火灾类型、定位火源位置的基于阵列式气敏传感器的火灾探测器。
为了实现上述目的，本发明采取的技术方案是提供一种基于阵列气敏传感器的火灾探测器，其中：基于阵列气敏传感器的火灾探测器结构是，该火灾探测器包括有传感器模块、信号采集模块，传感器模块为电阻型半导体阵列式气敏传感器，阵列传感器的输出端与信号采集模块相连接，形成阵列气敏传感器的火灾探测器。
本发明的效果是能够降低漏报警率和无报警率。当发生因高温热解气体而无明显烟雾颗粒的火警时，常用的光电式烟雾探测器因检测不到颗粒物而漏报警，而本发明通过检测热解气体可以给出正确报警信号，从而降低了漏报率。对于因灰尘、水蒸气等原因引起的虚假火警，常用的光电式烟雾探测器的误报率高达90％以上。集成了温度传感器和CO传感器的复合式烟雾探测器可大幅度降低这种情况下的误报率；但由于只检测CO一种气体，容易受到干扰气体而发生误报警。本发明由于根据多种气体的检测结果来综合判断火警信息，其报警结果的可靠性远高于只检测一种气体的检测方法。本发明与其它检测方法相比，误报率降低了一个数量级以上。与单一的气敏传感器相比，可同时检测多种气体，从而提高检测精度，并且根据气体类型和每种气体的浓度比例来判断火灾发生的类别。将本发明火灾探测器用于飞机座舱、货仓时，可根据气体类型，推断燃烧或热解材料类型，进而可判断火灾位置，帮助机组人员进行故障排除。
附图说明
图1为本发明的基于阵列传感器的火灾探测器的剖面图；
图2为本发明的基于阵列传感器的火灾探测器的传感器阵列结构示意图；
图3为本发明的基于阵列传感器的火灾探测器的传感器阵列测试电路图。
图中：
2、金属半导体气敏材料涂层 3、加热丝 4、连接导线 5、外壳6、接线端子 7、圆柱形陶瓷管 8、SnO2 9、TiO210、WO3 11、掺Pt、Au的SnO2 12、γ-Fe2O3 13、ZnO
具体实施方式
下面结合附图对本发明的基于阵列气敏传感器的火灾探测器结构加以说明。
本发明的基于阵列气敏传感器的火灾探测器中所说的气体是指在火灾形成初期由燃烧物释放出来的气体，称为火灾目标气体。例如含碳物质在火灾形成前和形成中释放CO、CO2、CH4；含硫物质释放SO2；含氮有机物释放NO等。针对不同的保护对象，可以使用不同的金属半导体气敏传感器。由于灰尘和水蒸气中不含目标气体，因此本发明的火灾探测器从原理上可以有效地排除由于灰尘和水蒸气引起的误报。本发明的基于阵列传感器的火灾探测器是设计一个金属半导体气体阵列传感器。其敏感机理与目前常用的独立式电阻型半导体气敏传感器类似，具体方法是在空心圆柱陶瓷管内部放置加热丝，陶瓷管外表面等间距覆盖不同的金属半导体气敏材料。采用电阻型半导体阵列式气敏传感器，通过检测火灾发生后产生的多种气体，来识别真正的火灾，进而可判断原始燃烧材料。
本发明的基于阵列气敏传感器的火灾探测器结构是，该火灾探测器包括有传感器模块、信号采集模块，传感器模块为电阻型半导体阵列式气敏传感器，阵列传感器的输出端与信号采集模块相连接，形成阵列气敏传感器的火灾探测器。
所述的电阻型半导体阵列式气敏传感器包括有陶瓷管7、金属半导体气敏材料涂层2、加热丝3、连接导线4、外壳5及接线端子6，所述金属半导体气敏材料涂层2为多个不同的环状金属半导体材料，并等间距覆盖于陶瓷管7外表面，在陶瓷管7内部放置加热丝3，加热丝3两端和每个金属半导体气敏材料涂层2两端通过连接导线4连接，连接导线4与外壳5上的接线端子6连接，接线端子6与所述信号采集模块相连接。
本发明的基于阵列气敏传感器的火灾探测器功能是这样实现的：该火灾探测器主要包括圆柱形陶瓷管7、金属半导体气敏材料涂层2、加热丝3、连接导线4、外壳5及接线端子6。具体方法是在圆柱形陶瓷管7内部放置加热丝3，陶瓷管7外表面等间距覆盖不同的金属半导体气敏材料涂层2，如SnO28、TiO29、WO310、掺Pt、Au的SnO211、γ-Fe2O312、ZnO13等，从而构成阵列式气敏传感器，在制作金属半导体气敏材料涂层2时，可以添加贵金属Pt、Pd、Au等。每段金属半导体气敏材料为环形，其两端边缘引出连接导线4，两个导线之间可等效为一个电阻，连接导线4与外壳5上的接线端子6连接，接线端子6与所述信号采集模块相连接。当被测气体接触到火灾探测器后，不同的金属半导体气敏材料涂层的导电特性发生变化，通过测试电路测出等效电阻的变化，从而得到火灾环境中气体的含量。
如图1、图2所示，本发明的实施方式涉及基于阵列传感器的火灾探测器。如在飞机货仓，将基于阵列传感器的火灾探测器安装在飞机货仓的各个角落。飞机的外来物品，如纸制品、打火机、酒类、化妆品、塑料制品；飞机本身的物品如装饰材料、发动机、燃油、电子器件等。这些燃烧物都有可能引发火灾，且伴随有大量气体产生。不同燃烧物产生的气体大部分相同，只有微量不同。如燃油不充分充分燃烧会产生CO2、H2O，少量的CO、SO2、NO，及本身物质丙烷等；聚氯乙烯塑料制品燃烧会分解出HCI气体；尼龙电线电缆过热燃烧会产生大量的CO2、CO及少量的HCN气体；电路板过热会分解出CO、H2、CO2等。
在本实施例中，选取CO、NO、HCI、H2、丙烷、乙醇六种气体为被测对象，每一种金属半导体气敏材料对其中一种气体灵敏度较高。其中，SnO2传感器对CO有较高的灵敏度；TiO2对NO很灵敏；WO3传感器对HCI气体敏感度高；掺Pt、Au的SnO2传感器能够提高对H2的灵敏度；γ-Fe2O3对丙烷有较高的灵敏度；ZnO对乙醇气体较灵敏。
在本实施例中，如图2所示，六种气敏材料分别为SnO28、TiO29、WO310、掺Pt、Au的SnO211、γ-Fe2O312、ZnO13。六种金属半导体气敏材料的等效电阻分别为RS1，RS2，RS3，RS4，RS5，RS6，陶瓷管7内的加热丝电阻为Rh。配置六个分压电阻RL1，RL2，RL3，RL4，RL5，RL6，可以构成基本的测量电路，如图3所示。信号采集模块采用一个集成了多通道AD转换器的单片机。本发明具体采用带有8通道12位AD转换器的MSP430F149低功耗单片机。工作时，给加热丝3施加电压VH，给测量电路的施加电压VC。当飞机货仓发生火灾时，所产生的不同气体浓度信息被阵列传感器转换为不同的电压值，经AD转换器采集后，由单片机对气体浓度信号进行分析，可以判断火灾中的气体种类，推测是哪种燃烧物引发火灾，从而能够对火灾位置进行定位，帮助机组人员排除故障。如飞机上的燃油泄露，不充分燃烧会产生CO2、H2O，少量的CO、SO2、NO及本身物质丙烷等。在本实施例中，这些气体与火灾探测器接触后，对应的气敏材料SnO28、TiO29、γ-Fe2O312导电性会发生变化，通过测试电路测出等效电阻的变化，从而同时测得火灾环境中CO、NO、丙烷的含量。
这些实施例仅用于说明本发明但不局限制本发明的范围。只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接用于其他场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种基于阵列气敏传感器的火灾探测器，其特征是：该火灾探测器包括有传感器模块与信号采集模块，传感器模块为电阻型半导体阵列式气敏传感器，阵列传感器的输出端与信号采集模块相连接，形成阵列气敏传感器的火灾探测器。
2.根据权利要求1所述的基于阵列气敏传感器的火灾探测器，其特征是：所述的电阻型半导体阵列式气敏传感器包括有陶瓷管(7)、金属半导体气敏材料涂层(2)、加热丝(3)、连接导线(4)、外壳(5)及接线端子(6)，所述金属半导体气敏材料涂层(2)为多个不同的环状金属半导体材料，并等间距覆盖于陶瓷管(7)外表面，在陶瓷管(7)内部放置加热丝(3)，加热丝(3)两端和每个金属半导体气敏材料涂层(2)两端通过连接导线(4)连接，连接导线(4)与外壳(5)上的接线端子(6)连接，接线端子(6)与所述信号采集模块相连接。
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