基于提升小波的图像型火灾检测技术 第4页
2火灾探测的原理与技术
火灾科学是在基础自然科学、技术科学和灾害学的基础上逐渐形成的新学科
与经济建设、社会发展、国家安全及科技进步密切相关，是倍受人们关注的研究
领域。火灾探测技术的任务就是利用可燃物在燃烧中表现出来的早期特征信息来
判别是否发生火灾，进而达到预防火灾，减少火灾损失的目的。
2.飞火灾产生的机理及发展过程
2，1.1火灾产生的机理
火灾是一种失去人为控制的燃烧过程，产生火灾的基本要素是可燃物、助燃
物和点火源。可燃物以气态、液态和固态三种形态存在，助燃剂通常是空气中的
氧气。根据可燃气体与空气混合方式不同有两种燃烧方式，如果在燃烧前，可燃
气体与空气均匀混和称预混燃烧;如果可燃气和空气分别进入燃烧区边混合边燃
烧称为扩散燃烧。着火后，燃烧火焰产生的热量使液体或固体的表面继续放出可
燃气体，并形成扩散燃烧。同时，发出含有红外线或紫外线的火焰，散发出大
的热量。气溶胶、烟雾、火焰和热量都称为火灾参量，通过对这些参量的测定
可确定是否存在火灾。大量热量通过可燃物的直接燃烧、热传导、热辐射和热
流，使火从起火部位向周围蔓延，这就是常说的火蔓延，火蔓延导致了火势的
大，形成火灾。
根据火灾发生时所产生现象的不同，可将火灾分为慢速阴燃、明火和快速
展火焰等。阴燃就是在疏松或颗粒介质中缓慢进行的热解和氧化反应，它能长
间自行文持并传播，当条件有一定变化时，或者转化为明火，或者自行熄灭。
究表明阴燃是诱发火灾的重要原因。明火则是火灾发生时燃烧火焰产生的热量
液体或固体的表面放出可燃气体，并形成扩散燃烧，同时发出含有红外线或紫
线的火焰。快速发展火焰则是火灾扩散的速度特别快，这种类型的火灾一般是
气中混有大量可燃气体[61。
2.1.2火灾的发展过程
火灾作为一种燃烧现象，其规律具有确定性的一面，可通过模拟研究逐步加
认识。而火灾作为一种灾害现象，在火灾发生的实际现场，众多因素常常无常
这种变化往往又带有随机性。常见的火灾的发展过程通常都要经历如下几个阶段
初起阶段(AB)、发展阶段(BC)、熄灭阶段(CD)，如图2.1。
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80%火灾温度极大值
轰燃C
旺盛期
衰减期
厂/八
日侧份侧蜓仅一
A隔期
时间t
图2.1火灾的发展过程
初起阶段:火灾初期，可燃物质开始发热，发生缓慢的热解作用，产生直径
为o，001一0.05产m的不可见粒子(早期的烟雾、CO、CO;和场等气体)，热量释放
很低。随着热分解作用的发展，物质进一步发热，产生可见烟雾，一些烟雾粒
的直径可达0.03一0.1召m，甚至更大，并形成烟气羽流。此阶段空气的对流作用
渐明显，只产生烟雾，尚未出现火焰，热量释放不高，温度上升仍较慢。
发展阶段:此时阴燃面积扩大，温度逐渐上升，释放大量的可燃气体，并出
火焰，伴随有更多的烟雾产生。火焰产生了光辐射，覆盖整个紫外到红外波段
其能量大部分集中在红外波段;并产生大量的高温烟气，逐渐形成三文各向异
湍流运动①。烟雾粒子在运动中产生相互碰撞，出现了烟雾粒子凝聚现象。这个
段烟气和火焰并存，并出现轰燃现象，易燃物进入充分燃烧状态，烟气中含有
量的毒气，火焰放射出大量的热量。
熄灭阶段:随着火灾进入高温燃烧，火场温度达到高峰，辐射大量红外、可
和紫外线光，烟雾己开始迅速减少。随着燃烧物质的耗尽，火灾逐渐衰减熄灭
余烬温度也开始下降[7l[81。
2.2火灾信号的物理特征及探测技术
2.2.1火灾信号的物理特征
人们用于探测火灾的探测器或传感器都只能通过火灾发生时产生的各种物
和化学变化特征来间接探测火灾，例如通过探测火灾产生的烟雾、火灾引起的
温、火焰和气体等，而这些特征参数在非火灾情况下也会发生变化，而且有时
化规律与火灾发生时是极其相似的，为了从火灾传感器信号中正确区分出真实
灾信号、尽量减少误报警，就必须了解火灾探测信号的特征。
1.火焰[9]
①大量的高温烟气在烟羽流内由于密度与压力梯度方向不一致而成生空气漩涡，漩涡在上升过程中不断耗散
形成三文各向异性湍流运动
6
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火灾燃烧是复杂的放热化学反应，燃烧火焰的温度通常为900一14000r，并
产生大量的炽热微粒。正是这些炽热微粒的存在，使火焰发射出电磁波辐射，
括可见光，这些光学特性为远距离探测火灾提供了可行性。
(l)火焰辐射:辐射光谱包括紫外、可见光和红外波段，但在红外波段尤
强烈，这是C伪共鸣的C伪原子团发光光谱。
(2)火焰形状:火焰中炽热的发光微粒集合，勾划出火焰形状。一般火灾中
由于燃烧状况不稳定，火焰边缘通常表现锯齿型，且在火灾发展过程中区域面
增大。
(3)火焰闪烁:火灾火焰具有闪烁的物理特性，这不仅表现在辐射强度
3一30Hz的频率波动，而且也反映在火灾形状的波动上。
2.燃烧产物
燃烧产物即通常所说的烟气，包括气态燃烧产物和固态高温产物，运动速
为每秒几米到几十米。
(l)气态燃烧产物:主要成分为场O、CO和C伪。气态燃烧产物的典型
理特征是气态特征光谱、气态浓度和气体温度。但气体浓度和温度的探测都很
易受到扩散流动的影响，不适宜作为高大空间火灾探测。
(2)固态高温产物:来源于可燃物中的杂质以及高温状态可燃物裂解所形
的物质，高温微粒通常表现出来的物理特征有:①对光线的散射和吸收作用;
对离子的俘获和阻挡作用;③在流动中保持相当的温度;④带静电荷。
3.燃烧音
燃烧过程产生的高温会加热周围的空气，使之膨胀形成压力声波，其频率
在数赫兹左右(次声)。然而可听域有很多日常噪声干扰，且并非所有的燃烧都会
生超声波。
只有深入了解了火灾发生时自身所特有的特征参数以及对周边环境的影响
况等相关的信息，才能针对不同的火灾易发生场所采用相应的火灾探测器，以
来提高火灾探测的可靠性，降低误报不报，达到尽早疏散人员、保护人身财产
全。
2.2.2火灾探测技术发展的状况
火灾探测是探测技术与火灾物理特征相互祸合的过程，即针对某些物理参量
采用某种探测方法并在实际应用环境中发挥其作用，准确地探测火灾。
火灾的探测实质是利用传感器件感受火灾物理特征的变化，并将其转化为易
理的物理量。目前，人们已利用这种物理量转换效应作为火灾的探测原理，研
出了数种火灾探测器，各种火灾探测器的探测原理及优缺点[’0]见表2.1
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传统火灾探测技术的发展状况及其优缺点
类型存在优点存在不足
感温探测
表2.1
探测原理
利用金属热膨胀系
数、升温后易熔合金、
玻璃球溶化、水银接
点动作、热敏电阻改
变等原理;
(l)结构简单，电路少;
(2)可靠性高，误报率低;
(3)可做成密封结构，防潮
防火防腐蚀性好;
(l)灵敏度低、探测速度慢、报警时间迟;
(2)对阴燃火灾往往不响应，难满足火灾
早期报警要求;
光电
感烟
探测
器
红外
火焰
探测
器
紫外
火焰
探测
器
分别利用电离后离子
受烟雾离子影响使电
离电流减少及烟粒子
对光的散射效应的原
理;
(l)可提前报警时间;
(2)光电感烟探测对浅色
烟雾十分敏感;
(3)光电型无放射性污染;
(4)环境湿度变化对它影
n向小;
离子型:(l)控制范围窄，不适于燃烧缓
慢、阴燃火及燃烧初期产生大颗粒黑烟的
火灾;(2)温度性差，误报率高灵敏度受
环境影响大(3)有放射性污染，生产储存、
报废困难;
光电型:(l)不适于不透明或粒径<0.4件m
的不可见烟及黑色烟雾;(2)灰尘、水气
等影响很难完全消除，不适于一些特殊场
所，如厨房、井下等;
烟苦子测敲蒯捌器
烟感
探测
响应波长<400nm辐
射磁通量
响应波长>700nm辐
射磁通量
(l)可探测不可见区域火
灾;
(2)特适于突然起火，又无
烟雾的易燃易爆场所;
(3)探测距离及保护面积
大于感烟和感温探测;
在透镜结冰、水蒸气浓度大及探测高压气
体火焰时，反应不灵敏焰火测探
探测易受电弧焊、雷击等影响
气体探测可提前报警时间
可燃气体的腐蚀作用会降低探测器的灵
敏度，需定期清理
声学探测
多利用敏感元件铂遇
可燃气体氧化，改变
自身电阻的原理
探测16Hz以下的燃
烧音
可去除大部分的噪声干
扰
虽已有样机，但离实际应用有一定距离
针对传统的火灾探测技术的缺点，基于视频监控的图像型火灾探测技术以
非接触式探测的特点，不受空间高度、气流速度、热障、易爆、有毒等环境条
的限制，使得该项技术成为在大型工厂、仓库、森林等大空间和室外开放空间
行火灾探测的有效手段。
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