常见火灾探测器及智能建筑设备

1.感烟探测器

感烟探测器可以探测物质燃烧初期所产生的气溶胶（直径为0.01～0.1μm的微粒）或烟粒子浓度，对火灾前期和早期报警很有效，应用最广泛。常用的感烟探测器有离子感烟探测器、光电感烟探测器和红外光束线型感烟探测器三种。

（1）离子感烟探测器 离子感烟探测器适用于点型火灾探测，是目前感烟探测器中应用最多的一种。它是利用烟雾粒子改变电离室电离电流的原理设计而成的，其工作原理如图5-8所示。

在放射性同位素作用下，使空气产生电离电流的装置称为电离室，因此感烟电离室是离子感烟探测器的核心传感器件。在图5-8中，电极之间放有α放射源Am²⁴¹，它持续不断地放出α粒子，α粒子以高速运动撞击空气分子，从而使极板间空气分子电离为正离子和负离子，且在电场作用下，正、负离子有规则运动，使电离室形成离子电流。当烟粒子进入电离室时，被电离的正离子和负离子被吸附到烟雾粒子上，使正离子和负离子互相中和的概率增加，这样就使到达电极的有效离子数减少。另一方面，由于烟粒子的作用，α射线被阻挡，电离能力降低，电离室内产生的正负离子数减少，这些变化导致电离电流减少，因而引起施加在两电离室两端电压的分压比变化。火灾发生时，烟雾进入采样电离室，电离电流减少，当减少到一定值时，控制电路动作，发出报警信号。此报警信号传输给报警器，实现了火灾自动报警。

图5-8 离子感烟探测器的工作原理

离子感烟探测器又可分为双源双室型和单源双室型两种类型。

1）双源双室离子感烟探测器：双源双室离子感烟探测器，将两个单极型电离室串联起来，一个作为检测电离室（也叫外电离室），结构上做成烟雾容易进入的形式；另一个作为补偿电离室（也叫内电离室），烟粒子很难进入，而空气又能缓慢进入。电离室采用串联的方式，主要是为减少环境温度、湿度、气压等自然条件的变化对电离电流的影响，提高离子感烟探测器的环境适应能力和稳定性。

图5-9所示为其工作原理。有火灾发生时，烟雾粒子进入检测电离室后，烟粒子的重量比离子重10万倍，被电离的部分正离子和负离子吸附到烟雾粒子上去，因此离子在电场中运动速度比原来降低；而且在运动过程中，正离子和负离子互相复合的几率增加，这样就使到达电极的有效粒子更少了。另一方面，由于烟粒子的作用，射线被阻挡，电离能力降低了很多，电离室内产生的正负离子数就少。这些微观的变化反映在宏观上，就是烟雾粒子进入检测电离室后，使得电离电流减少，相当于检测电离室的空气等效电阻增加，因而引起施加在两个电离室两端电压的分压比变化。

图5-9 双源双室离子感烟探测器的工作原理

图5-10为检测电离室和补偿电离室的电压-电流变化特性曲线，可以清楚地看出，电压、电流的变化与燃烧生成物的关系。在正常情况下，探测器两端的外加电压U₀等于补偿电压U₁和检测电压U₂的和，即U₀=U₁+U₂。当有火灾发生时，烟雾进入检测室后，电离电流从正常的I₁减少到I₁′，也就是相当于检测电离室的阻抗增加。此时，检测电离室两端的电压从U₂增加到U₂′，增加电压值ΔU=U₂′-U₂，由于检测电离室与补偿电离室分压比的变化，即检测电离室的电压增加了ΔU。当ΔU增加到一定值时，开关控制电路动作，发出报警信号，并传输给报警控制器，从而实现了自动报警的目的。

图5-10 检测电离室和补偿电离室的电压-电流变化特性曲线

2）单源双室离子感烟探测器：单源双室离子感烟探测器与双源双室离子感烟探测器的工作原理基本相同，但结构形式则完全不同，如图5-11所示。

图5-11 单源双室离子感烟探测器的结构示意图

图中，AC间构成补偿电离室，AB间构成检测电离室，它利用一个放射源形成两个电离室。这种探测器的优点，不仅节省了一个放射源，使放射源剂减少，安全性提高；还在于两个电离室基本上都是敞开的，这使得环境条件的变化对两个电离室的影响基本是相同的，因而提高了探测器对环境的适应能力，特别是抗潮湿能力。因此，新研制的离子感烟探测器几乎毫无例外地都采用单源双室结构。

3）探测器感烟灵敏度档次的整定：感烟灵敏度（或响应灵敏度）是探测器响应烟粒子浓度的相对敏感程度，在生成的烟相同条件下，高的感烟灵敏度意味着可响应较低的烟粒子浓度。感烟灵敏度的档次是用标准烟（试验气溶胶）在烟箱中标定感烟探测器的几个不同的响应阈值的范围，通常，为了满足不同工作场所的使用需要，可把探测器做成三个感烟灵敏度档次。

感烟灵敏度档次的整定通常有两种方法：一种是电调整法，即将双源双室或单源双室探测器的触发电压按不同档次响应阈值的设定电压调准，从而可得到相应档次的烟粒子浓度。但电调整法增加了电路电子元器件，使探测器的可靠性下降。

目前，不少产品用机械调整法整定探测器感烟灵敏度档次。机械调整法实际上是改变放射源片对中间电极的距离，由于电离室的初始阻抗与极间距离成正比，从而实现了整定的目的。

（2）光电感烟探测器 光电感烟探测器是利用烟粒子对光的散射和吸收的原理而构成的一种新型火灾探测器，它的工作原理是：烟粒子和光相互作用时，能够发生散射和吸收两种不同的过程。所谓散射，就是粒子以同样波长在所有方向上辐射已经接收的能量，但通常在不同方向上其强度不同的过程；所谓吸收，就是辐射能转变成其他能量形式，如热能、化学反应能或不同波长的辐射的过程。在可见光和近红外光谱范围内，对于黑烟，光的衰减以吸收为主，而对于灰白色烟，则主要受散射制约。

光电感烟探测器又可分为减光式（遮光式）和散射光式两种。

1）减光式光电感烟探测器：减光式光电感烟探测器又可分为点型和线型两种类型。

①点型减光式光电感烟探测器：点型减光式光电感烟探测器的工作原理如图5-12所示。这种探测器的检测室为特殊结构的暗室，外部光线射不进去，但烟雾粒子可以进入，暗室内装有发光器件和受光器件。在正常情况下，发光器件发出的光直射在受光器件上，产生一个固定的光敏电流；而在火灾发生时，探测器的检测室内进入大量烟雾，发光器件的发射光受到烟雾的遮挡，使受光器件接受的光量减少，光敏电流减少，当光敏电流减少到某个设定值时，探测器发出报警信号。

图5-12 点型减光式光电感烟探测器的工作原理

图5-13 线型减光式光电感烟探测器的工作原理

②线型减光式光电感烟探测器：在原理上，线型减光式光电感烟探测器与点型减光式光电感烟探测器相似，但在结构上有区别。点型减光式光电感烟探测器中发光和受光器件同在一个暗室内，整个探测器为一体化结构；而线型减光式光电感烟探测器的发光器件和受光器件则分为两个部分安装，且两者相距一段距离。

线型减光式光电感烟探测器的工作原理如图5-13所示。当光束通过无烟的路径时，受光器件产生固定光敏电流，无报警输出。当光束通过的路径有烟时，则光束受到烟雾的遮挡而使到达受光器件的光能量减弱，受光器件产生的光敏电流减少。当电流减少到一定程度，则探测器发出报警信号。发射光束可以是图5-14所示的激光束，也可以是红外光束。

红外光束线型减光式光电感烟探测器是应用烟粒子吸收或散射红外光，使红外光束强度发生变化的原理而工作的一种火灾探测器，它由发射器和接收器两部分组成，光路示意如图5-14所示。在正常情况下，红外光束线型减光式光电探测器的发射器发送一个不可见、波长94mm的脉冲红外光束。它经过保护空间，不受阻挡地射到接收器的光敏器件上。当发生火灾时，由于受保护空间的烟雾气溶胶扩散到红外光束内，使到达接收器的红外光束衰减（这里灰色烟和黑色烟的衰减作用效果几乎相同），接收器接收的红外光束辐射通量减弱。当辐射通量减弱到预定的感烟动作阈值（响应阈值，例如有的厂商设定在光束减弱超过40%）时，如果保持衰减5s（或10s）时间，则探测器动作，发出火灾报警信号。

图5-14 红外光束线型减光式光电感烟探测器的光路示意

在使用过程中，探测器的窗口若积聚灰尘或受到污染，会减弱红外光束到达接收器光敏器件上的辐射通量，使探测器的感烟灵敏度降低。为使探测器的感烟灵敏度不受影响，在接收器中，对感烟响应阈值应设有自动增益控制电路，补偿辐射通量的损失。如果光学窗口污染严重，例如有的厂商设定光衰减10%连续时间超过9h或更长时间，或者光辐射强度增大10%连续时间超过2min，则探测器便达到重新调整程度，发出检修信号。此外，探测器还设有故障监视环节，以自动监视探测器线路故障或红外光束是否被全部遮挡。例如，探测器线路断线或光束受遮挡的持续时间超过1s时，将引起探测器信号线输出故障报警信号。

红外光束线型减光式光电感烟探测器具有保护面积大、安装位置高、在相对湿度较高和强电场环境中响应速度快等优点，因此适宜保护较大的室内、外场所，尤其适宜保护难以使用点型减光式光电感烟探测器，甚至根本不可能使用点型减光式光电感烟探测器的场所。

2）散射光式光电感烟探测器：散射光式光电感烟探测器是目前世界各国生产最多的点型光电感烟探测器，其原理示意如图5-15所示。

图5-15 散射光式光电感烟探测器的原理示意

在图中，烟室也为一特殊结构的暗室，进烟不进光，它有一个发光器件和受光器件，但与减光式光电感烟探测器不同的是，发射光束不是直射在受光器件上，而是与受光器件错开。这样，无烟时受光器件上不受光，没有光敏电流产生；当有烟进入烟室时，光束受到烟雾粒子的反射和散射而到达受光器件，产生光敏电流。当该电流增大到一定程度，则感烟探测器发出报警信号。目前，发光器件大多数采用大电流、发光效率高的红外发光二极管；受光器件大多数采用半导体硅光电池，且受光器件的阻抗随烟雾浓度的增加而下降。

散射光式光电感烟火灾探测器具有功耗小、结构简单和对灰色粒子响应灵敏等优点，但却对黑烟粒子响应性能低。目前，减光式光电感烟探测器使用红外（960mm）发光二极管或可见光（660mm）发光二极管，可提高对黑烟粒子的响应性能。

2.感温探测器

感温探测器利用热敏器件对温度变化敏感的原理，将物理变化转变成电信号传输给火灾报警控制器，发出火灾报警信号。根据对温度变化的响应特性，感温探测器可分为定温式、差温式和差定温式三类。

（1）定温式感温探测器 定温式感温探测器是在规定时间内，火灾引起的温度达到或超过预定值时发出报警信号，目前有线型和点型两种结构。(www.xing528.com)

1）点型定温式感温探测器：点型定温式感温探测器是利用双金属片、易熔金属、热电偶、热敏电阻等热敏元件，当温度上升到一定数值时发出报警信号。

例如，图5-16所示是敏感器件为半导体热敏电阻的定温式感温探测器工作原理。图中，RT为热敏电阻，在室温下具有较高的阻值，可达1MΩ以上。随着环境温度的升高，阻值缓慢下降，当到达设定的温度点时，热敏电阻的阻值会迅速减少至几十欧，从而完成从高阻态到低阻态的转变，使得信号电流迅速增大。当电流达到或超过临界阈值时，双稳态电路发生变化，变化信号经地址译码电路后送到控制器，控制器发出报警信号。由于热敏电阻在正常情况下具有高阻值，并且在一定环境温度下的阻值随时间变化不大，因此这种探测器的可靠性较高。

2）线型定温式感温探测器：线型定温式感温探测器是利用温度上升到一定数值时，可熔绝缘物熔化使两导线短路，从而产生报警信号。

图5-16 半导体热敏电阻定温式 感温探测器工作原理

缆式线型定温式感温探测器是在工业建筑或特殊的应用场所应用较多的一种探测器。它对电缆隧道、易燃工业原料堆垛等环境较恶劣场所，空气中粉尘大、有油烟和腐蚀气体、风速大而潮湿的环境下，可实现早期火灾报警。

缆式线型定温式感温探测器实际上是一条热敏电缆，电缆由两根弹性钢丝、热敏绝缘材料、塑料色带及塑料外护套组成。在正常状态下，两根钢丝间呈绝缘状态，在每一根热敏电缆中有一极微弱的电流流动。当热敏电缆线路上任何一点（部位）的温度（可以是“电缆”周围空气或它所接触物品的表面温度）上升，达到额定动作温度时，其绝缘材料熔化，两根钢丝互相接触，此时报警回路电流骤然增大。报警控制器发出声、光报警的同时，数码管显示火灾报警的回路信号和火警的距离（即受热后电缆动作部分的米数）。经人工处理后，热敏电缆可重复使用。电缆通常截成20～30m（最长不宜超过200m），该小段相当于一个常开触点，可接到输入模块上，再通过两总线，将报警信号送到火灾报警控制器上。缆式线型定温式感温探测器动作温度值稳定，额定动作温度有68℃，85℃，105℃，138℃四种，温度误差范围在±10%以内，额定动作温度的选择根据使用环境决定。

（2）差温式感温探测器 差温式感温探测器是在规定时间内，环境温度上升速率超过预定值时发出报警信号，目前也有线型和点型两种结构。

图5-17 膜盒式点型差温式感温探测器的工作原理

1）点型差温式感温探测器：点型差温式感温探测器是根据局部的热效应而动作的，主要感温元件有空气膜盒、热敏电阻等。例如，图5-17所示为膜盒式点型差温式感温探测器的工作原理。

图中，空气膜盒是该型探测器的温度敏感元件，其感热外罩与底座形成密闭气室（感热室），有一小孔（泄漏孔）与大气连通。当环境温度缓慢变化时，气室内外的空气可由泄漏孔进出，使内外压力保持平衡。如温度迅速升高，气室内空气受热膨胀较快来不及由泄漏孔外泄，导致室内气压增高，波纹簧片被向上压起，波纹簧片上的动触点与中心线柱（固定触点）相碰，接通电路而报警。

2）线型差温式感温探测器：线型差温式感温探测器是根据较广泛区域的热效应而动作的，主要感温元件有按探测面积蛇形连续布置的空气管、分布式连接的热电偶及热敏电阻等。例如，图5-18所示为空气管式线型差温式感温探测器的工作原理，其工作原理与上述膜盒式点型差温式感温探测器相似。这种探测器由两部分组成：一部分是由ϕ3mm×0.5mm紫铜管组成的敏感元件空气管，它置于需要的保护场所；另一部分是传感元件膜片和电路部分，可装在保护现场或者装在保护现场之外。当环境温度升高时，空气管内的空气开始膨胀，使压力升高，为使管内外气压平衡，这时气体可通过泄漏孔排出。

图5-18 空气管式线型差温式感温探测器的工作原理

空气管式线型差温式感温探测器具有报警可靠，可适用于多粉尘、湿度大、可能产生油类火灾、爆炸等恶劣环境的优点，但由于长期运行的空气管线路泄漏、检查维修不方便等原因，使用的场所比其他类型探测器少。

（3）差定温式感温探测器 差定温式感温探测器结合了定温和差温两种工作原理，一般多为膜盒式或热敏电阻等点型组合式感温探测器。例如，图5-19所示为膜盒式差定温式感温探测器的工作原理。

图5-19 膜盒式差定温式感温探测器工作原理

图中，当环境温度上升速率超过某一值时，感热室内迅速膨胀的气体来不及从泄漏孔排出，从而使感热室内的气压升高，导致波纹膜片及其上面的触点向上移动，使一对电气触点闭合，产生一个短路信号，经地址译码电路后送到控制器，控制器发出报警信号，这正是差温式感温探测器的工作原理。另一方面，当外界温度缓慢升高时，感热室内外的空气可由泄漏孔进出，使内外压力保持平衡，波纹膜片上的触点位置不变；但由于膨胀率大的金属片随温度升高向外扩张，与之固定在一起的膨胀率小的金属片也随之向外扩张，带动其上的触点向下移动，当达到临界温度后，一对电气触点也能闭合，产生一个短路信号，经地址译码电路后送到控制器，产生报警信号，这正是定温式感温探测器的工作原理。因此，该型感温探测器兼有定温式探测器和差温式探测器的特性。

3.感光探测器

感光探测器又称为火焰探测器，它通过对火焰辐射出的红外、紫外、可见光予以响应，从而实现对快速发生的火灾或爆炸的及时报警。响应波长低于400mm辐射能通量的探测器称作紫外感光探测器；响应波长高于700mm称作红外感光探测器；响应波长在400～700mm之间的则称作可见光感光探测器。现在广泛使用的是红外和紫外两种感光探测器，而可见光感光探测器因为在其辐射光谱区难以对环境背景辐射与火灾辐射加以鉴别，因此极少应用。

（1）红外感光探测器 红外感光探测器是利用火焰的红外辐射和闪烁现象来探测火灾的。红外光的波长较长，烟雾粒子对其吸收和衰减远比紫外光及可见光弱，因此即使火灾现场有大量烟雾，且距红外感光探测器较远，红外感光探测器依然能接收到红外光。需要强调指出的是，为区别背景红外辐射和其他光源中含有的红外光，红外感光探测器还要能够识别火光所持有的明暗闪烁现象，火光闪烁频率为3～30Hz。

图5-20为红外感光探测器的结构。为保证红外光敏器件只接收红外光，在光传输路径上还要设置一块红玻璃片和一块锗片，以滤去除红外光之外的其他光线。对于0.3m²的火焰，红外感光探测器能在相距45m处探测到并发出报警信号。

（2）紫外感光探测器 紫外感光探测器适用于易燃、易爆等物体的燃烧探测。在燃烧过程中，它们的氢氧根发生氧化反应，产生强烈的紫外光辐射，从而使得紫外感光探测器可以很灵敏地探测到紫外光。

图5-20 红外感光探测器的结构

图5-21所示是感光器件紫外光敏管的结构示意，其中玻璃罩内的两根电极为高纯度的钨丝或钼丝。当电极受到紫外光辐射时，发出电子，并在两电极间的电场中被加速，使得这些高速运动的电子与罩内的氧、氦气体分子发生撞击而使之电离，最终造成“雪崩”式放电，从而相当于两电极接通，实现了图5-22所示的探测器电路中的电子开关接通。

图5-21 紫外光敏管的结构示意

图5-22 紫外感光探测器的工作原理电路

电容C通过紫外光敏管放电，紫外光敏管工作电压降低，当降低到着火电压以下时，紫外光敏管停止放电，导电电流减小，从而使电子开关断开，此时电源电压通过电路给电容C充电，又使紫外光敏管的工作电压升高到着火电压以上，于是重复上述过程，这样就在电子开关输出端产生一串脉冲。脉冲的频率与紫外光的强度成正比，同时还与电路参数有关。这些脉冲信号可通过电缆送给控制器，当控制器接收到脉冲信号后，立即转变成与之成正比的直流电压信号。这个电压与预先设置的阈值电压相比较，如超过阈值，则电子触发电路输出一个信号，它一方面使报警器发出灯光和音响信号，另一方面通过触发继电器使得外接的音响或灭火系统启动。

4.气体探测器

气体探测器又称为可燃气体探测器，它对探测区域内的气体参数反应敏感，主要用于可燃性气体可能泄漏的危险场所，如厨房、燃气贮藏室、油库、易挥发易燃的化学品贮藏室等。可燃气体探测器主要分为半导体型和催化型两种。

（1）半导体型可燃气体探测器 半导体型可燃气体探测器的气敏元件由半导体构成，对氢气、一氧化碳、天然气、液化气、煤气等可燃性气体有很高的灵敏度。这种气敏元件在250～300℃下，遇到可燃气体电阻减小，电阻减小的程度与可燃气体浓度成正比。图5-23所示为一种半导体型可燃气体探测器的工作原理电路。

图中，MQ-K1为气敏元件，它由气敏材料和发热丝两部分组成，其中电热丝使气敏材料处于250～300℃的环境温度下。当可燃气体进入探测器罩后，气敏材料的电阻减小，外接电阻上的分压增大，即施密特倒相器输入电压上升，当升到设定的阈值，施密特倒相器有一负跳变产生，从而触发报警电路，警告此时环境中可燃气浓度超过警戒线浓度。

（2）催化型可燃气体探测器 催化型可燃气体探测器采用铂丝作为催化元件，当铂丝加热后，其电阻随环境中可燃气浓度的变化而变化，其工作原理电路如同5-24所示。

图5-23 半导体型可燃气体探测器的工作原理电路

图5-24 催化型可燃气体探测器原理电路

图中，F₁、F₂均为白金电阻丝，其中F₁为检测用铂丝，裸露在空气中；F₂为补偿用铂丝，则是密封的。两者对称地接在电桥的两个臂上，与R₃、R₄组成单臂电桥。在正常情况下，电桥平衡无输出；当环境中有可燃性气体时，检测铂丝F₁由于催化作用导致可燃气体无焰燃烧，铂丝温度进一步增大，使其阻值也随之增大，电桥失去平衡，输出与可燃气体特性参数（如浓度）成比例的电信号。