一种新型的复合传感器在船舶火灾监控中的应用

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(武汉理工大学 能源与动力工程学院，武汉 430063)

随着航海事业的蓬勃发展，船舶智能型火灾自动报警系统已广泛地应用于各类船舶。但是由于火灾传感器的发展滞后于火灾报警系统的发展，并且由于传感器的固有弱点，经常会有误报火警的事情发生，给船员带来一些不必要的压力。如何降低火警误报率是一个难题。目前大部分火灾探测器对火灾的判定主要看烟雾产生和温度变化。船舶通常使用定温式、温升式传感器，当温度超过65 ℃或者温度上升速率超过了5.5 ℃/min时就会发出火灾报警，由于机舱环境恶劣，热源的干扰以及传感器本身的不足常常会导致误报警；而对烟雾的判断主要靠物理方式进行，即烟雾粒子在探测器内部对光的散射或对离子的阻挡、吸附等使感烟探测器报警，而与烟雾非常相似的灰尘、水雾也同样会使探测器报警，这就产生了误报。

因此笔者考虑将费加罗公司的一氧化碳传感器TGS2440和达拉斯公司的DS1820B数字温度传感器与单片机相结合，设计出新型复合型传感器，将它用于火灾探测器，通过TGS2440对烟雾中一氧化碳的分析，将灰尘、水雾干扰信号产生的误报现象彻底滤除，同时通过DS1820B对环境温度进行实时监测。

1 TGS2440性能特点

1.1 超低功耗

气敏化学传感器主要采用氧化物半导体材料添加催化剂制成，对气体的响应需要一定的温度。而对不同种类的气体，响应所需温度不同。如对一氧化碳气体响应需要在150 ～200 ℃范围内，所以传感器需要有加热电路，这往往会带来较大的功耗。火灾探测器在使用时，要求必须有很低的功耗。因此TGS2440传感器采用5 V电压供电，加热丝电流为203 mA，功耗最大为14 mW，平均电流仅为2.8 mA。

1.2 对一氧化碳气体有很高的灵敏度

TGS2440传感器对一氧化碳气体的测量范围是26～873 mg/m3×10-5，正常环境中，一氧化碳含量小于8.7 mg/m3，在厨房等位置一氧化碳含量小于17.5 mg/m3，烟雾中一氧化碳的含量都在43.6 mg/m3以上。若一氧化碳浓度在87.3 mg/m3以内时，传感器变化幅度会超过满幅度的一半以上，所以非常适合于火灾探测。

1.3 气体选择性非常好

一种好的气体传感器对敏感气体的响应应该有很高的灵敏度，而对其它的气体响应度低。一氧化碳、氢气和酒精气体都属于还原性气体，氢气和酒精气体也是影响一氧化碳探测的主要气体，TGS2440对这两种气体响应度很低，抗干扰性好。

1.4 基本测量电路

TGS2440传感器测量电路见图1[1]。

图1 TGS2440测量电

传感器的加热丝供电Vh=4.8±0.2 V，加热周期为1 s，其中5 V脉冲持续14 ms, 0 V脉冲持续986 ms；采样电路脉冲为5 V，超前加热脉冲 5 ms,0 V脉冲 995 ms，整个周期也是1 s。见图2所示。

图2 测量时序

传感器应该对一氧化碳有较好的一致性，TGS2440的阻抗Rs在一氧化碳浓度为87.3 mg/m3时为1.62～16.20 kΩ，灵敏度β为0.26～0.52。为了更精确得到所测气体浓度值，TGS2440传感器又按灵敏度分了六档，从A到F，从而保证浓度测量的准确性。

2 DS1820B性能特点

DS1820B数字温度传感器[2]是美国达拉斯半导体公司生产的新型温度检测器件，它是单片结构，无需外加A/D转换即可输出数字量，通信采用单线制。并具有体积小、精度高、无需标定等特点，特别适合与单片机合用构成智能温度检测系统。主要特性如下:

1) 温度测量范围为-55～125 ℃，分辨率为0.5 ℃；

2) 典型转换时间为200 ms最大为400 ms；

3) 输出为带符号的9 b数字量，无需A/D转换；

4) 命令、数据的输入和输出共用一条信号线，每个传感器内固化有不同的地址序列号，多个传感器可以共用一条数据线;

3 应用

3.1 原理

目前用于火灾探测的探测器种类非常多，如离子感烟探测器、光电感烟探测器和感温感烟探测器等。每种探测器都有其局限性，如光电探测器对烟雾的响应度较低，只有烟雾达到一定浓度后才能报警，并且对一些有机物质燃烧产生的黑烟灵敏度很低，有时会无法报警。即使能报出火灾信息往往也是火灾发生到较高的程度，己经造成损失。而过高的火灾探测灵敏度也往往会带来误报率的上升，因此，把TGS2440和DS1820B应用于船舶火灾探测器中，研制出感温和一氧化碳复合探测器，利用TGS 2440对烟雾中一氧化碳成分的分析，并结合数字温度传感器对温度的监测，实现了准确报警。因为绝大多数的物质都含有碳的成分，其燃烧后必定会产生一氧化碳，同时温度也一定会升高，而且一氧化碳气体会较早地出现在可见烟雾之前，同时一氧化碳的密度略轻于空气密度，扩散性比烟雾更强，这些都有利于在船舶顶部的探测。

3.2 电路设计

由于微型单片机应用非常普遍，并且PIC单片机自带有A/D转换功能，所以采用PIC16F870单片机进行控制和测量。

由于TGS2440传感器所需瞬间电流较大，为保证系统供电稳定，采用限流供电方式，最大供电电流7 mA，传感器所需的203 mA电流由内部1 000 μF电容供电，而5 V电源则用大功率微型三端稳压器RH5RZ50C(300 mA)提供。由PIC16F870的RB1用做加热丝供电控制口，RB2用做负载采样控制口，RB3用做数字温度采集控制口，RA0做A/D采样口。具体电路图见图3。

图3 复合传感器电路

3.3 工作过程

探测器上电后，TGS2440首先有一个稳定过程，需要经过3～5 min时间。在此期间，程序对火灾信息不进行处理。TGS2440稳定工作后，DS1820B数字温度传感器开始接收外部信号，将采集到的温度信号和一氧化碳浓度信号通过一定的算法进行信号融合，给出火灾发生的概率。而水雾、灰尘不会产生一氧化碳，火灾探测器会滤除。

3.4 算法

TGS2440传感器能够感测到很低浓度的一氧化碳，如果同时利用温度传感器探测环境温度，通过检查从这两种传感器接收到的数据和相互关系，使用一定火灾算法，如复合传感器信号相关算法[3]、模糊神经网络探测算法[4]等，能够大大提高火灾探测的准确性、及时性；因火灾探测是一种非结构性的问题，因此本系统采用模糊神经网络探测算法，见图4。

图4 基于模糊神经网络的算法示意

系统从被探测的环境检测温度信号以及一氧化碳气体信号后经过信号预处理，包括整形滤波、放大以后，将处理以后的信号送到A/D进行模拟数字信号的转换，传感器信息预处理之后的输出，送入模糊系统，对于数据进行模糊化处理，然后将模糊化以后的数据送入神经网络模型(神经网络算法采用理论比较成熟的BP网络算法)，神经网络根据规则进行学习，利用梯度下降技术，通过调整网络权值、阀值，使得网络实际输出与期望输出的误差均方值最小，神经网络的输出再经过模糊判断，最终给出火情发生概率。

4 结束语

TGS2440和DS1820B传感器功耗都比较低，这不但满足了火灾自动报警系统对探测部件低耗高效的要求，也使该复合探测器能够应用于更广泛的场所，如有毒气体检测(一氧化碳)，地下车库通风设施控制。

一氧化碳传感器TGS2440和数字温度传感器DS1820B相结合的复合型传感器在船舶消防行业的应用可极大地提高火灾探测的准确性，并推动船舶消防技术的发展，同时对在其它行业的应用也有很好的参考价值。

[1] 刘志欣.新型一氧化碳传感器在火灾探测方面的应用[J].传感器世界,2003(6):32-33.

[2] 周立功.单片机实验与实践[M].北京:北京航空航天大学出版社,2004.

[3] 王 磊.多传感器技术及其应用[M].北京:国防工业出版社,2001.

[4] 权太范.信息融合神经网络-模糊推理理论与应用[M].北京: 国防工业出版社,2002.