本文简要分析了地下停车场的防火特点和火灾自动报警系统的特点，认为目前常用的普通的感温和感烟探测器不适合于地下停车场这样的大空间建筑，为此，作者设计在地下停车场采用双波段红外火焰探测器，此探测系统能及时准确的探测初期火灾的火焰所产生的红外，并能很好的排除其他因素的干扰。
随着中国经济的不断发展，各种车辆的数量越来越多，停车位也越来越紧张。地下停车库或停车场应运而生，缓解了这一矛盾。与地上空间相比，地下停车场有其特殊性。不仅引发火灾的因素远不止地上空间，而且具有温度高、烟量大、扑救和疏散困难的特点。
所以地下停车场的灭火比其他一般建筑更复杂。一旦我们不能有效地预防和控制火灾，就会给人民的生命财产造成巨大的损失。可见地下停车场的消防安全极其重要。
由于环境不同，地下停车场和地上建筑的火灾报警系统差异较大。通常地面民用建筑内空气质量好，可以通风良好；而地下停车场空间较大，自然通风条件大多较差。另外，常年没有阳光，空气潮湿，灰尘很多。各种管线都要聚集在这里，空间拥挤。汽车启动行驶时会有较大的震动，各系统会相互干扰，使得火灾报警系统总是在强电磁干扰等恶劣环境下运行。
目前我国地面大部分民用建筑的火灾探测器安装在天花板上，其高度通常低于6m，所以一般建筑的空间体积不会太大。当火灾发生时，烟雾很容易被探测器探测到。而在地下停车场这样的大空间场所，会影响空间内火灾产生的烟雾或温度的扩散，使探测滞后，无法第一时间发出火灾报警。目前火灾探测技术在地下停车场等大空间场所的应用主要存在以下两个问题：
(1)火灾烟气在大空间内的扩散和上升会被空间效应稀释，其温度和浓度会大大降低。如果很难达到探测器的灵敏度，就无法实现早期火灾报警。
(2)当火灾探测器受到电磁干扰、光干扰、振动、水汽、灰尘等干扰时。或者环境比较恶劣，火灾探测器很难正常工作，往往会出现不报警或误报警的情况。
因此，地下停车场等大空间建筑需要更先进的火灾探测技术。作者在地下停车场设计了一种双波段红外火焰探测器。设计过程如下。
火灾探测器是火灾自动报警系统的眼睛。它会在火灾初期探测到火灾信号，并迅速将信号传输到报警控制器发出报警信号，让人们在第一时间知道火灾的发生。早期发现火灾是控制火灾的关键。常用的探测器有四种：感温、感烟、光感(紫外和红外)、可燃气体等。由于地下停车场不适合使用普通的感温和感烟探测器，本设计选用了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，在国外已成功应用于地下停车场等大空间建筑的火灾报警。
探测器的工作原理是，火灾发生时，当局部物体的温度开始升高时，会高于环境的背景温度，从而带来辐射到空间的红外线的能量变化。火焰和干涉光将在两个不同的特征波段产生，两个红外传感元件将对它们产生不同的响应。内部数据处理系统会及时对采集的数据进行计算、分析和处理。它可以判断哪些是火灾信号，哪些是干扰信号，最终将正确的信息发送给火灾报警控制器，从而大大提高了火焰探测的可靠性。
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，主要提供探测器能探测到的波段内的红外光；第二部分是探测器电路，包括传感器和外围电路，主要用于探测红外光；第三部分是信号处理电路，包括放大电路、滤波电路和AD转换电路，主要对信号进行放大和转换。最后，处理转换信号并做出响应的微控制器是系统的核心。
本设计的主要技术参数：检测原理是红外吸收；最小响应时间为500毫秒；工作电压为18 ~ 36 VDC环境温度-40 ~ 80。
2 系统构成
(1)红外光源的设计
所有物体都能发出红外辐射，火焰的红外辐射波长主要集中在3.5 ~ 5微米波段。而红外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。本设计选用IRL715红外光源，为白炽灯，由电调制NDIR传感器激发。它被指定用于NDIR红外吸收气体探测器。其脉冲重复频率范围通常为0.1 ~ 10 Hz，波长范围从可见光到5 m。
它具有可靠性高、输出稳定、使用寿命长等特点。此外，还能滤除DC干扰，降低平均功率，提高瞬时发射功率，减少探测器、放大器等元器件的寄生发热，提高系统的稳定性。因为光源的辐射通量与通过的电流成正比，所以我们使用恒流源为其供电，并通过微处理器对其进行脉冲开启和关闭。一般红外电路的发射脉宽为800ms，周期为4 s。
(2)光学系统的设计
当设计光学系统的结构时
，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。
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。
（本文选编自《电气技术》，原文标题为“地下停车场火灾自动报警系统的设计”，作者为杨潇。）
