本文簡要分析了地下停車場的防火特點和火災自動報警系統的特點，認為目前常用的普通的感溫和感煙探測器不適合於地下停車場這樣的大空間建築，為此，作者設計在地下停車場採用雙波段紅外火焰探測器，此探測系統能及時準確的探測初期火災的火焰所產生的紅外，並能很好的排除其他因素的幹擾。
隨著我國經濟的不斷發展，各種車輛的數量也在不斷增加，停車用地也越來越緊張。而地下停車庫或停車場應運而生，較好的緩解了這一矛盾。地下停車場與地上空間相比具有其特殊性，不但火災引發因素遠遠多於地上空間，而且還具有火場溫度高、發煙量大、撲救困難、人員疏散困難等特點。
因此，撲救地下停車場火災比其它一般建築要複雜。一旦我們不能有效的預防和控制火災，將給人們的生命和財產造成十分重大的損失。可見，地下停車場的防火安全極為重要。
地下停車場火災自動報警系統的問題
由於環境的不同，地下停車場與地上建築的火災報警系統有著較大的差別。通常地上民用建築內空氣品質較好，可以較好地通風；而地下停車場空間體積大，大多自然通風條件較差，加上常年不見陽光，空氣潮溼，灰塵多，各種管線都要在這裡匯集，空間擁擠，當汽車啟動行駛時有較大的震動，各系統間也會產生相互幹擾，使得火災報警系統一直運行在較強的電磁幹擾等不良環境下。
目前我國大多數地上民用建築中的火災探測器都安裝在頂棚，其高度通常低於6m，一般建築的空間體積也不會太大，當要發生火災時，煙氣能夠很容易被探測器感應到。而在地下停車場這樣的大空間場所，由於火災產生的煙氣或溫度在空間的傳播會受到影響，使得探測滯後，不能第一時間發出火災報警。現行的火災探測技術在地下停車場這樣的大空間場所的應用主要存在以下兩方面的問題：
（1）在大空間中火災煙氣的擴散和上升，都會受到空間效應的稀釋作用，其溫度和濃度都大大降低，難以達到探測器的靈敏度，就實現不了早期火災報警。
（2）受到電磁幹擾、光幹擾、震動、水蒸氣、灰塵等的幹擾或是環境狀況比較惡劣的情況下，火災探測器難以正常工作，常常會出現不報警或誤報警的現象。
因此，地下停車場這樣的大空間建築需要更加先進的火災探測技術。筆者設計了在地下停車場採用雙波段紅外火焰探測器，其設計過程如下。
雙波段紅外火焰探測器的設計
火災探測器是消防自動報警系統的眼睛，它會在火災初期探測火災信號，並迅速將信號傳到報警控制器，發出警報信號，從而使人們在第一時間知道火災的發生，及早發現火災是控制火災的關鍵。探測器常用類型有：感溫、感煙、感光(紫外、紅外)、可燃氣體等4類。由於地下停車場這樣的大空間建築不適合用普通的感溫和感煙探測器，故本設計選用先進的雙波段紅外火焰探測器。
雙波段紅外火焰探測器是一種新型的火災探測器，目前在國外已成功地應用於地下停車場等大空間建築的消防報警。
該探測器工作原理是，採用火焰及背景輻射雙信息相關傳感技術，當發生火災時，局部物體的溫度開始升高時，會高於環境的背景溫度，會帶來其向空間輻射的紅外線的能量生變化，而火焰和幹擾光會產生兩個不同特徵波段上，兩個紅外傳感元件對它們會作出不同響應，內部數據處理系統會及時對採集到的數據進行運算、分析和處理，會判斷哪些是火災信號，哪些是幹擾信號，最後將正確信息傳送給火災報警控制器，從而大大提高對火焰探測的可靠性。
1 雙波段紅外火焰探測器的模型
雙波段紅外光火焰探測器的設計可以分為四個部分：第一部分是紅外光源，它主要是提供探測器能夠探測的波段的紅外光；第二部分是探測器電路，它包括傳感器及周圍電路，主要是探測紅外光；第三部分是信號處理電路，包括放大電路、濾波電路及AD轉換電路，它主要是對信號作放大和轉換等處理；最後是微控制器，它對轉換後的信號進行處理，並做出響應，它是系統的核心。
本設計的主要技術參數：檢測原理為紅外吸收式；最小響應時間500ms；工作電壓18～36V DC；環境溫度-40～+80℃。
2 系統構成
（1）紅外光源的設計
所有物體都能發射出紅外輻射，火焰的紅外輻射波長主要集中在3.5～5μm波段內。而紅外光探測器通常只對光強的變化敏感，因此需要設計一個調製紅外光源。本設計選擇IRL715紅外光源，它是一種白熾燈，是利用電調製的NDIR紅外傳感器激勵光源，指定應用於NDIR紅外吸收氣體探測器，其工作的脈衝重複頻率範圍通常為0.1～10Hz，波長從可見光到5μm。
它具有可靠性高、輸出穩定、壽命長等特點，此外，它還能濾掉直流幹擾，降低平均功率提高瞬時發射功率，同時減少探測器、放大器等元件的寄生熱，提高系統的穩定性。由於光源的輻射通量與通過的電流成正比，我們採用恆流源為其供電，並通過微處理器來脈動式開和關。通常紅外電路的發射脈寬為800ms，周期為4s。
（2）光路系統的設計
在進行光路系統的結構設計時，應將紅外光源和紅外探測器設置在同一光軸上，這樣可以使紅外吸收信號具有較好的解析度。光路系統是探測器的一個很重要的組成部分，它採用反射式，要求光路簡潔，首先紅外光源通過拋面鏡發射出平行光，並通過能透過紅外的濾波片，最後經平面鏡反射後匯聚到光電傳感器上。這種光路的平面鏡對3.0～4.3μm的紅外波段的反射率在98%以上。
（3）探測器的設計
1）波段選擇
通常在火災發生時，由碳氫或含碳化合物燃燒產生的紅外輻射波長一般在4.4μm，而背景輻射（如調製太陽光、照明、電弧焊、及其他熱體等非火災紅外輻射）紅外波長一般為3.8μm，因此我們將探測器的兩個設計波段定在這兩個波長上。
2）傳感器的選擇
選擇傳感器的原則是要具有量子效率高、響應快、線性工作範圍大、耗電少和使用壽命長等有點。本設計選用Perkinelmer公司的TP2534-G5G20熱電堆雙源傳感器，它是一種雙通道傳感器，帶有紅外帶通濾波器，自帶濾光片，並且內部帶有熱敏電阻，其測量通道的G5濾波器的中心波長是4.4μm，能夠可靠而且精確地探測到火焰產生的紅外光。
（4）探測器的處理電路設計
紅外探測器的設計關鍵是設計穩定可靠的前置放大電路，因為通常紅外光產生的信號都十分微弱，極容易受到外界的幹擾，最好採用高精密、低漂移的模擬前置放大電路進行放大處理，放大出來的信號通過二級放大電路，直接輸出一個與火焰強度對應的信號，並由測控系統通過校正和補償後得到火焰強度。
本文所設計的放大電路，熱電堆的內阻較高（約50kΩ），輸出電壓僅有幾mV，它就好像一個帶內阻的電壓源，輸出信號是非常微弱，需要使用高輸入阻抗並且低噪聲的CMOS運算放大器進行線性放大。在對有用信號放大的同時，還應對工頻段的背景幹擾信號進行衰減，以減少工頻和高頻信號的幹擾。此外，為了順利實現雙波段信號的提取，還應使電路滿足火焰探測靈敏度要求較寬的動態範圍。
3 信號數據處理
火焰探測是一種特殊類型的信號檢測，由傳感器採集的光強變化參數不能準確的確定信號，而且地下停車場環境較差，幹擾因素較多，而且這些幹擾引起光強變化特徵往往與火焰強度變化相似，容易引起誤報警，採用雙波段補償技術可以有效解決這個問題，它是由參比通道進行溫度相關和光源強度補償的。
光線通過測量通道和參比通道得出不同的數據，通過對這些數據進行分析，利用最小二乘法算法進行計算處理，再將通過AD轉換所獲取的數據經過濾波處理，此算法能夠避免環境因素變化的影響，校正和補償計算值，既能快速準確探測光強，又能降低誤報率。
參比通道可以有效地處理溫度影響。首先進行溫度實驗，測出參比通道和測試通道與溫度的有關數據，並建立相關的數據表格，表格數據在一定程度上能反映出溫度與誤差之間的關係，再用最小二乘法擬合出這種關係式，它能反映各個溫度對應的補償量，通過補償就可以抵消溫度對傳感器造成的測量誤差。
本系統採用C8051F410單片機作為處理器，它結構簡單、操作方便，能大大簡化數據處理過程，節省運算時間，快速完成運算過程。
在實際的測量過程中，為了進一步提高測量精度，可根據上面提到的最小二乘法擬合出的溫度與誤差之間的關係式，來對誤差進行補償，最後經數字濾波、線性插值等軟體處理後，得出波長值，從而判定火災是否發生。
雙波段紅外火焰探測器的應用效果
北京某大型地下停車場採用了雙波段紅外火焰探測器系統。該地下停車場具有大空間建築所共有的特點，即空間體積大，淨空高。在未更換探測器之前，該停車場使用普通的感溫探測器，曾經在一次電焊施工中，由於電焊產生的強光被探測器探測到而引起誤報警，造成了極壞的影響；而在平時用加煙工具進行火災模擬試驗時，探測器經常顯得反映遲鈍，往往要很長時間才能發出報警。
在採用雙波段紅外火焰探測器系統之後，在進行的火災模擬試驗中，探測器能很快探測到並作出反映，在用一些幹擾光以及其他幹擾因素進行試驗時，探測器也能很好的識別，沒有發出誤報警的情況。可見，雙波段紅外火焰探測器在地下停車場等大空間建築中的使用效果良好，具有廣泛的應用前景。
結論
雙波段紅外光火焰探測器不僅能有效排除外界因素幹擾，準確探測危險信號，它還具有極高的靈敏度，能及時探測到火焰的存在，將火災扼殺在搖籃之中。這種新型的火災探測技術以後一定會在地下停車場這樣的大空間建築之中推廣開來，為保證人民的生命財產安全作出更大的貢獻。
（本文選編自《電氣技術》，原文標題為「地下停車場火災自動報警系統的設計」，作者為楊瀟。）