一種新型的復(fù)合傳感器在船舶火災(zāi)監(jiān)控中的應(yīng)用

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(武漢理工大學(xué) 能源與動(dòng)力工程學(xué)院，武漢 430063)

隨著航海事業(yè)的蓬勃發(fā)展，船舶智能型火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)已廣泛地應(yīng)用于各類船舶。但是由于火災(zāi)傳感器的發(fā)展滯后于火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的發(fā)展，并且由于傳感器的固有弱點(diǎn)，經(jīng)常會(huì)有誤報(bào)火警的事情發(fā)生，給船員帶來(lái)一些不必要的壓力。如何降低火警誤報(bào)率是一個(gè)難題。目前大部分火災(zāi)探測(cè)器對(duì)火災(zāi)的判定主要看煙霧產(chǎn)生和溫度變化。船舶通常使用定溫式、溫升式傳感器，當(dāng)溫度超過65 ℃或者溫度上升速率超過了5.5 ℃/min時(shí)就會(huì)發(fā)出火災(zāi)報(bào)警，由于機(jī)艙環(huán)境惡劣，熱源的干擾以及傳感器本身的不足常常會(huì)導(dǎo)致誤報(bào)警；而對(duì)煙霧的判斷主要靠物理方式進(jìn)行，即煙霧粒子在探測(cè)器內(nèi)部對(duì)光的散射或?qū)﹄x子的阻擋、吸附等使感煙探測(cè)器報(bào)警，而與煙霧非常相似的灰塵、水霧也同樣會(huì)使探測(cè)器報(bào)警，這就產(chǎn)生了誤報(bào)。

因此筆者考慮將費(fèi)加羅公司的一氧化碳傳感器TGS2440和達(dá)拉斯公司的DS1820B數(shù)字溫度傳感器與單片機(jī)相結(jié)合，設(shè)計(jì)出新型復(fù)合型傳感器，將它用于火災(zāi)探測(cè)器，通過TGS2440對(duì)煙霧中一氧化碳的分析，將灰塵、水霧干擾信號(hào)產(chǎn)生的誤報(bào)現(xiàn)象徹底濾除，同時(shí)通過DS1820B對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

1 TGS2440性能特點(diǎn)

1.1 超低功耗

氣敏化學(xué)傳感器主要采用氧化物半導(dǎo)體材料添加催化劑制成，對(duì)氣體的響應(yīng)需要一定的溫度。而對(duì)不同種類的氣體，響應(yīng)所需溫度不同。如對(duì)一氧化碳?xì)怏w響應(yīng)需要在150 ～200 ℃范圍內(nèi)，所以傳感器需要有加熱電路，這往往會(huì)帶來(lái)較大的功耗。火災(zāi)探測(cè)器在使用時(shí)，要求必須有很低的功耗。因此TGS2440傳感器采用5 V電壓供電，加熱絲電流為203 mA，功耗最大為14 mW，平均電流僅為2.8 mA。

1.2 對(duì)一氧化碳?xì)怏w有很高的靈敏度

TGS2440傳感器對(duì)一氧化碳?xì)怏w的測(cè)量范圍是26～873 mg/m3×10-5，正常環(huán)境中，一氧化碳含量小于8.7 mg/m3，在廚房等位置一氧化碳含量小于17.5 mg/m3，煙霧中一氧化碳的含量都在43.6 mg/m3以上。若一氧化碳濃度在87.3 mg/m3以內(nèi)時(shí)，傳感器變化幅度會(huì)超過滿幅度的一半以上，所以非常適合于火災(zāi)探測(cè)。

1.3 氣體選擇性非常好

一種好的氣體傳感器對(duì)敏感氣體的響應(yīng)應(yīng)該有很高的靈敏度，而對(duì)其它的氣體響應(yīng)度低。一氧化碳、氫氣和酒精氣體都屬于還原性氣體，氫氣和酒精氣體也是影響一氧化碳探測(cè)的主要?dú)怏w，TGS2440對(duì)這兩種氣體響應(yīng)度很低，抗干擾性好。

1.4 基本測(cè)量電路

TGS2440傳感器測(cè)量電路見圖1[1]。

圖1 TGS2440測(cè)量電

傳感器的加熱絲供電Vh=4.8±0.2 V，加熱周期為1 s，其中5 V脈沖持續(xù)14 ms, 0 V脈沖持續(xù)986 ms；采樣電路脈沖為5 V，超前加熱脈沖 5 ms,0 V脈沖 995 ms，整個(gè)周期也是1 s。見圖2所示。

圖2 測(cè)量時(shí)序

傳感器應(yīng)該對(duì)一氧化碳有較好的一致性，TGS2440的阻抗Rs在一氧化碳濃度為87.3 mg/m3時(shí)為1.62～16.20 kΩ，靈敏度β為0.26～0.52。為了更精確得到所測(cè)氣體濃度值，TGS2440傳感器又按靈敏度分了六檔，從A到F，從而保證濃度測(cè)量的準(zhǔn)確性。

2 DS1820B性能特點(diǎn)

DS1820B數(shù)字溫度傳感器[2]是美國(guó)達(dá)拉斯半導(dǎo)體公司生產(chǎn)的新型溫度檢測(cè)器件，它是單片結(jié)構(gòu)，無(wú)需外加A/D轉(zhuǎn)換即可輸出數(shù)字量，通信采用單線制。并具有體積小、精度高、無(wú)需標(biāo)定等特點(diǎn)，特別適合與單片機(jī)合用構(gòu)成智能溫度檢測(cè)系統(tǒng)。主要特性如下:

1) 溫度測(cè)量范圍為-55～125 ℃，分辨率為0.5 ℃；

2) 典型轉(zhuǎn)換時(shí)間為200 ms最大為400 ms；

3) 輸出為帶符號(hào)的9 b數(shù)字量，無(wú)需A/D轉(zhuǎn)換；

4) 命令、數(shù)據(jù)的輸入和輸出共用一條信號(hào)線，每個(gè)傳感器內(nèi)固化有不同的地址序列號(hào)，多個(gè)傳感器可以共用一條數(shù)據(jù)線;

3 應(yīng)用

3.1 原理

目前用于火災(zāi)探測(cè)的探測(cè)器種類非常多，如離子感煙探測(cè)器、光電感煙探測(cè)器和感溫感煙探測(cè)器等。每種探測(cè)器都有其局限性，如光電探測(cè)器對(duì)煙霧的響應(yīng)度較低，只有煙霧達(dá)到一定濃度后才能報(bào)警，并且對(duì)一些有機(jī)物質(zhì)燃燒產(chǎn)生的黑煙靈敏度很低，有時(shí)會(huì)無(wú)法報(bào)警。即使能報(bào)出火災(zāi)信息往往也是火災(zāi)發(fā)生到較高的程度，己經(jīng)造成損失。而過高的火災(zāi)探測(cè)靈敏度也往往會(huì)帶來(lái)誤報(bào)率的上升，因此，把TGS2440和DS1820B應(yīng)用于船舶火災(zāi)探測(cè)器中，研制出感溫和一氧化碳復(fù)合探測(cè)器，利用TGS 2440對(duì)煙霧中一氧化碳成分的分析，并結(jié)合數(shù)字溫度傳感器對(duì)溫度的監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)確報(bào)警。因?yàn)榻^大多數(shù)的物質(zhì)都含有碳的成分，其燃燒后必定會(huì)產(chǎn)生一氧化碳，同時(shí)溫度也一定會(huì)升高，而且一氧化碳?xì)怏w會(huì)較早地出現(xiàn)在可見煙霧之前，同時(shí)一氧化碳的密度略輕于空氣密度，擴(kuò)散性比煙霧更強(qiáng)，這些都有利于在船舶頂部的探測(cè)。

3.2 電路設(shè)計(jì)

由于微型單片機(jī)應(yīng)用非常普遍，并且PIC單片機(jī)自帶有A/D轉(zhuǎn)換功能，所以采用PIC16F870單片機(jī)進(jìn)行控制和測(cè)量。

由于TGS2440傳感器所需瞬間電流較大，為保證系統(tǒng)供電穩(wěn)定，采用限流供電方式，最大供電電流7 mA，傳感器所需的203 mA電流由內(nèi)部1 000 μF電容供電，而5 V電源則用大功率微型三端穩(wěn)壓器RH5RZ50C(300 mA)提供。由PIC16F870的RB1用做加熱絲供電控制口，RB2用做負(fù)載采樣控制口，RB3用做數(shù)字溫度采集控制口，RA0做A/D采樣口。具體電路圖見圖3。

圖3 復(fù)合傳感器電路

3.3 工作過程

探測(cè)器上電后，TGS2440首先有一個(gè)穩(wěn)定過程，需要經(jīng)過3～5 min時(shí)間。在此期間，程序?qū)馂?zāi)信息不進(jìn)行處理。TGS2440穩(wěn)定工作后，DS1820B數(shù)字溫度傳感器開始接收外部信號(hào)，將采集到的溫度信號(hào)和一氧化碳濃度信號(hào)通過一定的算法進(jìn)行信號(hào)融合，給出火災(zāi)發(fā)生的概率。而水霧、灰塵不會(huì)產(chǎn)生一氧化碳，火災(zāi)探測(cè)器會(huì)濾除。

3.4 算法

TGS2440傳感器能夠感測(cè)到很低濃度的一氧化碳，如果同時(shí)利用溫度傳感器探測(cè)環(huán)境溫度，通過檢查從這兩種傳感器接收到的數(shù)據(jù)和相互關(guān)系，使用一定火災(zāi)算法，如復(fù)合傳感器信號(hào)相關(guān)算法[3]、模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)探測(cè)算法[4]等，能夠大大提高火災(zāi)探測(cè)的準(zhǔn)確性、及時(shí)性；因火災(zāi)探測(cè)是一種非結(jié)構(gòu)性的問題，因此本系統(tǒng)采用模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)探測(cè)算法，見圖4。

圖4 基于模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的算法示意

系統(tǒng)從被探測(cè)的環(huán)境檢測(cè)溫度信號(hào)以及一氧化碳?xì)怏w信號(hào)后經(jīng)過信號(hào)預(yù)處理，包括整形濾波、放大以后，將處理以后的信號(hào)送到A/D進(jìn)行模擬數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換，傳感器信息預(yù)處理之后的輸出，送入模糊系統(tǒng)，對(duì)于數(shù)據(jù)進(jìn)行模糊化處理，然后將模糊化以后的數(shù)據(jù)送入神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型(神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法采用理論比較成熟的BP網(wǎng)絡(luò)算法)，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)根據(jù)規(guī)則進(jìn)行學(xué)習(xí)，利用梯度下降技術(shù)，通過調(diào)整網(wǎng)絡(luò)權(quán)值、閥值，使得網(wǎng)絡(luò)實(shí)際輸出與期望輸出的誤差均方值最小，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出再經(jīng)過模糊判斷，最終給出火情發(fā)生概率。

4 結(jié)束語(yǔ)

TGS2440和DS1820B傳感器功耗都比較低，這不但滿足了火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)對(duì)探測(cè)部件低耗高效的要求，也使該復(fù)合探測(cè)器能夠應(yīng)用于更廣泛的場(chǎng)所，如有毒氣體檢測(cè)(一氧化碳)，地下車庫(kù)通風(fēng)設(shè)施控制。

一氧化碳傳感器TGS2440和數(shù)字溫度傳感器DS1820B相結(jié)合的復(fù)合型傳感器在船舶消防行業(yè)的應(yīng)用可極大地提高火災(zāi)探測(cè)的準(zhǔn)確性，并推動(dòng)船舶消防技術(shù)的發(fā)展，同時(shí)對(duì)在其它行業(yè)的應(yīng)用也有很好的參考價(jià)值。

[1] 劉志欣.新型一氧化碳傳感器在火災(zāi)探測(cè)方面的應(yīng)用[J].傳感器世界,2003(6):32-33.

[2] 周立功.單片機(jī)實(shí)驗(yàn)與實(shí)踐[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2004.

[3] 王 磊.多傳感器技術(shù)及其應(yīng)用[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,2001.

[4] 權(quán)太范.信息融合神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-模糊推理理論與應(yīng)用[M].北京: 國(guó)防工業(yè)出版社,2002.