基于交联聚乙烯燃烧产物的气敏传感器阵列装置及检测方法与流程

1.本发明涉及火灾检测技术领域，具体地说是一种基于交联聚乙烯燃烧产物的气敏传感器阵列装置及检测方法。


背景技术：

2.电缆火灾事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点。电缆主要由导体、绝缘和护套组成，绝缘和护套材料的燃烧特性对火灾特性有直接影响，因此电缆护套和绝缘材料的燃烧性能将直接影响电缆的整体燃烧性能。在沟道电缆火灾的预防工作中，如何实现对电缆燃烧前的预警具有重要的意义。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于提供一种基于交联聚乙烯燃烧产物的气敏传感器阵列装置及检测方法，用于解决在电缆火灾发生之前对火灾检测不及时、不准确的问题，进而避免火灾监控漏报警、误报警的问题。
4.本发明解决其技术问题所采取的技术方案是：基于交联聚乙烯燃烧产物的气敏传感器阵列装置，包括传感器单元、供电模块和传输模块，其中所述供电模块为传感器单元提供正常工作所需的电能，所述传感器单元与传输模块信号连接，通过所述传输模块将传感器单元检测到的异常信号传递至火灾预警主控室；
5.所述传感器单元包括安装组件、co传感器、温度传感器、烟雾传感器、hcl传感器和固定组件，其中所述co传感器、温度传感器、烟雾传感器、hcl传感器固定在安装组件上，所述安装组件固定在电缆上，所述固定组件的第一端与安装组件铰链连接，所述固定组件的第二端与电缆沟道内壁或电缆桥架固定连接。
6.进一步地，所述传输模块包括zigbee网络、zigbee网关、就地模块和总线，所述zigbee网络将各传感器采集的信号上传至zigbee网关，由所述zigbee网关上传至就地模块，所述就地模块与总线信号连接，所述总线与火灾预警主控室的电缆防火预警监控系统、监控系统工作站信号连接。
7.进一步地，所述安装组件包括第一卡箍和第二卡箍，所述第一卡箍和第二卡箍均为圆弧形结构，所述第一卡箍的第一端与第二卡箍的第一端铰链连接，所述第二卡箍的第二端与第二卡箍的第二端之间设置锁紧螺栓；所述第一卡箍与第二卡箍之间围成夹持电缆的腔体。
8.进一步地，在所述第一卡箍的外壁上固定有导轨，在所述导轨上滑动安装有第一支座，所述第一支座与导轨之间设有螺栓；所述第一支座与第一卡箍之间的相对移动方向与第一卡箍轴线平行。
9.进一步地，所述固定组件包括主杆、副杆和安装板，其中所述主杆的第一端与第一支座万向连接，所述副杆的第一端与安装板万向连接，所述主杆的第二端与副杆第二端螺纹连接。
10.进一步地，在所述第一卡箍和第二卡箍的内壁上设有垫片。
11.进一步地，在所述第一、第二卡箍的内壁固定有两组弹性片，所述弹性片的第一端与第一、第二卡箍内壁固定连接，所述弹性片的第二端向第一、第二卡箍轴线位置延伸并悬空；所述弹性片第二端端部与电缆外壁接触阻止电缆与弹性片之间的单向相对移动，两组所述弹性片从左右两个方向阻止电缆与第一、第二卡箍之间的相对移动。
12.进一步地，在所述弹性片的端部设有防滑齿。
13.进一步地，在所述主杆与副杆之间可拆卸的安装有延伸杆。
14.本发明还提供一种基于交联聚乙烯燃烧产物的检测方法，包括以下步骤：
15.(1)当电缆沟道内某处电缆出现火灾时，传感器单元中的各传感器采集到异常信号，并发出警报；
16.(2)各传感器对采集的信号进行处理并传送到传感器单元的就地模块；
17.(3)传感器单元的就地模块进行信号转化后通过光纤传递到火灾预警主控室；
18.(4)火灾预警主控室根据火灾情况进行相应处理，如向灭火装置发送信号，启动灭火装置实施灭火。
19.本发明的有益效果是：本发明提供的基于交联聚乙烯燃烧产物的气敏传感器阵列装置及检测方法，所采用的zigbee网络能够实现低成本、低功耗、低复杂度、低速率的无线通信，适用于电缆沟道蜿蜒曲折的应用场景，能够保证信息的稳定传输，同时能够减轻信号干扰；就地模块所转换信息以光纤方式接入火灾预警主控室，这种方法成熟稳定，且具有较高的传输速度，能够保证火警第一时间被发现和处理，实现站内电缆防火监测和告警功能。
20.本发明采用就地取电方式，从临近摄像头取电对系统进行供电，十分适合山区地区，通常山区地区会针对森林火灾采取建立瞭望塔，建立视频监控站点等监测措施，部分山区景点地区也投入使用监控设备，对山林垃圾进行监控，这为系统取电提供了便捷的条件，这能够便于安装，且能够减小投资。
21.本发明通过设置在电缆外侧的气敏传感器阵列装置，一旦电缆发生异常，阵列装置上的co传感器、hcl传感器、烟雾传感器和温度传感器便可以对电缆进行相应信号的采集，通过全方位的信号采集，可以在第一时间发现电缆存在的异常，进而及时上传上报电缆的异常信号，进而便于及时做出处理。
附图说明
22.图1为本发明的阵列装置示意图；
23.图2为传感器单元的正视图；
24.图3为第一卡箍和第二卡箍的侧向装配示意图；
25.图4为第一卡箍和第二卡箍的轴向装配示意图；
26.图5为第一卡箍的右视图；
27.图6为第一支座的结构示意图；
28.图7为固定组件的正视图；
29.图8为本发明传感器单元使用状态示意图；
30.图9为本发明第一、第二卡箍的另外一种结构示意图；
31.图10为图9中第一、第二卡箍与电缆之间的装配示意图；
32.图11为传输模块结构示意图；
33.图中：1第一卡箍，11铰接轴，12锁紧螺栓，13导轨，14第一支座，141支耳，142螺纹孔，15凹槽，16滑槽，17定位孔，2第二卡箍，3垫片，4co传感器，41温度传感器，42烟雾传感器，43hcl传感器，5主杆，51第一耳板，52第二耳板，53副杆，54第三耳板，55第四耳板，56螺杆，6安装板，61第二支座，7电缆，8沟道内壁，9弹性片。
具体实施方式
34.如图1至图11所示，本发明的阵列装置主要包括传感器单元、供电模块和传输模块，其中传感器单元包括第一卡箍1、第二卡箍2、co传感器4、温度传感器41、烟雾传感器42、hcl传感器43和固定组件，下面结合附图对本发明进行详细描述。
35.如图1所示，传感器单元安装在待检测电缆附近，传感器单元用于检测电缆是否异常，如温度是否异常、是否产生烟雾、是否因燃烧产生了特定的气体。传感器单元与供电模块电连接，通过供电模块为传感器单元供电。供电模块采用就地取电方式，从临近电缆沟道的摄像头配电箱处取电，通过电力传输线给安装于电缆附近的传感器单元供电。传感器单元与传输模块信号连接，传输模块与火灾预警主控室的主机信号连接，通过传输模块将传感器单元检测到的火灾信号上传至火灾预警主控室。如图11所示，传输模块包括zigbee网络、zigbee网关、就地模块和总线，co传感器4、温度传感器41、烟雾传感器42、hcl传感器43通过zigbee网络与zigbee网关信号连接，zigbee网关与就地模块信号连接，就地模块与总线信号连接，总线与火灾预警主控室的电缆防火预警监控系统和监控系统工作站信号连接。这样，传输模块以无线传输和有线传输两种方式实现对信号的传递。火灾预警主控室与灭火装置信号连接，火灾预警主控室向灭火装置发送信号，使得灭火装置动作，进而执行灭火操作。灭火装置为现有技术，在此不再赘述。
36.整个阵列装置中，通过位于电缆沟道内的传感器单元检测电缆是否异常，发现异常时通过zigbee网络对检测信号进行传输，经过就地模块对检测数据进行转换并通过光纤传输至火灾预警主控室的电缆防火预警监控系统。
37.如图2至图10所示，传感器单元包括第一卡箍1、第二卡箍2、co传感器4、温度传感器41、烟雾传感器42、hcl传感器43和固定组件，如图1至图3所示，第一、第二卡箍均为圆弧形的金属件，第一、第二卡箍对应的圆心角角度相同。第一卡箍1的第一端与第二卡箍2的第一端通过铰接轴11铰接连接在一起，这样第一、第二卡箍均可以绕铰接轴转动。第一卡箍1和第二卡箍2构成了安装传感器的安装组件，各类传感器安装在安装组件上，安装组件用于固定在待检测电缆上。
38.在第一卡箍1的第二端与第二卡箍2的第二端之间设置锁紧螺栓12，通过锁紧螺栓12实现第一卡箍1与第二卡箍2第二端之间的锁紧固定；锁紧螺栓12穿过第一、第二卡箍的第二端，此时第一、第二卡箍围成一个圆形的腔体；待检测的电缆位于该腔体中。如图3所示，第一卡箍1的宽度小于第二卡箍2的宽度，在第一卡箍1的第一端和第二端均设有凹槽15，第二卡箍2的第一端伸入第一卡箍1一端的凹槽15，第二卡箍2的第二端伸入第一卡箍1第二端的凹槽15内。如图5所示，在第一卡箍1的外壁上固定有导轨13，在导轨13上设有一对直线型的滑槽16，在成对的两滑槽16之间设有若干紧密排列的定位孔17。在导轨13上滑动安装有第一支座14，如图6所示，第一支座14为矩形板，第一支座14上设有与滑槽滑动连接
的滑块，进而实现第一支座14与导轨13的滑动连接。在第一支座14上设有螺纹孔142，在螺纹孔内穿入螺栓，螺栓与导轨旋紧后便可以实现第一支座14与导轨13的固定连接，此时螺栓伸入导轨上的定位孔17内。在第一支座14上固定有支耳141。
39.如图2所示，在第一卡箍1的至少其中一个端面上固定安装有烟雾传感器42和hcl传感器43，在第二卡箍的至少其中一个端面上固定安装有co传感器4和温度传感器41，这样将待测电缆置于第一、第二卡箍之间，并将第一、第二卡箍的第二端固定连接在一起后，在电缆的周围设有一个co传感器4、一个温度传感器41、一个烟雾传感器42和一个hcl传感器43；通过co传感器4检测电缆燃烧时是否有co产生，co传感器4选用me3-co传感器；通过温度传感器检测电缆是否温度过高，温度传感器41选用hdc2080温度传感器；烟雾传感器42用于检测电缆燃烧时是否有烟雾产生，烟雾传感器42选用mp-2平面烟雾气体传感器；hcl传感器43用于检测电缆燃烧时是否有hcl气体产生，hcl传感器43选用me3-hcl传感器。也可以在第一卡箍上安装co传感器和温度传感器，或者co传感器和烟雾传感器，只要在第一卡箍或第二卡箍上安装两种类型的传感器即可，即使得四种传感器在第一、第二卡箍上均匀分布。
40.各传感器型号如下表：
[0041][0042][0043]
在第一、第二卡箍的内壁固定有垫片3，垫片3为耐高温的绝缘材质，且具有防火功能。垫片3的设置用于增大第一、第二卡箍与电缆之间的摩擦力，以增大电缆与第一、第二卡箍之间的相对稳定性。根据电缆尺寸，在第一、第二卡箍内放置不同厚度的垫片或增减垫片的数量，以增大第一、第二卡箍对电缆的夹持力。
[0044]
如图2、图7所示，固定组件与第一支座14上的耳板铰链连接，固定组件包括主杆5、与主杆5固定连接的副杆53、与副杆53铰链连接的安装板6，在主杆5的第一端固定有第一耳板51，第一耳板51与第二耳板52铰链连接，第二耳板52与支耳141铰链连接。这样，第一耳板可以相对第二耳板转动，第二耳板可以相对支耳转动。第二耳板相对支耳转动的转动平面，与第一耳板相对第二耳板的转动平面相互垂直。这样，主杆5与支耳141之间可以万向转动。以同样的方式，在副杆53第一端固定有第三耳板54，第三耳板54上铰链连接有第四耳板55，第四耳板55与第二支座61铰链连接，第二支座61为安装板6的一部分。第三耳板相对第四耳板的转动平面，与第四耳板相对第二支座的转动平面相互垂直。这样，安装板6可以相对副杆53万向转动。如图7所示，在副杆53的第二端固定有螺杆56，在主杆5第二端设有盲孔，螺杆56与主杆第二端螺纹连接，进而实现主杆与副杆的相对固定。使用时，如图8所示，将第
一、第二卡箍的第二端分离，将第一、第二卡箍置于电缆7的两侧，然后通过锁紧螺栓12将第一、第二卡箍的第二端固定连接在一起；此时，第一、第二卡箍和垫片配合作用将电缆夹持固定住，即实现了第一、第二卡箍在电缆上的安装。此时，四种传感器环绕在电缆7的周围，这样通过四种传感器可以监测电缆周围的参数，这些参数包括co、温度、烟雾和hcl。当检测到上述参数时，对应的传感器通过zigbee网络传递至zigbee网关，然后就地模块对采集的参数进行转化后传递至火灾预警主控室。固定组件与第一卡箍1的活动连接方式，便于调节固定组件的位置，以便于安装板与电缆沟道内壁合适位置进行安装。
[0045]
将第一、第二卡箍与电缆安装在一起后，摆动主杆、副杆，使得安装板与合适位置的电缆沟道内壁8接触，并通过螺栓将安装板6与电缆沟道内壁8固定连接在一起。当遇到主杆5、副杆53长度不够时，可以将副杆53从主杆5上卸下，然后在主杆5与副杆53之间放置延伸杆，以增加整体的长度。延伸杆与主杆、延伸杆与副杆之间均螺纹连接。安装板还可以与电缆桥架固定连接在一起。
[0046]
如图9、图10所示，为实现第一、第二卡箍与电缆的相对固定，还可以在第一、第二卡箍内壁固定弹性片9，弹性片9的第一端与第一、第二卡箍内壁接触固定，弹性片9的第二端向第一、第二卡箍轴线位置延伸并悬空，电缆置于第一、第二卡箍之间时，弹性片9的第二端与电缆外壁接触，且弹性片与第一、第二卡箍的轴线之间呈锐角夹角。在第一、第二卡箍上均设有两组弹性片9，且两组弹性片一组朝左，一组朝右，这样两组弹性片呈钝角夹角。弹性片9第二端的端部与电缆接触，且在弹性片第二端端部设置防滑齿。弹性片第二端端部与电缆外壁接触后，当向弹性片第二端所在的一侧移动第一、第二卡箍时，弹性片第二端的端部与电缆外壁接触摩擦且微变形，进而阻止第一、第二卡箍与电缆之间的相对移动。第一、第二卡箍相对电缆向左移动时，第一、第二卡箍左端的弹性片起作用，防止第一、第二卡箍相对电缆向左移动；第一、第二卡箍相对电缆向右移动时，第一、第二卡箍右端的弹性片起作用，防止第一、第二卡箍相对电缆向右移动；进而实现第一、第二卡箍与电缆之间的相对固定。弹性片包括内外两部分，内层为金属片，外层为橡胶。
[0047]
在第一、第二卡箍上设有印制电路板(pcb)，以用于安装各传感器。
[0048]
本发明的交联聚乙烯燃烧产物是指在火灾形成前电缆绝缘材料热解产生气体，通过研究典型电缆绝缘材料热解特性和燃烧特性，分析电缆绝缘材料热解特性和点燃特性的影响因素，即可得出不同影响因素下电缆火灾特性参数的变化规律，揭示电缆绝缘材料过热分解气体的机理。结合气象因子，分析在不同复杂工况和气象环境影响的下电缆绝缘材料热解产气规律，可以得出能有效表征过热故障的特征参量，结合本地季节性气象规律，即可提出适应气象变化的基于特征气体分析的电缆火灾早期预警策略。
[0049]
传感器单元优先安装在电缆沟道危险性高的位置，综合考虑电缆本身、周围环境、历史记录等因素，选择合理的安装位置。比如，在电缆接头、沟道拐角等易发生电缆故障、引发火灾的地方安装传感器单元；在电缆沟道周围存在影响电缆安全运行的潜在危险，例如，电缆沟道周围存在存储易燃易爆物品的工厂、正在施工的工地、易发生地质灾害的区域等。结合国内近几年发生电缆火灾的事故分析，对电缆沟道高事故率的安全隐患位置进行分析总结，为传感器单元安装位置的选择提供指导。
[0050]
本发明研究的传感器单元倾向于就地安装，在电缆沟道内安装传感器单元，在尽可能少占用电缆沟空间的前提下，选择合适的位置安装装置柜，对于因电缆沟道内电缆密
集或电缆沟道狭窄而无法在沟内安装传感器单元的位置，可在电缆沟道外单独搭建装置柜。
[0051]
进行气体种类识别之前，需要对测量得到的信号进行预处理。预处理能够降低噪声，提高信噪比；减少失真，增强信号有效段。利用深度学习技术，建立一个dbns模型，当我们输入到模型中样本时，数据首先被赋给显层，模型经过计算显层神经元被激活的概率，取一个数值作为阈值，大于该阈值的神经元则被激活，否则不被激活，由此得到隐层的每个神经元是否被激活。以模拟实验得出的数据建立的样本库作为输入，对dbn进行训练，dbn的训练分为预训练和微调以及构建用于混合气体的定性模型。若干rbm组成dbn，在顶部增加一个分类层，就组成了用于定性分析的初始模型，分类层通常选用softmax分类器，适合用于非线性多分类问题。对于特征气体，同样选用传感器的响应值作为输入数据，混合气体组分信息作为期望数据。测试不同层数rbm以及每层rbm不同个数对于分类结果的影响，得到最优分类结果的dbn分类模型。
[0052]
面对不同环境应当采用不同的供电模块，蓄电池结构简单易于实现，但需定期更换和维护。而电缆沟道的火灾在线监测、预警装置一般都工作在野外，如果整个装置位于电缆沟道内，蓄电池的更换和维护成本大大增加。光伏太阳能供电方式以其不受地域限制、使用方便、可再生性而得到广泛应用。但是利用太阳能进行供电，无光照情况下无法持续供电，不能满足在线监测持续工作的要求。风力发电同样受环境条件的影响很大，供电稳定性较低，供电电源工作环境和气象条件差，将导致在线监测系统难以持续正常工作。就地取电是通过接入附近低压电源保障装置的正常运行，在城市内火灾靠近低压电源的位置，是一个很好的选择，具有连续供电稳定性好的优点。本发明针对山林间电缆沟道提出从电缆沟道临近摄像头配电柜取电的方法，这能够便于装置安装，且能够减小投资。
[0053]
当电缆运行异常将要出现火警时，本发明可快速精准对电缆沟内火灾段进行预警。可由传感器阵列发出信号到火灾预警主控室，后续工作人员通过预警信息进行判断以进行下一步操作。
[0054]
本发明的阵列装置，采用me3-co传感器、me3-hcl传感器、hdc2080温度传感器以及mp-2平面烟雾气体传感器等多种传感器，可以从多角度对电缆及其接头运行状态进行检测，可以在电缆阴燃或热解过程中就对电缆异常状态做出预警，避免出现反应时间较晚而产生明火燃烧的现象，实现在电缆火灾的电缆早期异常高温阶段进行早期预警，降低电缆火灾造成的损失；第一、第二卡箍按照电缆直径设计可以便捷的安装在电缆上，在提高检测精度的同时能够减小空间占用，便于系统的安装。
[0055]
本发明所采用的zigbee网络能够实现低成本、低功耗、低复杂度、低速率的无线通信，适用于电缆沟道蜿蜒曲折的应用场景，能够保证信息的稳定传输，同时能够减轻信号干扰；就地模块所转换信息以光纤方式接入火灾预警主控室，这种方法成熟稳定，且具有较高的传输速度，能够保证火警第一时间被发现和处理，实现站内电缆防火监测和告警功能。
[0056]
本发明采用就地取电方式，从临近摄像头取电对系统进行供电，十分适合山区地区，通常山区地区会针对森林火灾采取建立瞭望塔，建立视频监控站点等监测措施，部分山区景点地区也投入使用监控设备，对山林垃圾进行监控，这为系统取电提供了便捷的条件，这能够便于安装，且能够减小投资。
[0057]
本发明通过设置在电缆外侧的气敏传感器阵列装置，一旦电缆发生异常，阵列装
置上的co传感器、hcl传感器、烟雾传感器和温度传感器便可以对电缆进行相应信号的采集，通过全方位的信号采集，可以在第一时间发现电缆存在的异常，进而及时上传上报电缆的异常信号，进而便于及时做出处理。
[0058]
本发明的基于交联聚乙烯燃烧产物的火灾检测方法，它包括以下步骤：
[0059]
(1)当电缆沟道内某处电缆出现火灾时，传感器单元中的各传感器采集到异常信号，并发出警报；
[0060]
(2)各传感器对采集的信号进行处理并传送到传感器单元的就地模块；
[0061]
(3)传感器单元的就地模块进行信号转化后通过光纤传递到火灾预警主控室；
[0062]
(4)火灾预警主控室根据火灾情况进行相应处理，如向灭火装置发送信号，启动灭火装置实施灭火。