（安全技术及工程专业论文）三组分火灾气体在线探测技术研究.pdf

a b s t r a c t f i 糟h a z a r di sak i n do fc a l a m i t yi n d u c e db yu n c o n t r o l l e db u r n i n gw h i c hc a u s e d g r e a tl o s ta n ds u f f e r i n g s ，s oi t so fv i t a li m p o r t a n c et h a te f f e c t i v em e a l l so ff i r e d e t e c t i o nb er e s e a r c h e d c e r t a i ng a sp r o d u c t sa r cd i r e c t l yc o u p l e dw i t ht h ep r o c e s so f c o m b u s t i o na n da so r e na sn o ta l et h ee a r l i e s ts i g no ff i r eh a z a r d s o ，t h r e c - s p e c i e s f i r eg a si n - s i t um o n i t o r i n gt e c h n i q u ei ss t u d i e di nt h i sp a p e r , a n dt h r o u g hc a r e f u l h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n , ap r o t o t y p ew a sb u i l ta n dc a l i b r a t e d t l l i sp a p e rs t a r t sw i t ht h er e v i e w i n go fr e l e v a n tr e = p o r t sa n df i t e r a t u r e t h r o u g h t h o r o u g ha n a l y s i sa n dr e s e 0 1 c h ，c o ，c 0 2a n dc i - ha r ec h o s e na se a r l y - s t a g ef i r e s i g n a t u r e l a m b e r t - b e e rl a w , a b s o r p t i o ns p e c t r u m o f c o ，c 0 2 ，c i - 1 4 a n d g a s c o n c e n t r a t i o nc a l e u l a t i o nm o d e la r ed i s c u s s e da f t e r w a r d s h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g no ft h i sp r o t o t y p ea r ea l s op r e s e n t e d h a r d w a r e d e s i g n i n c l u d e s ：g a sd e l i v e r m g s y s t e md e s i g n ；s e l e c t i o no fi n f r a r e ds o u r c e ， i n f r a r e dd e t e c t o ra n dp r e s s u r es e n s o r ；s i g n a lc o n d i t i o n i n ga n dl o c k - i na m p l i 助n g c i r c u i td e s i g n ；a dc o n v e r t o rb a s e do nu s bi n t e r f a c e ；e m b e d d e di n d u s t r i a lc o m p u t e r d e s i g n s o f t w a r ed e s i g nb a s e do i ll a b w j n d o w s ，c a r e 似p l a i n e d w i t hg a s c o n c e n t r a t i o nc a l c u l a t i o nm o d e la n dp r o g r m n m i n gb a s e do nm a t l a bn e u r a l n e t w o r kt o o l b o xc o v e r e di nd e t a l l a l l i g hp r e c i s i o nm u l t i s p e c i e sg a sd y n a m i cd e l i v e r i n gs y s t e mi sa l s ob u i r ，a n d i t sp r i n c i p l ea n dr e a l i z a t i o nm e t h o d sa r ee x p l a i n e de x p l i c i t l y w 讹t h i sg a sd e l i v e r i n g s y s t e m ，o u rt h r e e s p e c i e sf i r eg a si n - s i t um o n i t o r i n gs y s t e ma r ec a l i b r a t e da n dt e s t e d ， s h o w i n gr e m a r k a b l ep r e c i s i o n k e y w o r d s ：f i r ed e t e c t i o n ，f i r eg a s e s ，a r t i f i c i a ln e u r 蚰n e t w o r k , l a b w i n d o w s c v l ，m a t l a bt o o lb o x e s 中国科学技术大学学位论文相关声明 本人声明所呈交的学位论文，是本人在导师指导下进行研究 工作所取得的成果。除已特别加以标注和致谢的地方外，论文中 不包含任何他人已经发表或撰写过的研究成果。与我一同工作的 同志对本研究所做的贡献均已在论文中作了明确的说明。 本人授权中国科学技术大学拥有学位论文的部分使用权， 即：学校有权按有关规定向国家有关部门或机构送交论文的复印 件和电子版，允许论文被查阅或借阅，可以将学位论文编入有关 数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、 汇编学位论文。 保密的学位论文在解密后也遵守此规定。 作者签名：兰绎基 沙7 年5 月彳口日 中国科学技术大学硕士学位论文 1 1 研究背景 第一章绪论 火灾是一种在时空上失去控制的燃烧所引发的灾害。它造成人员伤亡、财 产损失、环境污染甚至生态失衡【1 1 。正是由于它的危害性，所以必须进行及时 有效的监测，并给出准确的报警，从而力图实现早期灭火并为人员疏散争取充 裕的时间，保护人民生命财产的安全。 随着人类文明的进步和科学技术的迅速发展，火灾防治已从被动的火灾扑 救发展到主动的去探测预防。为了实现更早期的探测到火灾的发生，通过几十 年的探索和努力，火灾探测报警领域也发生了巨大变化，同时也提出了新的课 题：如何进一步提前火灾探测报警时间，为及时采取有效措施，减少人员伤亡 提供宝贵时间；如何进一步提高火灾探测报警的可靠性，为实现火灾探测与扑 救的自动化和无人值守创造有利条件。 火灾探测报警的灵敏性和可靠性同时提高是火灾探测科技工作者需要解决 的课题，它需要我们在充分掌握火灾早期特性和火灾初期发展规律的基础上， 利用合适的技术手段，研究更合理的火灾探测思想、理论和方法，形成更加有 效的火灾探测技术【2 】。 1 2 火灾探测技术现状 如今，火灾探测技术得到了空前广泛的应用，尤其在欧美各国，火灾探测 器几乎应用于各个领域，家庭住宅、写字楼、工厂、政府机构和军事设施到处 都有火灾探测技术的应用。现有的火灾探测技术主要分为下面几种类型： 一感烟火灾探测技术 感烟火灾探测器是目前世界上应用较普遍、数量较多的探测器。这是一种 响应火灾产生烟雾中含有的固体或液体微粒的火灾探测器。受限空间的火灾一 般都要经过初起、阴燃、起火和高温燃烧、熄灭等几个阶段。其中初起、阴燃 过程是其中较长的两个阶段，一般在十几分钟以上。感烟火灾探测器主要用来 探测初起、阴燃阶段的烟雾，发出报警信号。 感烟火灾探测器有以下两方面的缺点：一方面感烟探测器是用来探测火灾 产生的烟雾的，在火灾发生后，温度较高的烟气向上运动，当安装在项棚上的 探测器探测到烟雾的浓度大于设定的阈值，才会发出报警信号，当感烟探测器 用在高大空间时，由于烟雾在上升的过程中卷吸大量冷空气，烟雾温度不断降 中国科学技术大学硕士学位论文 低，导致只有极少量的烟雾到达顶棚，达不到设定的阈值，不能产生报警信号， 从而漏报。另一方面，当被测空间中含有粉尘时，又会引起感烟火灾探测器的 误报，而且长期工作在较大浓度粉尘环境中还会导致感烟探测器失效1 3 1 。 感烟火灾探测器又分为离子型、光电型、激光型、红外光束型和图像型等。 二感温火灾探测技术 感温火灾探测是一种利用热敏元件将温度变化转变成电信号来探测火灾发 生的技术。在火灾发生后，一方面有大量烟雾产生：另一方面物质在燃烧过程 中释放出大量的热量，使周围环境温度急剧上升。感温探测器中的热敏元件发 生物理变化，从而将温度信号转变成电信号，传输给火灾报警控制器，发出火 灾报警信号。可以根据温度的异常、温升速率和温差现象来探测火灾的发生。 对那些经常存在大量粉尘、烟雾及水蒸汽而无法使用感烟探测器的场所，使用 感温火灾探测器较为合适。有时，为了提高自动灭火系统动作的可靠性，可以 同时使用感烟和感温两种探测器进行复合探测火灾。 感温火灾探测器种类繁多，根据其感温方式可分为定温式、差温式及差定 温式三类。感温火灾探测器的缺点是，由于空间高度或空气的流动等原因，使 得火灾高温气体无法到达顶棚时，感温火灾探测器将无法正常工作。当工作的 环境温度过高时，感温火灾探测器很容易产生误报。 三感光火灾探测技术 它是响应火焰辐射出的红外紫外及可见光的火灾探测技术。目前主要有红 外感光火灾探测器和紫外感光火灾探测器，以及融合后的双波长和三波长感光 火灾探测器，还有采用c l d 成像器件的双波段火灾探测器。 1 3 火灾气体探测技术 在火灾探测中，上面所提到的各种探测器虽然有其优越性，但是也存在着 不足，有时会受到空间高度、温度、湿度等因素的影响，从而造成误报和漏报。 最近的2 0 年来在传感器和信号处理方面取得了显著的进步，人们一直在努力寻 求火灾探测的新原理和新方法，形成更加有效的火灾探测技术。 ( 1 ) 发展新的传感技术以及基于此的火灾探测技术。 ( 2 ) 基于现有的探测原理方法，与其它技术交叉，改进信号采集、处理电 路和方法，发展新的火灾辨识算法等，来改善系统性能。 具体的研究热点集中在火灾气体探测和复合探测两个主要方向，并且越来 越多的研究表明，火灾气体探测是实现火灾早期可靠报警极有前景的方i 向 3 - 5 。 火灾气体浓度作为火灾探测的特征参量，具有独特的优点。火灾所产生的气体 中国科学技术大学硕士学位论文 需要更少的热量驱动就可以快速上升，一些气体( 如c o 和c h 4 ) 由于比空气轻， 甚至不需要热量的驱动，就能非常容易地扩散和上升；而且，火灾气体探测系 统能够采用主动吸气采样的工作方式，这对于火灾探测器的布置灵活性和在火 灾早期探测到火灾信息非常重要。总的来说与其他技术相比较在大多数情况下 更适合于火灾早期探测，且在抗干扰方面更具有优势，所以针对火灾探测技术 所追求的更高灵敏度和可靠性的火灾早期报警，火灾气体探测受到火灾探测科 技工作者的广泛重视。在2 0 0 4 年的第1 3 届a u b e 火灾自动探测国际学术讨论会上， 9 5 篇论文中，有1 3 篇论文涉及火灾气体探测，其中主要是多种气体复合探测【卯】。 这几年，气体传感技术有了长足进步，尤其基于红外气体分析的能同时监测多 种气体浓度的多通道红外热释电气体探测器技术取得了突破，因此火灾气体探 测技术正面临着一个蓬勃的发展时期【l o l 。 1 4 本论文的主要研究内容 本文对三组分火灾气体在线探测技术进行了研究，通过硬件实现与软件开 发，设计研制出了三组分火灾气体在线探测系统样机，并进行了浓度标定实验。 主要研究内容及章节安排如下。 在第二章中，在前人工作的基础上，经过深入分析与研究，选择了c 0 2 、 c o 与c h 4 作为早期火灾探测的火灾标识性气体。并从气体的红外吸收定律、 特征红外吸收波长及气体浓度计算模型等方面介绍了探测系统的设计原理。 在第三章中，详细介绍了探测系统的硬件设计与实现。包括：抽气管路系 统设计，红外光源、红外探测器与压力传感器的选择，信号调理与锁相放大电 路设计，基于1 j s b 接口的数据采集卡设计，嵌入式工控计算机设计等。并设计 研制出三组分火灾气体在线探测系统样机。 在第四章中，结合最新的虚拟仪器开发技术，采用l a b w i n d o w s c v i 作为软 件开发平台，进行了系统软件的设计与开发，介绍了软件总体结构及各主要模 块的功能。并重点对气体浓度计算模型的代码实现，及基于m a t l a b 人工神经网 络工具箱的混合编程进行了介绍。 在第五章中，为提供探测系统的浓度标定所需要的标准气样本，设计研制 了高精度的多组分动态配气装置，并详细介绍了其软硬件的实现。最后进行了 浓度标定实验，得到标定实验数据，并进一步通过实验验证了探测系统样机具 有较高的精度。 在第六章中，对本文进行了总结，并展望了有意义的进一步研究工作。 中国科学技术大学硕士学位论文 第二章三组分火灾气体在线探测原理 火灾产物中最直观的表征就是烟、光、热，以这些物理参数作为是否存在 火灾的判据，已经发展出了多种火灾探测技术，在实际工作中发挥着重要的作 用。但是这些方法都有其各自的缺点，用于探测早期火灾均存在着各式各样的 问题和缺陷。考虑到火灾本身就是一个物理和化学反应并存的过程，因此在考 虑到上述探测方法不足之时，人们便开始从火灾过程中的另外一个特征，即以 化学反应中产生的气体作为突破点来提高火灾探测的效率。本文正是利用燃烧 产物中最主要的三种气体c o 、c 0 2 和c i - h 作为目标性气体，以它们作为火灾探 测的主要特征来进行火灾探测的研究。 2 1 火灾探测的标识性气体分析 火灾所产生的气体成分复杂多样，包含完全燃烧产物( 如c 0 2 和水) 和不 完全燃烧产物，如c o 、炭氢化合物以及醇类、醛类、酮类、酸类、酯类等化合 物。如果可燃物中还含有其他元素例如硫( s ) 和卤素( f ，c i ，b r ) ，则产物中 就会含有硫化物以及卤素的化合物。实际上，对于除含有或生产特殊物质之外 的绝大多数场所中，可燃物的最基本元素均含有c 和h ，其在空气中明火燃烧 或阴燃热解时，基本描述都可用下面的方程式表示【li 】： c 。hn + o l + n 2 一c k hx + a c 0 2 七b c o + c f t p + d n o y + e n 2 0 + 母+ h o + d h c ( 2 1 ) 气态燃烧产物的主要成分为c o 、c 0 2 、h 2 0 和h c 化合物，而h c 化合物中主 要成分是c h 4 。为了保证火灾气体探测器的普适性，在选择火灾气体探测的标示 性气体时c 0 2 和c o 应该是首选。由于环境中湿度的影响，通常不把h 2 0 作为火 灾探测参数。一般情况下，c o 在空气中的含量极低，只有燃烧发生时才会产生 大量的c o 。虽然环境中存在一定量的c 0 2 ，但发生火灾时，c 0 2 的浓度将会急 剧增加。所以，针对这两种气体进行监测，将会在很大程度上反映出环境中有 火灾的发生。 为了对火灾中c o 和c 0 2 的生成和含量有更进一步的认识，下面给出了常见 可燃物的c 0 2 ，c o 和碳氢化合物h c 的生成率【1 1 。表中y c 0 2 y c o ，y n c 分别为c 0 2 ， c 0 和h c 的生成率，xa 为燃烧效率( 实际燃烧释热速率与理论上可能的最大释 热速率之比) 。 中国科学技术大学硕士学位论文 表2 1 实验测得的常见可燃物主要火灾产物组分的生成率和燃烧效率 可燃物y c m f c o cx 气体 乙烷 2 9 00 0 0 lo 0 0 10 9 9 丙烷 2 8 50 0 0 50 0 0 10 9 5 丁烷 2 8 8o 0 0 6o 0 0 30 9 5 乙烯 2 8 60 0 1 30 0 0 5o 9 l 丙烯 2 8 0o 0 2 00 0 0 6o 8 9 l ，3 一丁二烯 2 4 l0 0 4 80 0 1 40 7 4 乙炔 2 5 70 0 4 50 0 1 3o 7 6 液体 庚烷 2 8 60 0 1 00 0 0 4o 9 3 辛烷 2 8 4o 0 1 1 0 0 0 4 0 9 2 苯 2 3 0o 0 6 5o 0 1 8o 6 9 苯二烯 2 2 6o 0 6 70 0 1 9o 6 7 甲醇 1 3 0o 0 0 1 d 0 0 10 9 5 乙醇 1 8 60 0 0 20 0 0 10 9 7 异丙醇 2 1 3o 0 0 2o o o l0 9 7 丙酮 2 2 10 0 0 20 0 0 10 9 7 固体 橡木 1 2 70 0 0 4o 0 0 10 7 0 杉木 1 3 10 0 0 4 0 0 0 10 7 9 松木( 木垛) 1 4 20 0 0 4 0 0 0 10 8 6 聚氧化甲烯( p 嘶) 1 4 00 0 0 1 0 0 0 10 9 4 有机玻璃( p b i a ) 2 1 20 0 1 0o 0 0 10 9 5 聚乙烯( p e )2 7 6o 0 2 40 0 0 70 8 8 聚丙烯( p p ) 2 7 9o 0 2 40 0 0 60 8 7 聚苯乙烯( p s ) 2 3 3o 0 6 0 0 0 1 40 7 2 硅酮 0 9 6 0 0 2 10 0 0 60 4 9 聚二甘醇丁二酸酯 1 6 5 o 0 7 00 0 2 00 6 3 5 中国科学技术大学硕士学位论文 环氧树脂 1 _ 5 90 0 8 00 0 3 0o 5 9 尼龙 2 0 60 0 3 80 0 1 6 0 8 9 聚乙烯2 5 c l 1 7 l0 0 4 20 0 1 60 7 2 聚乙烯3 6 * c l 0 8 30 0 5 10 0 1 7 o 4 1 聚乙烯4 8 c 1 0 5 9 0 0 4 90 0 1 5o 3 5 聚氯乙烯( p v c ) 0 4 60 0 6 30 0 2 3 0 3 5 硬质聚氨酯 1 5 20 0 3 1o 0 0 3o 6 3 泡沫塑料( p t l f ) 硬质聚氨醅 1 5 50 0 1 00 0 0 2o 6 8 泡沫塑料( p t l f ) 由表中数据可知，常见可燃物的火灾产物中c 0 2 、c o 和c h 4 都有一定的生 成率，即使是缓慢发展的火灾也会使得环境中的c 0 2 和c o 含量有显著增加，尤 其是c 0 2 的生成率很高。 在火灾探测领域，标准实验火具有广泛的代表性，为了检验和标定各类火 灾探测器的火灾响应性能。各国都规定了在标准火灾探测实验室用以研究火灾 探测器的标准实验火，每一种标准实验火都代表了某一类可燃物的火灾状况， 研究标准实验火在不同情况下的燃烧状况即可以总结出这一类可燃物火灾时的 性状。这一点经过了长期实践验证，基本上被火灾和消防领域的研究人员所认 可。对各种标准火生成c o , c 0 2 的情况，国内外相关研究人员进行了很多试验， 得到了大量的数据，如j a c k s o n 和r o b i n s 在1 9 9 4 年给出了实验测得的欧洲六种标 准火( 木材明火、木材热解、棉花阴燃火、聚氨酷塑料泡沫明火、正庚烷明火、 酒精明火) 最大的c o 生成量【1 2 】。由表中可见t f 3 标准火生成的c o 浓度最高，达 至l j 3 5 0 p p m ( v ，n ；t f 6 标准火生成的c o 浓度最低，但也达到了1 6 p p m ( v v ) 。依 据上述实验结果，j a c k s o n m a 和r o b i n si 认为可以通过测量c o 气体的浓度来探 测火灾。 表2 2 六种欧洲标准火生成c o 气体的最大生成量 t f lt f 2t f 3t f 4t f 5t f 6 实验火木材木材棉绳聚氨酯 正庚烷 酒精 明火热解火阴燃火 塑料明火明火明火 c o 气体最大生 成量( v v ) 4 6 p p m1 0 5 p p m3 5 0 p p m4 5 p p m3 0 p p m1 f r p p m 中国科学技术大学硕士学位论文 p f i s t e r 也于1 9 8 3 年在实验过程中，监测并记录了几种标准火c o 生成量的 变化过程【1 3 】，c o 的浓度在火灾发生后的一定时间内，均有一定程度的上升，并 明显高于火灾未发生时环境中的c o 的浓度。 时同( s ) 图2 1 几种标准, k c o 浓度的测量( j a c k s o na n dk o b i n s1 9 9 4 ，p f i s t e r1 9 8 3 ) 图2 2u l 2 6 8 明火中的四种标准实验火产生c c h 体积浓度变化情况 日宝v雠瑷8 中国科学技术大学硕士学位论文 图2 2 给出t u l 2 6 8 标准火实验测得的c 0 2 的生成量随时间变化的情况【1 4 】， 不同可燃物生成的c 0 2 浓度随时间的变化有所差别，但均在短时间内上升到了一 定的数量。 2 0 0 2 年，n e b i k c rp w 和p l e i s c hr e 给出了欧洲e n 5 4 标准火t f 2 ( 木材热解火) 发展过程中c 0 2 、c o 和c h 4 的体积浓度随时间的变化情况f 1 5 1 。如图2 3 所示，可 见木材热解火的主要气体成分含有c 0 2 、c o 和c h 4 等三种气体。 图2 3t f 2 中三种气体浓度随时同的变化 由以上数据表明，几乎所有火灾都会产生c 0 2 、c o 和c 地等气体，大多数 火灾，尤其阴燃火的c o 浓度均超过正常大气中甚至是c o 浓度较高场所的含量。 而少数几类明火如酒精火的c o 浓度上升稍慢，但c 0 2 浓度较高且上升速率较快。 所以将c o 气体传感引入火灾探测器可以大大提高火灾探测早期响应性能，为了 进一步完善探测器的应用普适性能，可以考虑c 0 2 、c o 、c h 4 的复合探测。 2 2 系统设计原理 三组分火灾气体探测系统的基本原理，是依据各种气体分子都具有特定的 红外吸收波长及l a m b e r t - b e e r 红外吸收定律，由气体对某一特征吸收波长处的 红外吸收强度，确定被测气体的浓度并进行分析处理。 当采样气体进入气体探测室，各种成分的气体分别吸收红外光源发射的特 定波长的红外光，再经过每个探测器的窄带滤光片由红外探测器接收到响应波 长的红外光强的变化，转换输出为电信号，微弱电信号经过滤波及放大处理， 中国科学技术大学硕士学位论文 经由数据采集卡送入工控机进行数据分析处理得到待测气体中所含的c o 、c 0 2 和c h 4 的浓度。并可在这基础上，对在线实时采集到的火灾气体浓度数据作进 一步的分析处理，如建立人工神经网络火灾辨识模型阎，分析判定非火灾状态、 阴燃、明火等火灾状态，若是火灾状态时进行声光报警。 一。气体的红外吸收定律 在特征红外吸收波长的位置，气体对红外线的吸收关系遵循l a m b e r t b e e r 定律。当一束光强为矗( 红外辐射功率为垂o ) 的平行红外线入射到气体介质时， 由于气体介质的选择性红外吸收，其出射光的光强衰减为i ( 红外辐射功率为 中) ；设气体介质的厚度为z ，取一个薄层气体介质对红外线的吸收，设薄层的 厚度为讲，能吸收光能的气体介质浓度为c ，进入该薄层的光强为j 。实践证明， 薄层内的气体介质对光能的吸收量与入射光的光强，、薄层中的能吸收光能的物 质的分子数c w 成正比1 1 6 1 ，即巩县中吸收的光能量为； d = - i a a w ( 2 - 2 ) 式中肛为常数，即为气体介质对红外光能的吸收系数。“一”号表示红外 光能量是衰减的。而d n 满足下式： d n = c d l ( 2 3 ) 所以，整理可得到： a t 7 1 = - 1 2 c d l ( 2 4 ) 取积分限为厶寸i ，0 _ ，对上式进行积分，可得到下式： i = 厶e x p ( 一a c t ) ( 2 - 5 ) 其中：，一红外线被气体吸收后的光强； 厶一红外线被气体吸收前的光强； t 一气体的吸收系数； c 一气体的浓度： ，一红外线通过气室的长度； 对公式进行变换，得到： c = 0 ) l n i o l 】 ( 2 6 ) 当气体的种类及红外特征吸收峰处的波长一定时，t 也就确定了：当气室 长度卜一定时，从公式2 2 7 可以看出，的大小仅与气体浓度有关，测出，的大小 就可以得到气体的浓度c 。 二c o c o d c i - h 的特征红外吸收波长 中国科学技术大学硕士学位论文 l d 0 名 * 瑕o 6 o 4 0 2 0 d 图2 4c o 对红外线的吸收谱图 一。v 4 0 4 2 4 8 0 图2 5c 0 2 对红外线的吸收谱图 i 451 6 t u n 图2 6c l 对红外线的吸收谱图 - 1 0 中国科学技术大学硕士学位论文 非对称多原子分子气体( 如c o 、c 0 2 、c h 4 、h 2 0 、n i 3 、n o 、s 0 2 等) ， 在红外波段均有特征吸收峰。当红外辐射通过被测气体时，气体分子就会对红 外辐射进行选择性吸收，也就是说气体分子只吸收固定特征波长的红外辐射。 如图2 4 、2 5 、2 6 所示【1 7 】，c o 、c 0 2 、c 巩的特征吸收波长分别取为4 5 4 胛、 4 2 6 朋、3 3 0 朋。 三气体浓度计算模型 火灾探测的标示性气体c o 、c 0 2 和c h 4 浓度的测量如果采用空间四光束的 测量方法，即有测量c o 、c 0 2 和c h 4 浓度的三个测量通道和一个参比通道。参 比通道的热释电红外探测器的中一i ) , - v 作波长选用4 t t m ，用以监测红外光源的稳 定性或者外界偶然因素的影响，气体浓度的计算中考虑这些因素导致的偏差。 当红外辐射垂直射入某一定浓度的选择性吸收气体界面，有唧l ： i = ( 1 ，r ) a 巩 ( 2 - 7 ) 式中4 为红外辐射面积，j 为红外辐射光强，中为红外辐射功率。可见， 在同一光路系统中，因为4 。相同，则有： i | l o = 口 中o 2 焉) 式中厶为选择性吸收气体浓度为零时的红外辐射光强，蛾为对应的红外辐 射功率。针对特定的热释电红外探测器输出电压计算公式，得到： 驯毋= 雳戮。 ( 2 - 9 ) 式中【，为光路系统中含有一定浓度选择性吸收气体时热释电红外探测器输 出电压。由式2 8 和式2 9 可得： i i i o i i u u o ( 2 1 1 0 ) 本章璨入探讨了火灾产生的气体成分，并在此基础上，选择了c 0 2 、c o 与 c i - 1 4 作为早期火灾探测的火灾标识性气体，并分析了其合理性与优越性。然后 从气体的红外吸收定律、气体特征红外吸收波长及气体浓度计算模型等方面介 绍了三组分火灾气体在线探测系统的设计原理。 中国科学技术大学硕士学位论文 第三章硬件设计与实现 三组分火灾气体在线探测系统主要由主抽气管路、采样抽气管路、红外光 源、红外探测器、压力传感器、信号调理与锁相放大电路、八通道数据采集卡、 u s b 通讯模块、嵌入式工控计算机系统等部分组成。系统的组成框图如下所示。 3 1 抽气管路系统设计 图3 1 系统组成框图 抽气管路系统包括主抽气管道与采样抽气管道。主抽气管道从火灾现场抽 入大流量的混合气体，由排气口排出。相比于工作在被动方式下的普通气体探 钡8 器，主动抽气式探测技术，可大大提高火灾探测的早期性与可靠性。采样抽 气管道则是从主抽气管道中进行小流量采样，送入探测室之后又返回至主抽气 管道。这样的设计，相比于将探测室直接放置于大流量的主抽气管道中，可保 证气体探测的准确性，方便于进行探测系统的浓度标定，并可使得探测系统的 工作环境与标定环境保持一致。 抽气管路系统结构如图3 2 所示。 中国科学挂术大学硕士学位论文 主帕量连岣t 趱) ， 争 o _ tr 口口 皿。 t 3 - t t 进砖趣 奎 毒 奎 傩【过露童2 i 了 虱一n涮皇 滞一瞬 一l虱一矽i 掣 l 图3 2 抽气管路系统结构图 一主抽气管道 主抽气管道由进气室、进气过滤室、主抽气泵、排气过滤室、排气管组成。 主抽气泵从现场抽入气体，经过滤，送入排气管，然后排出机外。为了避免水 气、灰尘对红外光的吸收，减小交叉干扰，在主抽气泵的两侧分别设计了可灵 活拆卸的过滤网，分别称作进气过滤网和排气过滤网。在进气过滤网两侧和排 气过滤网两侧分别装有压力传感器，以此判断气路的工作状态。进气与排气过 滤网及压力传感器的布置示意图如图3 3 所示。 中国科学技术大学硕士学位论文 图3 3 主抽气管道中过滤网及压力传感器的布置 二采样抽气管道 采样抽气管道由采样抽气泵、红外探测室和软管组成。采样抽气管道管径 较小，能够保证浓度检测具有较快的响应速度和较高的测量精度。气体探测室 两端安装有密封的红外透光片，这使得在保证气路封闭的情况下光路的衰减非 常小。为降低探测器管壁的吸收，内壁作镀金处理。 3 2 红外光源、红外探测器及压力传感器 一红外光源 圜 - 1 、 、 ：n 。 - - 1 i j i 心 _ 1 0 调制频率( 1 h ) t o o 图3 4 红外光源调制深度与调制频率的关系 i 咖 鹤聪嘉$ 中国科学技术大学硕士学位论文 采用德国进口的广谱快速电调制红外光源，其辐射波长范围为2 2 0 弘朋， 所以能够在火灾标示性气体c 0 2 、c o 和c h 4 的特征红外吸收波长4 6 5 口m 、4 2 4 “m 和3 3i lm 处获得很强的峰值辐射功率。该红外光源采用电调制，省却了传 统红外光源所需的机械调制盘及所需的驱动装置，可靠性和效率得到了提高。 图3 4 所示的是红外光源调制深度与调制频率的关系，可见当调制频率为 $ h z 时，该红外光源的调制深度能达到1 0 0 。 该红外光源功耗低、体积小、使用寿命长。其主要重要参数如表3 1 所示。 表3 。l 红外光源的主要参数表 i r 一5 5n o m i n a lp a r a m e t e r s = ( m e a s u r e da t5h zf r e q u e n c y 5 0 d u t yc y c l e ) v o l t a g e 6 av o l t s ( a co r d c ) t e m p e r a t u r e 7 5 0 9 c r e s i s t a n c ei nt h eh o ts t a t e5 0 0 h m s c u r r e n t 1 3 5m i l l i a m p s i n p u tp o w e r 0 9w a t t s c o o l i n gt i m ec o n s t a n t 11 5m i l l i s e c o n d s h e a t i n gt i m ec o n s t a n t 3 5m i l l i s e c o n d s m o d u l a t i o nd e p t h5 0 a t1 1 0h z 2 5 d u t yc y c l e a c t i v ea r e a1 5 m m x1 。5 m m l i f e 3 + y e a r sa t7 5 0 。ct y p i c a l 调制控制信号 图3 5 红外光源的调制与供电框图 红外光源常用的供电形式有恒压供电和恒流供电，恒压供电时红外光源输 出不稳定，效果较差。因此采用了精密恒流源给红外光源供电，通过电子开关 给红外光源发送调制信号，实现对红外光源的电调制。红外光源的调制和供电 框图如图3 5 所示，调制控制信号加在电子开关的控制极上，当调制控制信号大 予导通控制电压，电子开关立即导通，红外光源工作，恒流源给红外光源供电； 当调制控制信号小于导通电压时，红外光源截止。由此产生了红外光源的方波 调制信号。 中国科学技术大学硕士学位论文 本文所述系统采用恒流调制红外光源作为发射光。由于工作在恒流状态， 因此发射光强非常稳定，且可靠性高。由m 0 s f e t 实现无触点电调制，其驱动 信号3 2 ，7 5 6 h z 晶体振荡器经2 1 2 分频而得8 i - i z 标准方波，频率稳定性极高。 二红外探测器 采用p e r k l p _ e l m e r 公司生产的h e i m a n nt p s4 3 3 9 型四元( 四通道) 热电堆 探测器作为红外检测单元。t p s4 3 3 9 型红外探测器的四个独立热电堆具有不同 的红外吸收波长，同样适用于测量三组分气体浓度。该红外探测器热电堆的输 出电压频率关系如图3 6 所示。 、 i o u a dt p s4 ：3 3 0 1 3d 日1 w i 、 、 11 0d o f n q ue n 斜l nh z 图3 6 热电堆的输出b o d e 图 由于是热电堆探测器，因此直流响应最大。所以，光源的调制频率不能太 高，选8 h z 较为合适。 t p s4 3 3 9 型四元热电堆探测器的第2 、3 、4 号通道分别作为c o 、c 1 - 1 4 、c 0 2 气体浓度的信号通道，第1 号通道用作参考通道。引入参考通道的目的是消除 各种偶然因素带来的干扰，提高测量的精度。 w a v e l e n g t hi nm 图3 7t p s 4 3 3 9 探测器滤光片的通频特性图 曲 柏 ” o 晕ui薯吾藿6is素趸 中国科学技术大学硕士学位论文 四个通道分别配备参数为4 0 1 u n 9 0 n m ，4 6 4 阻n l a o n m ，3 4 p r a 1 8 0 n m ， 4 2 6 9 m 1 8 0 m n 的窄带干涉滤光片，组成窄带干涉滤光片阵列。选用精密的窄带 干涉滤光片，可以避免多种气体成分之间的相互干扰。探测器滤光片的通频特 性图如图3 7 所示。其中g 2 0 、g 1 、( 3 5 、( 3 2 分别表示参考通道、c o 、c i - h 、 0 0 2 信号通道使用的滤光片。 三压力传感器 系统中布置4 个高灵敏的压力传感器，通过比较压力传感器与大气压的差 值及相邻压力传感器的压差值，可监测气体采样管路和排气口是否存在堵塞、 泄漏的情况，同时可监测滤网堵塞和抽气泵停转等故障。若监测到故障现象则 由探测系统应用软件自动给出声光报警。 采用华天公司的c y x 2 4 系列压力传感器。其采用进口高精度、高稳定性 力敏芯片，经严格精密的激光调阻温度补偿而制成，可对极低的压力可以进行 精确测量。零点和满量程的温度补偿使得在不损失精度的条件下提高了产品的 性能。该产品具有非常好的稳定性、线性及动态响应特性，其主要技术参数如 表3 2 所示。 表3 2c y x 压力传感器技术参数 k p a0 r 1 0 0 1 0 0 0 量程 k 口a0 2 2 0 压力形式表压、差压 参数范围最小典型最大 满量程输出( n l v ) 45 07 5 零位( r n v )- 2 o0 22 0 非线性迟滞重复性( f s ) 30 0 20 3 零点温度漂移( f s c ) - 0 0 2 4 0 0 0 2 o 0 3 满量程温度漂移( f s c )- 0 0 1 2o 0 0 2o 0 2 输入阻抗( k 力) 2 03 o4 5 输出阻抗( k 1 2 )2 53 54 0 补偿温度( ) o + 7 0 工作温度( )4 0 + 8 5 储存温度( ) 5 5 + 1 2 5 工作电压( v )5 ( 1 5 m a ) 过载能力( )3 0 0 破碎能力( ) 5 0 0 中国科学技术大学硕士学位论文 响应时间( 1 0 9 0 ) i l l s 1 测量介质气体 膜片材料氟硅凝胶 壳体材料a b s 塑料 接口 中4 8 3 3 信号调理及锁相放大电路设计 实际测量一个被测信号时，无用的噪声和干扰总是伴随出现，影响了被测 量的精确度和灵敏度。特别是在检测微弱信号时，噪声功率有时超过待测信号 的功率，必须采用专用的微弱信号检测电路，提高信噪比，提取和恢复淹没在 噪声中的有用信号。锁相放大电路就是采用互相干检测技术的专用于检测微弱 信号的电路 1 8 l 。锁相放大电路分为三个部分：信号通道、参考通道、相关器。 其基本原理框图如图3 8 所示。 图3 8 锁相放大电路的基本原理框图 信号通道 信号通道位于相关器之前，包括前置放大电路、有源滤波器、 路组成，其作用是把微弱信号放大到足以推动相关器工作的电平， 和滤掉部分干扰和噪声，扩大锁相放大电路的动态范围。 仪用放大电 并兼有抑制 信号通道应具有低噪声和高增益的性能【3 7 】。前置放大电路是锁相放大电路 的第一级，由于被测信号是微伏级、甚至更小的微弱信号，所以要求前置放大 器必须具备低噪声的特点。否则，将由于前置放大电路本身的噪声使有用信号 淹没的更深。在测量中，对于不同测量要采用不同的传感器，不同传感器的输 出阻抗是不一样的，对前置放大电路表现为不同的信号源内阻。为了得到最佳 噪声性能，必须使前置放大电路工作在最佳信号源内阻的条件下。这样就要根 据传感器的输出阻抗，设计出不同最佳信号源内阻的前置放大电路，使噪声性 中国科学技术大学硕士学位论文 能最佳。此外，还应该考虑前置放大电路具有足够的放大倍数，较强的共模抑 制比，较大的动态范围。 信号通道中的滤波器采用有源滤波，有时为了防止与相关器中的低通滤波 器混淆，也称为相关器前的有源滤波器。该滤波器可以根据噪声和干扰的不同 类型采用带通、高通、低通或带阻等不同形式。该有源滤波器通常也具有放大 能力，如果该滤波器的放大倍数还不够，就要在相关器前在增加诸如仪用放大 电路等对信号放大。 二参考通道 锁相放大电路是基于互相关检测的原理，因此，除了接收被测信号外，还 需要一个参考信号送到乘法器中。参考通道是锁相放大电路不可缺少的一个组 成部分，作用是产生与被测信号同步的参考信号传递给相关器。通常参考通道 输出的是与测量信号同步的正弦波或者对称方波，用来驱动相关器。参考通道 主要由参考信号产生电路和相移电路组成。参考信号产生电路包括触发电路、 分频电路和带通滤波三部分，触发电路将各种波形的信号变换成同步脉冲，然 后触发下一级电路。触发电路通常要求适应较宽的触发电平和很宽的工作频率 范围。分频电路的功能是将触发器输出的脉冲信号分频，使参考通道输出与测 量信号同步的方波。生成的方波一方面输出去控制红外光源的调制，另一方面 由带通滤波电路转化为同频率的正弦波，作为参考信号。 相移电路是参考通道的主要部件。其功能是改变参考通道输出的正弦波或 者方波的相位，要求在3 6 0 。范围内可调。大部分锁相放大电路的相移电路由一 个0 。1 0 0 。连续可调的相移电路和相移量按级( 如9 0 。，1 8 0 。，2 7 0 。) 跳 变的固定相移电路组成。 三相关器 相关器是实现求参考信号和被测信号两者互相关函数的电子线路，是锁相 放大电路的核心电路，包括乘法器和积分器两部分。通常相关器中不采用模拟 乘法器，而是采用线性好、动态范围大、电路简单的开关乘法器。 图3 9 相关器的原理图 中国科学技术大学硕士学位论文 采用互相关检测大大压缩了等效噪声带宽，极大地提高了等效的q 值，从而 使信噪比提高了好几个数量级。相关器原理图如图3 9 所示。 四锁相放大电路实现 探测器输出信号非常微弱，必须采用锁相放大电路对信号进行放大。这样， 可以把探测器输出的微弱信号从背景噪声中解调、相关处理后放大。 。譬孑c i i 乎。丐麓砰。鼍舞砰 嘶 弧+ o t t l b - 一 c 暇 c t m , - 魁b 琵l 4 图3 1 0a d 6 3 0 内部结构图 a d 6 3 0 是a n a l o gd e v i c e 公司一款高性能锁相放大电路。内部包括平衡调制 及解调、同步检波、锁定放大和方波乘法器，为保证精度，还设有内部高精度 电阻。其内部框图如图3 1 0 所示。 图3 1 1a d 6 3 0 构成的锁相放大电路 嘲撂 一机 唧一一嘛 中国科学技术大学硕士学位论文 本文采用a d 6 3 0 构成锁相放大电路，对r e f c o c h d c 0 2 四路光强信号进 行放大，如图3 1 1 。被测信号s i g n a l 和同步脉冲c l k 同时输入至芯片内部乘 法器，经相关分析送往二阶b u t t e r w o r t h 低通滤波器，输出稳定的直流信号。 由于锁相放大器能够使非特征谐波噪声得到有效抑制，因此其输入端未作 带通滤波。这样可以避免滤波器中