CN103411919A - 建筑火灾早期特征气体的多组分同时监测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种建筑火灾早期特征气体的多组分同时监测系统及方法，采用基于可调谐半导体激光吸收光谱的调制频率多路技术实现了对火灾早期预燃阶段释放的特征气体（CO,CO₂,C₂H₂,HCN）同时探测；采用自平衡探测技术消除了激光光源、光路中气体扰动造成的光强波动对测量结果的影响，并结合波长调制技术获得高的检测灵敏度，利用基于多波长、自平衡探测和频分多路信号检测技术实现了建筑火灾早期特征气体的多组分同时检测。

Description

建筑火灾早期特征气体的多组分同时监测系统及方法

技术领域

本发明属于一种多种气体同时测量的激光光谱测量方法，具体是一种建筑火灾早期特征气体的多组分同时监测系统及方法，它能同时测量四种早期火灾特征气体CO、CO2、C₂H₂和HCN的浓度。

背景技术

火灾具有突发性和强破坏性，一旦发生，后果相当严重。它是发生最为频繁且极具毁灭性的灾害之一，其直接损失约为地震的五倍，仅次于干旱和洪涝灾害，而其发生的频度则居各种灾害之首。而发生火灾的损失，美国平均不到 7 年翻一番，日本平均 16 年翻一番，中国平均 12 年翻一番。近几年，我国每年发生火灾约 4 万起，火灾造成的直接经济损失高达数十亿元人民币。根据火灾发生的场所不同，火灾分成建筑火灾、森林火灾、隧道火灾、交通工具火灾，在这些火灾中发生次数最多、造成损失最大、与人民生命财产关系最密切、危害最广泛的是建筑火灾。

目前建筑火灾防治研究已经从被动的火灾扑救发展到主动的去探测预防。火灾的起因和燃烧过程虽然千差万别，但所有的火灾过程本身都有一定的共性，其间会伴随着出现燃烧气体、烟雾、温度、火焰等特征，火灾探测技术正是借助这些特征作为火灾识别的参数，尽早地自动探测到火灾并发出警报，最大程度地挽救人民生命和财产。

在火灾早期阶段，当热量不断积聚达到材料的热解临界温度时，材料表面处于不完全燃烧的状态，产生大量的火灾特征气体，同时伴随着极少量的烟雾。在这个阶段，热释放速率比较低，环境温度基本没有变化，烟雾体积分数也不是很高，基于火灾过程中烟雾、温度及火焰特征的传统火灾探测较难实现报警。然而，此时的特征气体（CO,CO₂,C₂H₂,HCN）则已经具有了比较显著的体积分数特征，研究它们在该阶段体积分数变化规律，对于早期火灾探测具有重要的意义。因此，基于特征气体的火灾早期探测器能在火灾的早期状态阶段进行预警和报警，与传统火灾探测相比，气体火灾探测能提前30～120分钟探测到火灾，从而赢得宝贵的时间。针对火灾特征气体的探测技术逐渐被研究人员所重视和承认，是一种有着广阔前景的探测手段。

基于可调谐半导体激光波长调制光谱的调制频率多路技术和自平衡探测技术提供了一种进行多种气体同时探测的直接方法，能够实现对气体的高灵敏、高分辨、非接触在线检测。两台激光器分别以不同的调制频率对激光输出波长进行调制，两束激光由光纤耦合器进行合束，再经过光纤分束器将其分成两束：一束经过可调节的光纤衰减器到达自平衡探测器的参考端；一束由光纤传输到检测现场的光学望远镜，光束由光学望远镜发射后经过检测区域被角反射镜反射沿着原光路返回，返回的光束聚焦在自平衡探测器的信号端，不需要增加额外的光程和光学装置。通过两路信号的差值，可以消除激光光源、光路中气体扰动造成的光强波动对测量结果的影响。自平衡探测器输出信号被两台锁相放大器在不同的解调频率下提取二次谐波信号，对谐波信号进行采集和处理，用来同时反演两种气体的浓度。利用频分多路信号检测技术和自平衡探测技术实现基于可调谐半导体激光吸收光谱的多组分气体同时检测，对于基于特征气体的建筑火灾超早期探测具有重要意义。

发明内容

本发明提出了一种建筑火灾早期特征气体的多组分同时监测系统及方法，使用光纤耦合的光通讯波段近红外半导体激光器，将多波长的光束耦合之后，然后进行分束，采用自平衡探测技术，并结合波长调制光谱、二次谐波检测方法、频分多路信号检测技术、开放式长光程实现对建筑火灾早期多种特征气体气体组分的同时检测。

本发明的技术方案如下：

建筑火灾早期特征气体的多组分同时监测系统，其特征在于：包括有主机箱，主机箱上设有主电源开关、开关电源，主机箱中设有两个半导体激光器，两个半导体激光器分别连接有一个半导体激光控制器，两个半导体激光器共同连接一个信号发生电路，两个半导体激光器的激光信号通过自带的尾纤共同接入2×1光纤合束器，2×1光纤合束器连接1×2光纤分束器，1×2光纤分束器分别与输入光纤连接器、光纤衰减器连接，输入光纤连接器通过输入光纤连接收发光学望远镜，收发光学望远镜的后端设有角反射镜组，收发光学望远镜通过输出光纤连接主机箱上的输出光纤连接器，输出光纤连接器连接校准吸收池，光纤衰减器、校准吸收池的前端激光出射口处分别设有聚焦透镜一、聚焦透镜二，聚焦透镜一、聚焦透镜二前设有平衡探测器，平衡探测器的信号输出端连接锁相放大器一、锁相放大器二，锁相放大器一、锁相放大器二连接数据采集控制模块，数据采集控制模块与半导体激光控制器、信号发生电路控制连接。

所述的建筑火灾早期特征气体的多组分同时监测系统，其特征在于：所述的两个半导体激光器分别为1570nm近红外DFB半导体激光器、1529nm近红外DFB半导体激光器，其对应的两个半导体激光控制器采用1570 nm半导体激光温度电流控制模块、1529nm半导体激光温度电流控制模块。

所述的建筑火灾早期特征气体的多组分同时监测系统，其特征在于：所述的收发光学望远镜包括有主球面镜、副球面镜、望远镜窗片，副球面镜的后端设有离轴抛物面镜，离轴抛物面镜的一侧设有输入光纤耦合器，输入光纤耦合器与输入光纤连接，主球面镜的前端设有导出光纤耦合器，导出光纤耦合器与输出光纤连接。

建筑火灾早期特征气体的多组分同时监测方法，其特征在于，包括有以下步骤：

（1）采用中心波长为1570nm的近红外DFB半导体激光器作为CO和CO₂的检测激光光源，将信号发生电路产生的频率为f₀的锯齿波信号叠加在近红外DFB半导体激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描依次通过CO和CO₂气体的吸收线，同时将信号发生电路产生的频率为f₁正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调制；

（2）采用中心波长为1529nm的近红外DFB半导体激光器作为C₂H₂和HCN的检测激光光源，将信号发生电路产生的频率为f₀的锯齿波信号叠加在近红外DFB半导体激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描依次通过C₂H₂和HCN气体的吸收线，同时将信号发生电路产生的频率为f₂正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调制；

（3）从两半导体激光器输出的激光经过2×1光纤合束器之后，在同一根单模光纤中就同时存在了两个波长的激光，再经过1×2光纤分束器将其分成两束：一束经过可调节的光纤衰减器到达平衡探测器的参考端；另外一束传输到收发光学望远镜发射，穿过测量区域后被角反射器反射回来耦合到输出光纤中，由导出光纤耦合器耦合入输出光纤传输到达一个内置的充满已知浓度的四种标准混合气体的校准吸收池，用于对检测吸收信号的实时校准；校准吸收池的输出光经过聚焦透镜二聚焦到平衡探测器的信号端，通过参考端和信号端两路信号的差值，消除激光光源、光路中气体扰动造成的光强波动对测量结果的影响；

（4）从平衡探测器输出的信号被分成两路，分别送到相应的锁相放大器一、二中，分别用2f₁和2f₂去解调，得到两个激光波长测量的四种气体吸收的二次谐波信号；把测量到的吸收谱与标准谱进行最小二乘拟合，得到与记录下的当前时间相对应时刻的气体浓度，对浓度值进行估值滤波，然后更新滤波系数，把时间与浓度对应保存并在计算机和监测仪上进行显示；

（5）重复以上步骤实现连续在线监测。

本发明的有益效果是：

本发明利用最新的近红外可调谐半导体激光吸收光谱技术、长光程吸收池技术、波长调制光谱技术、二次谐波检测技术、自平衡探测技术、频分多路信号检测技术实现对建筑火灾早期CO,CO₂,C₂H₂,HCN浓度的实时监测，采用自平衡探测技术消除了激光光源、光路中气体扰动造成的光强波动对测量结果的影响，并结合波长调制技术获得高的检测灵敏度；从技术上克服了传统点式仪器响应速度慢、易受干扰、易中毒、不能实现连续实时监测以及成本高等缺点，利用一套系统实现多种气体组分监测，降低了气体监测的系统成本，对CO,CO₂ 的检测限为50ppm.m；C₂H₂,HCN的检测限为0.5ppm.m,满足建筑火灾早期特征气体监测的需要，真正实现了对建筑火灾的高灵敏、实时在线监测。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图2是望远镜结构示意图。

图3是角反射镜组结构示意图。

具体实施方式

参见图1、图2、图3。

图中标号：1、主机箱，2、主电源开关，3、1570 nm半导体激光温度电流控制模块，4、信号发生电路，5、1529nm半导体激光温度电流控制模块，6、1570nm近红外DFB半导体激光器，7、1529nm近红外DFB半导体激光器，8、2×1光纤合束器，9、1×2光纤分束器，10、输入光纤连接器，11、光纤衰减器 ，12、 聚焦透镜一， 13、输出光纤连接器14、校准吸收池，15、聚焦透镜二，16、平衡探测器，17、锁相放大器一，18、锁相放大器二，19、数据采集控制模块，20、开关电源 21、液晶显示模块，上述所涉及的部件均是安装在主机箱1上。22、输出光纤，23输入光纤， 24、收发光学望远镜，25、角反射镜组， 26、主球面镜，27、副球面镜，28、离轴抛物面镜，29、望远镜窗片，30、输入光纤耦合器31、导出光纤耦合器。

具体实施方式

如图1、2、3，一种建筑火灾早期特征气体的多组分同时监测系统及方法，采用中心波长为1570nm的近红外DFB半导体激光器6作为CO,CO₂的检测激光光源，1570 nm半导体激光温度电流控制模块3通过控制激光温度、电流将激光器输出中心波长调谐到中心波长，信号发生电路4产生的频率为f₀的锯齿波信号叠加在激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描依次通过CO,CO₂气体的吸收线，信号发生电路4同时产生频率为f₁正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调制，采用中心波长为1529nm的近红外DFB半导体激光器7作为C₂H₂,HCN的检测激光光源，利用1529 nm半导体激光温度电流控制模块5将激光器输出中心波长调谐到中心波长，同样，信号发生电路4产生的频率为f₀的锯齿波信号叠加在激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描依次通过C₂H₂,HCN气体的吸收线，信号发生电路4同时产生频率为f₂正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调谐。激光器6与激光器7共用由信号发生电路4产生的频率为f₀波长扫描信号，但在不同正弦波频率下被调制，其中f₁和f₂不能靠得太近，而且两者不能成整数倍关系。两台激光器的尾纤输出首先通过连接法兰耦合入2×1光纤合束器8， 此时2×1光纤合束器8中尾纤输出的激光包含了上述两个波长分量，为实现多组分检测提供可能。合束后包含这两个波长分量的激光通过1×2光纤分束器9分成两束，一束经过聚焦透镜一12到达平衡探测器16的参考端，另一束与输入光纤23与外光路连接，输入光纤23连接主机箱1上的输入光纤连接器10，外光路采用的是开放式双光路设计，由卡塞格林型的收发光学望远镜24和多元件角反射镜组25组成，最大设计光程为500m，收发光学望远镜24包括有主球面镜26、副球面镜27、望远镜窗片29。激光束经过输入光纤23由输入光纤耦合器30耦合到收发光学望远镜24，耦合光束经离轴抛物面镜28扩束后以平行光出射，光束经过检测区域后被放置在光路另一端的角反射镜组25反射后沿原光路返回，反射回来的光被望远镜内的主球面镜26收集，然后由副球面镜27聚焦到导出光纤耦合器31的耦合端上，由导出光纤耦合器31耦合入输出光纤22传输回主机系统。返回光信号通过主机箱1的输出光纤连接器13，到达一个内置的充满已知浓度标准混合气体的10cm校准吸收池14，用于对检测吸收信号的实时校准。出射光经过校准吸收池14后有聚焦透镜二15聚焦到一个平衡探测器16的信号端的光敏面上。探测器信号被分为两路，分别送锁相放大器17和18进行二次谐波信号检测，锁相放大器17和18连接数据采集控制模块19，数据采集控制模块外接液晶显示模块21，从而同时解调出探测器上的CO,CO₂和C₂H₂,HCN的吸收谱线，把测量到的吸收谱与标准谱进行最小二乘拟合，得到与记录下的当前时间相对应时刻的气体浓度，对浓度值进行估值滤波，然后更新滤波系数，把时间与浓度对应保存并在计算机和监测仪上进行显示。再重复以上步骤实现连续在线监测。主机箱1上设有主电源开关2、开关电源20。

Claims (4)

1.建筑火灾早期特征气体的多组分同时监测系统，其特征在于：包括有主机箱，主机箱上设有主电源开关、开关电源，主机箱中设有两个半导体激光器，两个半导体激光器分别连接有一个半导体激光控制器，两个半导体激光器共同连接一个信号发生电路，两个半导体激光器的激光信号通过自带的尾纤共同接入2×1光纤合束器，2×1光纤合束器连接1×2光纤分束器，1×2光纤分束器分别与输入光纤连接器、光纤衰减器连接，输入光纤连接器通过输入光纤连接收发光学望远镜，收发光学望远镜的后端设有角反射镜组，收发光学望远镜通过输出光纤连接主机箱上的输出光纤连接器，输出光纤连接器连接校准吸收池，光纤衰减器、校准吸收池的前端激光出射口处分别设有聚焦透镜一、聚焦透镜二，聚焦透镜一、聚焦透镜二前设有平衡探测器，平衡探测器的信号输出端连接锁相放大器一、锁相放大器二，锁相放大器一、锁相放大器二连接数据采集控制模块，数据采集控制模块与半导体激光控制器、信号发生电路控制连接。

2.根据权利要求1所述的建筑火灾早期特征气体的多组分同时监测系统，其特征在于：所述的两个半导体激光器分别为1570nm近红外DFB半导体激光器、1529nm近红外DFB半导体激光器，其对应的两个半导体激光控制器采用1570 nm半导体激光温度电流控制模块、1529nm半导体激光温度电流控制模块。

3.根据权利要求1所述的基于激光吸收光谱的建筑火灾早期特征气体多组分同时监测系统，其特征在于：所述的收发光学望远镜包括有主球面镜、副球面镜、望远镜窗片，副球面镜的后端设有离轴抛物面镜，离轴抛物面镜的一侧设有输入光纤耦合器，输入光纤耦合器与输入光纤连接，主球面镜的前端设有导出光纤耦合器，导出光纤耦合器与输出光纤连接。

4.建筑火灾早期特征气体的多组分同时监测方法，其特征在于，包括有以下步骤：

（1）采用中心波长为1570nm的近红外DFB半导体激光器作为CO和CO₂的检测激光光源，将信号发生电路产生的频率为f₀的锯齿波信号叠加在近红外DFB半导体激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描依次通过CO和CO₂气体的吸收线，同时将信号发生电路产生的频率为f₁正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调制；

（2）采用中心波长为1529nm的近红外DFB半导体激光器作为C₂H₂和HCN的检测激光光源，将信号发生电路产生的频率为f₀的锯齿波信号叠加在近红外DFB半导体激光器的驱动电流上使激光波长缓慢扫描依次通过C₂H₂和HCN气体的吸收线，同时将信号发生电路产生的频率为f₂正弦波信号叠加在激光器的驱动电流上对激光输出波长进行调制；

（3）从两半导体激光器输出的激光经过2×1光纤合束器之后，在同一根单模光纤中就同时存在了两个波长的激光，再经过1×2光纤分束器将其分成两束：一束经过可调节的光纤衰减器到达平衡探测器的参考端；另外一束传输到收发光学望远镜发射，穿过测量区域后被角反射器反射回来耦合到输出光纤中，由导出光纤耦合器耦合入输出光纤传输到达一个内置的充满已知浓度的四种标准混合气体的校准吸收池，用于对检测吸收信号的实时校准；校准吸收池的输出光经过聚焦透镜二聚焦到平衡探测器的信号端，通过参考端和信号端两路信号的差值，消除激光光源、光路中气体扰动造成的光强波动对测量结果的影响；

（4）从平衡探测器输出的信号被分成两路，分别送到相应的锁相放大器一、二中，分别用2f₁和2f₂去解调，得到两个激光波长测量的四种气体吸收的二次谐波信号；把测量到的吸收谱与标准谱进行最小二乘拟合，得到与记录下的当前时间相对应时刻的气体浓度，对浓度值进行估值滤波，然后更新滤波系数，把时间与浓度对应保存并在计算机和监测仪上进行显示；

（5）重复以上步骤实现连续在线监测。

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