專利名稱：一種火場多參量激光波長調(diào)制光譜檢測方法和裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于火災監(jiān)測技術領域，特別是涉及激光吸收氣體分析檢測方法及其裝置。
背景技術：
火場多參量包括火場氧濃度、多種毒性氣體濃度和煙霧濃度，是影響火災中人員逃生 和實施救援的重要因素。在氣體的分析檢測方法中，目前常見的檢測方法主要有以下幾種 利用電極和電解液對氣體進行檢測的電化學法；利用半導體氣體器件檢測的電氣方法；利 用氣體對光的折射率或光吸收等特性來檢測氣體的光學法等。這些方法各有適用領域，但 受探測機理的局限，電化學法和電氣方法存在傳感器壽命短、易"中毒"、交叉干擾嚴重、 響應時間長等缺陷，無法滿足火場多參量檢測所要求的多組分同時檢測以及強的氣體選擇 性?，F(xiàn)有的基于光學方法的檢測設備具有靈敏度高，氣體選擇性強等優(yōu)點，但在實際使用 中仍存在以下缺陷
① 傅立葉變換紅外光譜法(FTIR)，可以在很寬的紅外波段，對氣體濃度進行測量分 析，雖然該方法靈敏度高，能實現(xiàn)多種毒性氣體同時分析、測量，但需要采用分光元件和 掃描方式，并且需要對氣體進行取樣，只能在實驗室進行氣體測量分析，無法實現(xiàn)對火災 現(xiàn)場的氣體產(chǎn)物進行在線實時檢測。
② 現(xiàn)有的光學方法，氣體檢測設備光路較為脆弱，易受環(huán)境干擾影響，更難以實現(xiàn)同 時對煙霧濃度的監(jiān)測。
③ 現(xiàn)有的氣體監(jiān)測方法均難以做到對多組分氣體的實時在線檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種能對火場多參量進行同時在線檢測的高靈敏度的火場多參 量激光波長調(diào)制光譜檢測方法與裝置，以克服現(xiàn)有技術的上述缺陷，實現(xiàn)火災煙氣中多組 分氣體的在線實時檢測，為火災救援工作提供科學的參考依據(jù)。
本發(fā)明的技術解決方案是
一種火場多參量激光波長調(diào)制光譜檢測方法，其特征在于設立多只激光器，其中心 波長分別對應火場多參量中待檢測氣體的吸收線；多路激光控制器對各只激光器分別產(chǎn)生 幅度和頻率可調(diào)的低頻鋸齒掃描電流，按照分時復用的時序實現(xiàn)其激光波長掃描；同時，產(chǎn)生正弦調(diào)制電流，按照分時復用的時序實現(xiàn)其激光波長調(diào)制；提供分時復用的時序同歩 信號給數(shù)據(jù)采集卡；并提供正弦調(diào)制電流基頻/參考信號和倍頻2/參考信號給鎖相放大模 塊；各只激光器輸出的激光依次輸出，送入充有火災煙氣產(chǎn)物的懷特池中，經(jīng)懷特池多次 反射和吸收的出射激光由光電探測器接收，光電探測器的輸出信號分別送入兩只鎖相放大 模塊，對輸出信號中的基頻分量和二次諧波分量進行選頻放大，分別送入多路數(shù)據(jù)采集卡 進行A/D轉換，微型電子計算機對采集到的各路激光的基頻分量和二次諧波分量進行實時 數(shù)據(jù)處理，得到待測火災煙氣產(chǎn)物中的各種氣體濃度和煙霧濃度。
所述的火場多參量激光波長調(diào)制光譜檢測方法，其特征在于所述的各只激光器輸出的 激光通過合波器合用一路光纖依次輸出，經(jīng)過光纖準直器準直后送入到懷特池中。
所述的火場多參量激光波長調(diào)制光譜檢測方法，其特征在于所述的激光器共有四只， 采用DFB半導體激光器，其中心波長分別對應C02、 CO、 HCN和02的吸收線；所述的光 電探測器為選用InGaAs光電二極管作為接收器件，其光譜響應范圍為900 1700"w。
所述的火場多參量激光波長調(diào)制光譜檢測方法，其特征在于所述的多路激光控制器控 制各激光器的工作溫度。
所述的火場多參量激光波長調(diào)制光譜檢測方法，其特征在于所述的懷特池的進氣口安 裝有煙氣預處理裝置，出氣口安裝有抽氣泵，抽氣泵工作，將環(huán)境中的火災煙氣經(jīng)煙氣預 處理裝置處理后抽進懷特池中。
一種火場多參量激光波長調(diào)制光譜檢測裝置，包括有激光器，多路激光控制器，懷特 池，光電探測器，鎖相放大模塊，多路數(shù)據(jù)采集卡，微型電子計算機，其特征在于所述 的激光器有多只，各激光器均外接多路激光控制器以控制其工作電流與溫度，所述的激光 器的出射激光通過光纖分別接入合波器，合波器的輸出光纖與懷特池的入光口間接有光纖
準直器，懷特池的進氣口安裝有煙氣預處理裝置，出氣口安裝有抽氣泵；所述的懷特池的 出光口處安裝有光電探測器，光電探測器的輸出信號分成二路接入二只鎖相放大模塊，二 只鎖相放大模塊的輸出信號經(jīng)過多路數(shù)據(jù)采集卡送到微型電子計算機；所述的多路激光控 制器與鎖相放大模塊和多路數(shù)據(jù)采集卡之間連接有信號線實現(xiàn)信號傳輸。
所述的一種火場多參量激光波長調(diào)制光譜檢測裝置，其特征在于所述的激光器共有四
只，采用DFB半導體激光器，其中心波長分別對應C02、 CO、 HCN和02的吸收線；所述 的光電探測器為選用InGaAs光電二極管作為接收器件，其光譜響應范圍為900~1700"m。 所述的煙氣預處理裝置為外購，其具有除去煙氣中水分、較大顆粒物、降低煙氣溫度的功能。
本發(fā)明采用一臺多路激光控制器、多只激光器、 一只合波器、 一只光纖準直器、 一個 懷特池、 一只光電探測器、兩只鎖相放大模塊、 一塊多路數(shù)據(jù)采集卡、 一臺微型電子計算 機及煙氣預處理裝置、抽氣泵和懷特池進出口管路，構成激光波長調(diào)制光譜火場多參量檢
測裝置。
本發(fā)明中，多路激光控制器主要實現(xiàn)以下功能(1)產(chǎn)生幅度和頻率可調(diào)的低頻鋸齒掃 描電流，實現(xiàn)激光波長掃描；(2)產(chǎn)生正弦調(diào)制電流，實現(xiàn)激光波長調(diào)制，并提供基頻(/) 參考信號和倍頻(2/)參考信號給鎖相放大模塊；(3)控制各激光器的工作溫度；(4)控制 多只激光器檢測通道的工作時序，實現(xiàn)多激光器分時復用，并提供分時時序同步信號給多 路數(shù)據(jù)采集卡。本發(fā)明中使用的多只激光器，其中心波長分別對應火場多參量中待檢測氣 體的吸收線；激光器采用DFB半導體激光器，其突出優(yōu)點為波長調(diào)諧速度很快而且輸出譜 線很窄(<50MHz)，單色性好。合波器將多路激光器輸出的激光合用一束光纖依次傳輸， 經(jīng)安裝在懷特池光路前端的光纖準直器準直后送入懷特池中。
本發(fā)明火災煙氣的測量原理
根據(jù)Lambert-Beer定律，當一束光強為/fl的輸入平行光入射到待測氣體中時，光通過 氣體發(fā)生衰減，輸出光強/W與輸入光強/。(/)和氣體濃度之間的關系為
<formula>formula see original document page 6</formula>] (1)
式中"(V)為氣體吸收系數(shù)，即氣體在一定頻率V處的吸收線型；丄是吸收路徑的長度； C是待測氣體的濃度。
系統(tǒng)對半導體激光器的直流驅動電流上附加一個緩慢變化的鋸齒波周期掃頻電流和一 個幅度較小的正弦調(diào)制電流，光源的頻率和輸出光強也受到相應調(diào)制<formula>formula see original document page 6</formula> (2) 式中，v。為光源未經(jīng)調(diào)制時的中心頻率；^ 為頻率的調(diào)制幅度；；/為光強調(diào)制系數(shù)；
w = 2<， Z為電流調(diào)制頻率。將(2)式和(3)式代入(1)式，則有
<formula>formula see original document page 6</formula>] (4)
在近紅外波段，氣體吸收系數(shù)很小，滿足"0)<^:<<1 ,光源的調(diào)制幅度也很小，即這樣(4)式可近似為
<formula>formula see original document page 7</formula> 由于實驗是在大氣壓下進行，吸收線型可以用Loretitz線型來描述:
<formula>formula see original document page 7</formula>
式中ct。表示純氣體在吸收線中心的吸收系數(shù)；、,和5i/分別對應吸收的中心頻率和吸收
線半寬。于是當光源輸出屮心波長被精確鎖定在氣體吸收峰上，即^=、時，將(6)式代 入(5)式，并展開為傅立葉級數(shù)序列，得到基頻分量和二次諧波分量的系數(shù)分別為
<formula>formula see original document page 7</formula>由此可見，二次諧波和一次諧波的比值不含/0項，這樣用其作為系統(tǒng)的輸出可以消除 光源波動等因素帶來的干擾。(9)式中，除待測氣體濃度C，其他參數(shù)均為常量，系統(tǒng)輸 出與氣體濃度成正比關系。通過標準氣標定，可以獲得待測氣體的濃度。
當激光在懷特池中傳播時，除了被待測氣體吸收外，還受到煙粒子的吸收或散射作用 或這兩者的共同(消光)作用，正常接收平行光的光電接收器上接收的輻射能通量將減弱。 按照國家標準GB4715規(guī)定，本發(fā)明測得減光系數(shù)，以表示煙霧濃度，減光系數(shù)用下式表
<formula>formula see original document page 7</formula>式中，m為減光系數(shù)，單位為dB/m; d為試驗煙的光學測量長度；A為無煙時接收的 輻射功率尸為有煙時接收的輻射功率。按照(7)式計算結果，分別測量有煙時接收的基頻分量//和無煙時接收的基頻分量以f代替^代入(10)式可以獲得減光系數(shù)，以
表征煙霧濃度。
經(jīng)過研究發(fā)現(xiàn)，火場多參量中的氣體組分對激光光強衰減很弱，相對于火災煙霧造成 的光強衰減可以忽略，對減光系數(shù)的測量影響很小；而火災煙霧也不會產(chǎn)生高頻分量，影 響氣體組分濃度的檢測。因此本系統(tǒng)可以對多種氣體組分和火災煙霧進行同時檢測，而不
會產(chǎn)生交叉干擾。
本發(fā)明使用的4只DFB半導體激光器的中心波長分別對應02和其他3種待檢測氣體 的吸收線，實施中只需更換不同波長的激光器就可實現(xiàn)對不同氣體的檢測，具有很好的氣 體選擇性。
本發(fā)明采用激光波長調(diào)制光譜方法，提出一種全新的能夠同時在線檢測火場氧濃度， 多種毒性氣體濃度和煙霧濃度的火場多參量監(jiān)測方法和裝置。由于采用了 4只DFB半導體 激光器，其波長調(diào)諧速度快，輸出譜線很窄，可以準確地將輸出波長調(diào)諧在待測氣體吸收 峰上，并有效消除組分間的干擾；多路激光控制器按照分時復用方式驅動4只激光器，能 夠實現(xiàn)對4種氣體組分同時檢測；采用合適的算法和數(shù)據(jù)處理方法，利用系統(tǒng)光路對煙霧 的消光系數(shù)進行了測量，實現(xiàn)了火場多參量的實時同時檢測。本發(fā)明能從根本上解決傳統(tǒng) 的探測方法存在的缺陷，具有實時性、多組分、高靈敏度、強的氣體選擇性、可靠性高、 抗環(huán)境干擾能力強等優(yōu)點，適用于各種環(huán)境場所的火場多參量在線檢測。
本發(fā)明的推廣應用將推動我國火災探測技術的發(fā)展，實現(xiàn)對火場多參量的實時在線監(jiān)測。


附圖1為本發(fā)明火場多參量激光波長調(diào)制光譜檢測裝置的系統(tǒng)構成示意圖。
附圖2為多路激光控制器結構示意圖。 附圖3為懷特池多次反射原理示意圖。 附圖4為本發(fā)明的數(shù)據(jù)實時分析處理流程圖。
具體實施例方式
實施例1
本實施例火場多參量激光波長調(diào)制光譜檢測裝置，由一臺多路激光控制器1、四只DFB激光器12、 一只合波器2、 一只光纖準直器3、 一個懷特池4、 一只光電探測器5、兩只鎖 相放大模塊6、 一塊多路數(shù)據(jù)采集卡7、 一臺微型電子計算機8及煙氣預處理裝置9、抽氣 泵10和進出口管路11等組成。煙氣預處理裝置9將監(jiān)測現(xiàn)場的煙氣送入懷特池4的進氣 口，另一端的出氣口與抽氣泵IO連接；光纖準直器3安裝在懷特池光路入口處，光電探測 器5安裝在懷特池光路出口處，其輸出信號分成兩路，同時送入兩只鎖相放大模塊6;多路 數(shù)據(jù)采集卡7插在微型電子計算機8的主板上，兩只鎖相放大模塊的信號輸出端與數(shù)據(jù)采 集卡的模擬輸入口相連。
為提高光電探測的靈敏度，采用懷特池來提高光程。本實施例中所使用的懷特池4利 用球面反射鏡成像原理制成，懷特池4主要由一塊主鏡和兩塊次鏡組成，主鏡和次鏡的曲 率半徑一致，主鏡和次鏡之間的中心間隔和曲率半徑相等，這樣主次鏡之間就形成了共焦
腔，光束在主次鏡之間來回反射。懷特池多次反射原理圖如附圖3所示。
本實施例中采用4只DFB激光器，中心波長分別為1609.0wm、 1567.133ww、 1537.965"w 和1273.(km，分別對應C02、 CO、 HCN和02的吸收線；多路激光控制器按分時復用工作 方式驅動4只DFB激光器12,對其進行波長掃描和波長調(diào)制，并負責(1)向多路數(shù)據(jù)采 集卡7提供波長掃描的分時時序同步信號13，保證數(shù)據(jù)采集的同歩，(2)向鎖相放大模塊 6提供正弦波長調(diào)制的基頻/和倍頻2/參考信號14。合波器將4路激光器12輸出的激光合 為一束，采用光纖傳輸，經(jīng)安裝在懷特池4光路前端的光纖準直器3準直后送入懷特池中。 光電探測器5選用InGaAs光電二極管作為接收器件，其光譜響應范圍為900~1700"m。
工作時，監(jiān)測現(xiàn)場的煙氣經(jīng)煙氣預處理裝置9處理后，由抽氣泵IO通過進氣口吸入懷 特池4中由多路激光控制器1驅動4只DFB激光器12發(fā)光，經(jīng)合波器2和光纖準直器3 送入懷特池，激光在懷特池4中經(jīng)多次反射和吸收衰減后，出射到光電探測器5上，由光 電探測器5轉換為電信號，分兩路送入兩只鎖相放大模塊6中進行選頻放大，獲得基頻(/) 分量和二次諧波(2/)分量，然后由多路數(shù)據(jù)采集卡7進行A/D轉換，轉換后的數(shù)字量送 入微型電子計算機8進行實時數(shù)據(jù)分析處理。在進行數(shù)據(jù)分析處理時，參照公式(9)，只 需事先對待測氣體濃度進行標定，獲得4種待測氣體的濃度^/々///曲線，將數(shù)據(jù)采集卡7 采集到的數(shù)據(jù)代入標定曲線即可獲得多種待測氣體濃度；參照公式(10),只需事先采集無 煙時的基頻分量，將數(shù)據(jù)采集卡7采集到的有煙基頻分量代入公式(10)，即可獲得表征煙 霧濃度的減光系數(shù)。于是就同時獲得了包含火場氧濃度、多種毒性氣體濃度和煙霧濃度的 火場多參量信息。
權利要求
1、一種火場多參量激光波長調(diào)制光譜檢測方法，其特征在于設立多只激光器，其中心波長分別對應火場多參量中待檢測氣體的吸收線；多路激光控制器對各只激光器分別產(chǎn)生幅度和頻率可調(diào)的低頻鋸齒掃描電流，按照分時復用的時序實現(xiàn)其激光波長掃描；同時，產(chǎn)生正弦調(diào)制電流，按照分時復用的時序實現(xiàn)其激光波長調(diào)制；提供分時復用的時序同步信號給數(shù)據(jù)采集卡；并提供正弦調(diào)制電流基頻f參考信號和倍頻2f參考信號給鎖相放大模塊；各只激光器輸出的激光依次輸出，送入充有火災煙氣產(chǎn)物的懷特池中，經(jīng)懷特池多次反射和吸收的出射激光由光電探測器接收，光電探測器的輸出信號分別送入兩臺鎖相放大模塊，對輸出信號中的基頻分量和二次諧波分量進行選頻放大，分別送入多路數(shù)據(jù)采集卡進行A/D轉換，微型電子計算機對采集到的各路激光的基頻分量和二次諧波分量進行實時數(shù)據(jù)處理，得到待測火災煙氣產(chǎn)物中的各種氣體濃度和煙霧濃度。
2、 根據(jù)權利要求1所述的火場多參量激光波長調(diào)制光譜檢測方法，其特征在于所述的 各只激光器輸出的激光通過合波器合用一路光纖依次輸出，經(jīng)過光纖準直器準直后送入到 懷特池中。
3、 根據(jù)權利要求1所述的火場多參量激光波長調(diào)制光譜檢測方法，其特征在于所述的 激光器共有四只，采用DFB半導體激光器，其中心波長分別對應C02、 CO、 HCN和02 的吸收線；所述的光電探測器為選用InGaAs光電二極管作為接收器件，其光譜響應范圍為 90(M700腦o
4、 根據(jù)權利要求1所述的火場多參量激光波長調(diào)制光譜檢測方法，其特征在于所述的 多路激光控制器控制各激光器的工作溫度。
5、 根據(jù)權利要求1所述的火場多參量激光波長調(diào)制光譜檢測方法，其特征在于所述的 懷特池的進氣口安裝有煙氣預處理裝置，出氣口安裝有抽氣泵，抽氣泵工作，將環(huán)境中的 火災煙氣經(jīng)煙氣預處理裝置處理后抽進懷特池中。
6、 一種火場多參量激光波長調(diào)制光譜檢測裝置，包括有激光器，多路激光控制器，懷特池，光電探測器，鎖相放大模塊，多路數(shù)據(jù)采集卡，微型電子計算機，其特征在于所述的激光器有多只，各激光器均外接多路激光控制器以控制其工作電流與溫度，所述的激 光器的出射激光通過光纖分別接入合波器，合波器的輸出光纖與懷特池的入光口間接有光纖準直器，懷特池的進氣口安裝有煙氣預處理裝置，出氣口安裝有抽氣泵；所述的懷特池 的出光口處安裝有光電探測器，光電探測器的輸出信號分成二路接入二只鎖相放大模塊， 二只鎖相放大模塊的輸出信號經(jīng)過多路數(shù)據(jù)采集卡送到微型電子計算機；所述的多路激光控制器與鎖相放大模塊和多路數(shù)據(jù)采集卡之間連接有信號線實現(xiàn)信號傳輸。
7、根據(jù)權利要求6所述的一種火場多參量激光波長調(diào)制光譜檢測裝置，其特征在于所 述的激光器共有四只，采用DFB半導體激光器，其中心波長分別對應C02、 CO、 HCN和 02的吸收線；所述的光電探測器為選用InGaAs光電二極管作為接收器件，其光譜響應范圍 為卯0 1700"m。
全文摘要
本發(fā)明公開一種火場多參量激光波長調(diào)制光譜檢測方法和裝置，火災煙氣產(chǎn)物通過煙氣預處理裝置處理后，由抽氣泵吸入懷特池，多路激光控制器按照分時復用工作方式對多只DFB激光器進行波長掃描和波長調(diào)制，合波器將各路激光合用一路光纖依次輸出，經(jīng)光纖準直器準直后送入懷特池中對火災煙氣產(chǎn)物進行探測，光電探測器將經(jīng)懷特池多次反射和吸收的激光的光強信號轉換為電信號，送入兩只鎖相放大模塊進行選頻放大獲得基頻分量和二次諧波分量，多路數(shù)據(jù)采集卡將鎖相放大器的輸出電壓信號轉變成數(shù)字信號，送入微型電子計算機進行實時數(shù)據(jù)處理，得到包含火場氧濃度、多種毒性氣體濃度和煙霧濃度的火場多參量信息。本發(fā)明能實現(xiàn)對火場多參量的實時在線監(jiān)測，具有實時性、多組分、高靈敏度、氣體選擇性強、可靠性高、抗環(huán)境干擾能力強等優(yōu)點。
文檔編號G01N21/39GK101308090SQ200810123158
公開日2008年11月19日 申請日期2008年6月9日 優(yōu)先權日2008年6月9日
發(fā)明者胡海兵, 趙崇文, 趙建華, 高明亮, 魏周君 申請人:中國科學技術大學