[發明專利]建筑火災早期特征氣體的多組分同時監測系統及方法

在審

• 申請號: 201310277956.1
• 申請日: 2013-07-03
• 公開（公告）號: CN103411919A
• 公開（公告）日: 2013-11-27
• 發明（設計）人: 王敏;朱達榮;王雅;姬敬;朱廣
• 申請（專利權）人: 安徽建筑大學
• 主分類號: G01N21/39
• 分類號: G01N21/39
• 代理公司: 安徽合肥華信知識產權代理有限公司 34112
• 代理人: 余成俊

技術領域

本發明屬于一種多種氣體同時測量的激光光譜測量方法，具體是一種建筑火災早期特征氣體的多組分同時監測系統及方法，它能同時測量四種早期火災特征氣體CO、CO2、C₂H₂和HCN的濃度。

背景技術

火災具有突發性和強破壞性，一旦發生，后果相當嚴重。它是發生最為頻繁且極具毀滅性的災害之一，其直接損失約為地震的五倍，僅次于干旱和洪澇災害，而其發生的頻度則居各種災害之首。而發生火災的損失，美國平均不到?7?年翻一番，日本平均?16?年翻一番，中國平均?12?年翻一番。近幾年，我國每年發生火災約?4?萬起，火災造成的直接經濟損失高達數十億元人民幣。根據火災發生的場所不同，火災分成建筑火災、森林火災、隧道火災、交通工具火災，在這些火災中發生次數最多、造成損失最大、與人民生命財產關系最密切、危害最廣泛的是建筑火災。

目前建筑火災防治研究已經從被動的火災撲救發展到主動的去探測預防。火災的起因和燃燒過程雖然千差萬別，但所有的火災過程本身都有一定的共性，其間會伴隨著出現燃燒氣體、煙霧、溫度、火焰等特征，火災探測技術正是借助這些特征作為火災識別的參數，盡早地自動探測到火災并發出警報，最大程度地挽救人民生命和財產。

在火災早期階段，當熱量不斷積聚達到材料的熱解臨界溫度時，材料表面處于不完全燃燒的狀態，產生大量的火災特征氣體，同時伴隨著極少量的煙霧。在這個階段，熱釋放速率比較低，環境溫度基本沒有變化，煙霧體積分數也不是很高，基于火災過程中煙霧、溫度及火焰特征的傳統火災探測較難實現報警。然而，此時的特征氣體（CO,CO₂,C₂H₂,HCN）則已經具有了比較顯著的體積分數特征，研究它們在該階段體積分數變化規律，對于早期火災探測具有重要的意義。因此，基于特征氣體的火災早期探測器能在火災的早期狀態階段進行預警和報警，與傳統火災探測相比，氣體火災探測能提前30～120分鐘探測到火災，從而贏得寶貴的時間。針對火災特征氣體的探測技術逐漸被研究人員所重視和承認，是一種有著廣闊前景的探測手段。

基于可調諧半導體激光波長調制光譜的調制頻率多路技術和自平衡探測技術提供了一種進行多種氣體同時探測的直接方法，能夠實現對氣體的高靈敏、高分辨、非接觸在線檢測。兩臺激光器分別以不同的調制頻率對激光輸出波長進行調制，兩束激光由光纖耦合器進行合束，再經過光纖分束器將其分成兩束：一束經過可調節的光纖衰減器到達自平衡探測器的參考端；一束由光纖傳輸到檢測現場的光學望遠鏡，光束由光學望遠鏡發射后經過檢測區域被角反射鏡反射沿著原光路返回，返回的光束聚焦在自平衡探測器的信號端，不需要增加額外的光程和光學裝置。通過兩路信號的差值，可以消除激光光源、光路中氣體擾動造成的光強波動對測量結果的影響。自平衡探測器輸出信號被兩臺鎖相放大器在不同的解調頻率下提取二次諧波信號，對諧波信號進行采集和處理，用來同時反演兩種氣體的濃度。利用頻分多路信號檢測技術和自平衡探測技術實現基于可調諧半導體激光吸收光譜的多組分氣體同時檢測，對于基于特征氣體的建筑火災超早期探測具有重要意義。

發明內容

本發明提出了一種建筑火災早期特征氣體的多組分同時監測系統及方法，使用光纖耦合的光通訊波段近紅外半導體激光器，將多波長的光束耦合之后，然后進行分束，采用自平衡探測技術，并結合波長調制光譜、二次諧波檢測方法、頻分多路信號檢測技術、開放式長光程實現對建筑火災早期多種特征氣體氣體組分的同時檢測。

本發明的技術方案如下：

建筑火災早期特征氣體的多組分同時監測系統，其特征在于：包括有主機箱，主機箱上設有主電源開關、開關電源，主機箱中設有兩個半導體激光器，兩個半導體激光器分別連接有一個半導體激光控制器，兩個半導體激光器共同連接一個信號發生電路，兩個半導體激光器的激光信號通過自帶的尾纖共同接入2×1光纖合束器，2×1光纖合束器連接1×2光纖分束器，1×2光纖分束器分別與輸入光纖連接器、光纖衰減器連接，輸入光纖連接器通過輸入光纖連接收發光學望遠鏡，收發光學望遠鏡的后端設有角反射鏡組，收發光學望遠鏡通過輸出光纖連接主機箱上的輸出光纖連接器，輸出光纖連接器連接校準吸收池，光纖衰減器、校準吸收池的前端激光出射口處分別設有聚焦透鏡一、聚焦透鏡二，聚焦透鏡一、聚焦透鏡二前設有平衡探測器，平衡探測器的信號輸出端連接鎖相放大器一、鎖相放大器二，鎖相放大器一、鎖相放大器二連接數據采集控制模塊，數據采集控制模塊與半導體激光控制器、信號發生電路控制連接。