[发明专利]建筑火灾早期特征气体的多组分同时监测系统及方法

说明书

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。