光学 精密工程  2018, Vol.26 Issue (8): 1876-1881   PDF    
应用于早期火灾探测的CO传感器
党敬民1, 于海业1, 宋芳2, 王一丁2, 孙裕晶1     
1. 吉林大学 生物与农业工程学院, 吉林 长春 130022;
2. 吉林大学 电子科学与工程学院, 吉林 长春 130012
摘要: 为了实现对火灾的早期探测,设计了一种高精度、高灵敏度CO传感器。该传感器以激射波长的为2.33 μm的连续型分布反馈激光器为光源。采用波长调制光谱(WMS)技术与一次谐波量化的二次谐波检测方法相结合的研究手段,对典型环境压力下复杂、重叠的光谱吸收特征进行分离,从而实现了良好的选择性和较高的灵敏度。基于Allan Werle方差的系统长期稳定性评估分析表明,系统的检测限(LoD)为1.18 μL/L;当积分时间达到205 s时,系统能够实现0.08 μL/L的测量精度。最后,纸、棉花以及松木等容易产生阴燃的可燃物燃烧实验表明,所研制的传感器具有良好的早期火灾探测能力。
关键词: 火灾探测      一氧化碳(CO)      分布反馈激光器      波长调制光谱     
Development of a CO sensor for early fire detection
DANG Jing-min1 , YU Hai-ye1 , SONG Fang2 , WANG Yi-ding2 , SUN Yu-jing1     
1. College of Biological and Agricultural Engineering, Jilin University, Changchun 130022, China;
2. College of Electronic Science and Engineering, Jilin University, Changchun 130012, China
*Corresponding author: SUN Yu-jing, E-mail:syj@jlu.edu.cn
Abstract: A high-precision, high-sensitivity carbon monoxide (CO) sensor was developed for early fire detection. This sensor relied on a continuous wave distributed feedback (DFB) laser emitting at a wavelength of approximately 2.33 μm as an excitation source. A 2f/1f Wavelength Modulation Spectroscopy (WMS) strategy was adopted to isolate complex, overlapping spectral absorption features associated with ambient pressure and to achieve excellent specificity and high detection sensitivity. Allan-Werle deviation analysis was used to evaluate the long-term performance of the CO sensor system. A Limit of Detection (LoD) of 1.18 parts per million by volume (μL/L) was achieved with a measurement precision of 0.08 μL/L for an optimal integration time of~205 s. The early fire detection of paper, cotton, and pine wood was conducted in the field, which verified the reliable and robust operation of the developed sensor.
Key words: fire detection     carbon monoxide     Distribution Feedback (DFB) laser     Wavelength Modulation Spectroscopy (WMS)    
1 引言

尽管火灾传感器已广泛应用于工业和居住环境,火灾每年仍会造成众多人身伤亡和巨大经济损失[1]。目前,利用光散射技术探测烟雾气溶胶的火灾传感器大多存在无烟火失效、响应时间长、误报率高等缺陷[2]

近年来的研究表明,火灾燃烧过程中产生的多种气体(如CO、CO2、NO2等)可以作为火灾探测的标志[3]。CO具有的阴燃燃烧释放量高(浓度高达%量级)以及空气中存在量低(浓度低至0.1 μL/L量级)等特点,使其在火灾探测中具有不可替代的作用[4]。金属氧化物以及电化学等类型的CO传感器通常存在寿命短、需要定期校准、交叉干扰(主要是还原性气体)等问题。与这些CO传感器不同,基于激光吸收光谱的CO传感器具有结构紧凑、响应速度快、长期稳定、选择性好、灵敏度高等优点[5-6]

波长在1.5 μm附近的激光器具有成本低、线宽窄以及使用寿命长等优势[7-8],当前大多数激光CO传感器采用此波段的激光器作为光源。Chen等利用波长为1 565.5 nm的分布反馈激光器和光程为20 m的多通气体吸收池设计CO气体传感器对火灾进行检测,在温度和压强分别为300 K和15 kPa的条件下,实现了约5 μL/L的检测灵敏度[9]。Jiang等研制了一款基于1 580 nm分布反馈激光器的火灾检测系统,结合光程为100 m的多通气体吸收池,在常温常压下对CO达到了2 μL/L的检测下限[10]。Wang等利用波长范围可调(1 520~1 610 nm)的掺铒激光器,并结合光声技术,在常温常压下得到的CO噪声等效浓度为20 μL/L[3]。与工作于1.5 μm附近通信波段的激光器相比,激射波长处于2.3 μm大气窗口附近的激光器,能够匹配吸收更强的CO吸收线(通常比1.5 μm附近CO吸收线高两个数量级),而且受到H2O、CO2等空气中常见气体分子的干扰较小。在众多激光光谱技术中,基于谐波检测的波长调制光谱技术,能够分离典型环境压力下复杂、重叠的光谱吸收特征,实现良好的选择性和较高的检测灵敏度,并已广泛应用于气体检测领域[11-14]

本文将2.33 μm分布反馈激光器与波长调制光谱技术相结合,构建了一种用于早期火灾探测的CO传感器。

2 检测原理 2.1 一次谐波量化的二次谐波检测

在波长调制光谱技术中,激光器的驱动电流中介入一个由低频三角波调谐信号和高频正弦波调制信号叠加而成的混合信号。在该混合信号的一个周期内可以得到以下表达式:

(1)
(2)

其中:fTRI(t)为周期和幅度分别为TTRIATRI的三角波信号;fSIN(t)为频率、幅度和相位分别为fmAmφ(fm)的正弦波信号;v0为激光器的中心频率;vm为频率调制系数。

由朗伯比尔定律[15]可知,当一束光强为I(t)的单色光经过一氧化碳分子时,探测器信号D(t)可表示为:

(3)

其中:βγ分别为放大倍数和光电转换系数;xSL分别为CO浓度、吸收线强度和吸收路径长度;Ψ(T, P, v(t))为与频率相关的线型函数,它与温度和压强有关。在常温常压下,Ψ(T, P, v(t))通常为洛仑兹线型。

经过光电转换和前置放大后,模拟信号D(t)被转换成数字信号D(k)。然后,D(k)同时输入到两个数字正交锁相放大器以抽取一次谐波信号(WMS-1f)和二次谐波信号(WMS-2f)。对于WMS-1f,它的两个正交分量可以表示为:

(4)
(5)

其中:Ts为采样周期,Nnum为数值积分周期。进而,WMS-1f可以表示为:

(6)

同样,对于WMS-2f,它的两个正交分量可以表示为:

(7)
(8)

WMS-2f可以表示为:

(9)

这里,WMS-2f和WMS-1f通常进行除法运算以消除光源光强波动产生的影响[16]。其商值与气体浓度的关系如下:

(10)

其中:Amp[D2f(k)]和Amp[D1f(k)]分别为WMS-2f信号以及WMS-1f信号的幅值。函数F可以从系统校验过程中取得。

2.2 谱线选择

在选择气体吸收谱线时通常要考虑所用激光器的波长与目标气体是否匹配以及其它气体是否干扰等问题[16]图 1所示为CO、CH4、H2O和N2O等气体分子在2.331~ 2.334 μm波长内的吸收情况。

图 1 2.331~2.334 μm光谱内,CO、CH4、H2O和N2O等气体分子在常温常压下的模拟吸收谱线 Fig.1 Simulated detectable absorption lines of CO, CH4, H2O and N2O, etc. with concentration at room temperature and atmospheric pressure in range of 2.331 μm to 2.334 μm

图 1可知,在这个光谱范围内有两条CO吸收谱线,即R(6)和R(7), 它们都与我们使用的激光器匹配。此外还可以看出,主要干扰气体为CH4和H2O。对于位于2.331 μm处的CO的R(7)吸收谱线,CH4和H2O的影响都较为严重。比较而言,H2O对CO的R(6)吸收谱线的影响微乎其微,CH4虽然有一定影响,但是它的吸收比CO弱一个数量级。此外,实际火灾中CO的浓度要远高于图 1中的浓度[4]。综上所述,CH4、H2O和N2O等气体的影响可以忽略。最后,本文选择位于2.334 μm处的R(6)作为常温常压下检测CO浓度的最佳谱。

3 实验结果及分析

针对所设计的早期火灾传感器系统,这里分别进行了系统校验、系统稳定性测试以及早期火灾探测等实验工作。

3.1 系统校验

为了进行系统校验,本文利用体积浓度为100 μL/L的CO标准气、N2纯气,并结合Environics公司的4040配气系统,产生0-100 μL/L不同浓度的CO气体。图 2为不同浓度CO气体对应的WMS-1f信号和WMS-2f信号。

图 2 0~100 μL/L浓度内,不同浓度的CO对应的(a)WMS-1f信号和(b)WMS-2f信号 Fig.2 Extracted (a) WMS-1f and (b) WMS-2f signals within CO concentration range of 0-100 μL/L

图 3(a)为一次谐波量化的二次谐波幅度与相应浓度的线性关系。在进行线性回归分析后,校验R2值约为0.998,这表明系统具有良好的线性响应。另外,从图 3(b)可以看出,CO浓度的校验值与测量值之间的相对偏差小于0.01%。

图 3 (a) 一次谐波量化的二次谐波幅度与相应浓度之间的关系;(b) CO浓度校验值与测量值之间的相对偏差 Fig.3 (a) Amplitudes of normalized WMS-2f with corresponding CO concentration levels; (b) Relationship between calibrated CO concentration and measured values
3.2 系统稳定性

本文利用艾伦方差[17]对CO传感器系统的稳定性进行了分析。实验中,使浓度为31.8 μL/L的CO标准气持续通过多通气体吸收池,通气时间为1 h。传感器系统测得的CO浓度随时间的变化如图 5上半部分所示。在整个测量周期内,浓度的均方根为1.21 μL/L,这相当于测量浓度的3.8 %。图 4下半部分所示为艾伦偏差的变化情况。从图中可知,系统的检测限(LoD)为1.18 μL/L; 当积分时间达到205 s时,系统能够实现0.08 μL/L的测量精度。从图 4还可以看出,当系统漂移占主导时,艾伦偏差随积分时间的增加而减小。在这种情况下,可以通过增加积分时间来提高系统的检测灵敏度,但是也会导致系统的响应时间变长。

图 4 以1 Hz的采样率测量一确定浓度(约为31.8 μL/L)的CO标准气以及对应的艾伦偏差的变化情况 Fig.4 Allan deviation plot acquired from series of measurements on a certified CO sample (~ 31.8 μL/L) with 1 Hz sampling rate

图 5 纸、棉花以及松木等燃烧过程中CO的变化 Fig.5 Variation of CO concentrations in combustion process of paper, cotton and pine wood respectively
3.3 早期火灾探测

为了验证所研制的火灾传感器的实际应用能力,对纸、棉花以及松木等3种可燃物燃烧过程产生的CO进行了测量。将0.55 g碎纸、0.53 g棉花以及0.58 g松木先后置于加热器上进行加热,利用真空泵以40 L/min的流量对加热器上方的气体进行抽取,实验结果如图 5所示。

从图中可以看出,这3种可燃物都经历了从阴燃到明火燃烧的过程。纸、棉花以及松木在阴燃中产生CO的峰值浓度分别为155.5, 155.3以及128.2 μL/L。CO能被探测到的时间分别为164, 227以及272 s。当达到各自的着火点时,阴燃转化为明火燃烧,并且随着气体的不断扩散,CO浓度不断降低。此外,在CO浓度降低的过程中,与另外两种可燃物相比,松木产生CO浓度的减小率略低,这是木炭的“碳化效应”所致。

3.4 性能对比

将研制的火灾传感器与国内外相关研究工作进行对比,如表 1所示。相对于S Chen[9]等利用通信波段激光器构建的火灾传感器而言,所研制的传感器具有更短的光程长度和更低的检测下限。与赵辉等[18]同样利用2.33 μm激光器研制的传感器相比,本文采用了波长调制光谱技术,故检测下限更低。虽然Bradshaw[19]等采用中红外激光器开发的传感器具有更短的光程长度和更低的检测下限,但昂贵的成本妨碍了其普及。目前,影响传感器性能的主要因素为光干涉,我们正在研究如何解决该问题,从而进一步提高检测精度。

表 1 与国内外相关工作的比较 Tab. 1 Comparisons between our work and other related works
4 结论

本文介绍了一种基于2.33 μm分布反馈激光器的紧凑型、可移动式CO传感器。利用WMS技术分离典型环境压力下复杂、重叠的光谱吸收特征。一次谐波量化的二次谐波检测(WMS-2f/WMS-1f)策略与基于LabVIEW的锁相放大器相结合,实现了良好的选择性和较高的检测灵敏度。线性回归分析可知,校验R2值约为0.998,这表明系统具有良好的线性响应。艾伦偏差结果显示,系统的检测限为1.18 μL/L; 当积分时间达到205 s时,系统能够实现0.08 μL/L的测量精度,从而证明了系统的稳定性。纸、棉以及松木的早期火灾检测实验表明,所研制的传感器具有很强的实用价值,在早期火灾检测领域有着广泛的应用前景。

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