（安全技术及工程专业论文）基于红外气体分析的火灾探测若干问题研究.pdf

a b s t r a c t b e c a u s ef i r ei sas o r to fd i s a s t e r ，t h ef i r es c i e n t i s t sa n dt e c h n o l o g i s t ss h o u l dh o l do nt h et r a i t s a n dd e v e l o p m e n tr u l e so ft h ef o r e p a r to ft h ef i r eb e t t e rs oa st or e s e a r c hm o r el o g i c a la n de f f e c t i v e f i r ed e t e c t i o nt e c h n o l o g y , s u c c e e d i n gi nd e t e c t i n gf i r ee a r l i e r a so n eo ft h ec h a r a c t e rp a r a m e t e r s o ff i r ed e t e c t i o n ，f i r eg a s e sc o n c e n t r a t i o ni sm o r es u i t a b l ef o rd e t e c t i n gt h ee a r l yf i r ea n dh a s a d v a n t a g eo fr e s i s t i n gi n t e r f e r e n c e s t h e r e f o r et h ef i r es c i e n t i s t sa n dt e c h n o l o g i s t st h i n km u c ho f t h ef i r eg a s e sd e t e c t i o n ，a i m i n ga td e t e c t i n gt h ee a r l yf i r em o r es e n s i t i v e l ya n dr e l i a b l y i t i sk n o w nt h a tc 0 2 ，c oa n dc h 4a r et h em o s tc o m m o nf i r ep r o d u c t sb ya n a l y z i n gg a s e s p r o d u c t i o n so fm a n yk i n d so ff i r e s ，t h e r e f o r et h ec 0 2 ，c oa n dc h 4 a r es e l e c t e da st h et a r g e tg a s e s t od e t e c tt h ee a r l yf i r e o nt h eb a s eo ft h et h e o r yo fi n f r a r e da b s o r p t i o n ，t h ei n f r a r e da b s o r p t i o n s p e c t r u mo f t h ef i r eg a s e sc 0 2 ，c oa n dc h 4a r ec o n f i r m e da n da l lt h ew o r k i n gw a v e l e n g t h so ft h e f i l t e r so ft h ep y r o e l e c t r i cd e t e c t o r t h et h r e ec o n v e r s i o ns t a g e so ft h ep y r o e l e c t r i cd e t e c t o ra r e d i s c u s s e da n dt h ec a l c u l a t e dm o d e l so ft h et a r g e tf i r eg a s e so ft h ec 0 2 ，c oa n dc h 4a r e c o n s t r u c t e d t h et h e o r yo fi n f r a r e dg a s e sa n a l y s i sa d o p t e d ，a na p p r o p r i a t ei n f r a r e ds o u r c ei ss e l e c t e d ，t h e n e l e c t r i c a lm o d u l a t i o na n dp o w e rs u p p l yc i r c u i t sa r ed e s i g n e d f o u rc h a n n e l sp y r o e l e c t r i cd e t e c t o r w i t ha d a p t i v en a r r o wb a n d - p a s sf i l t e r si sc o n f i r m e da n dt h eo u t p u tc i r c u i to ft h ed e t e c t o r sv o l t a g e s i g n a li sd e s i g n e d o nt h eb a s eo ft h e o r yo fl o c k i na m p l i f i e rc i r c u i t ，t h ee l e c t r o n i cc i r c u i to f l o c k i na m p l i f i e r ，i n c l u d i n gr e f e r e n c ec i r c u i t ，s i g n a lc i r c u i ta n dc o r r e l a t i o nc i r c u i t ，i sd e s i g n e d ，a n d t h ef i n a lr e s u l t so ft h ed e s i g n e dc i r c u i t sa r ed e c l a r e d f u r t h e rm o r et h em o d e lo fa r t i f i c i a ln e r v ec e n t e r ，c o m m o nt r a n s f e rf u n c t i o n s ，t h ec o n s t r u c t i o no f b a c kp r o p a g a t i o na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r k ，n o r m a lb a c kp r o p a g a t i o na r i t h m e t i ca n di m p r o v e db a c k p r o p a g a t i o na r i t h m e t i ca r ea n a l y z e d ，t h e na ni d e n t i f i c a t i o nm o d e lo ff i r eg a s e sb a s e do nb a c k p r o p a g a t i o na r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki sd e s i g n e d ，a n dt h eb p a r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki st r a i n e db y m e a n so fs e l f - a d j u s t i n gl e a r n i n gv e l o c i t yb pa r i t h m e t i c t h ev e r i f i c a t i o ne x p e r i m e n t sp r o v et h a t t h eb pa r t i f i c i a ln e u r a ln e t w o r ki se f f e c t i v ei ni d e n t i f y i n gt h ef a c tb e t w e e nf i r ea n dn o n f i r e k e y w o r d s ：f i r ed e t e c t i o n ，f i r eg a s e s ，i n f r a r e da b s o r p t i o n ，l o c k - i na m p l i f i e r , a r t i f i c i a l n e u r a ln e t w o r k i i 中国科学技术大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 火灾是火在时间和空间上失去控制的一种灾害性燃烧现象。它是当今世界上 严重威胁人类生存和发展的灾害之一，是发生最频繁且极具毁灭性的一种灾害， 其直接财产损失约为地震的五倍，仅次于洪涝和干旱，但是其发生的频度处于各 种灾害的首位。火灾遍及城市乡村，造成大量的人员伤亡和财产损失、导致环境 污染甚至生态失衡。仅在我国，2 0 0 3 年就发生火灾2 5 3 ，9 3 2 起，死亡2 ，4 8 5 人， 受伤3 ，0 8 7 人，造成的直接财产损失高达1 5 9 亿元【2 】；2 0 0 4 年共发生火灾2 5 2 ，7 0 4 起，死亡2 ，5 5 8 人，受伤2 ，9 6 9 人，造成的直接财产损失则高达1 6 7 亿元【3 】。此外 火灾产生的大量烟雾矛t j c o 、c 0 2 、碳氢化合物、氮氧化合物等有害气体，对环 境和生态系统造成的破坏更是不可估量。 正是因为火灾具有很严重的危害，所以必须尽早有效地探测到火灾的发生， 快速发出准确的报警信号，从而能够实现早期灭火，并为人员安全疏散争取宝贵 的时间，尽量保护人民生命和财产的安全。当前随着经济建设的快速发展、城市 规模的不断扩大，财产和人口越来越相对集中，而且新能源、新材料、新设备更 加广泛地开发利用，因此火灾的发生也随之不断增加。为了在更早期探测到火灾 的发生，我们必须在充分掌握火灾早期特性和火灾初期发展规律的基础上，研究 更合理、有效的火灾探测技术。 1 2 火灾探测技术的发展和现状 1 2 1 火灾探测技术的发展历史 火灾探测技术是人类依靠科学技术与火灾作斗争的一种重要手段。早在1 8 4 7 年，美国医生c h a n n i n g 幂l j 缅因大学教授f a r m e r 就研究成功了世界上第一台应用于 城镇火灾报警的传送装置。但是直至u 1 8 9 0 年，英国才研制出世界上第一只感温火 灾探测器，该探测器能够探测到火灾产生的热量，并能发出报警信号，这标志着 火灾探测技术的诞生。在此后的半个世纪里，感温探测器一直处于主导地位，但是 其灵敏度比较低，探测火灾的时间比较晚，而且对阴燃火还几乎不响应。在2 0 世纪 4 0 年代末期，瑞士物理学家m e i l i 博士发现了火灾烟雾粒子使电离电流减小的现 象，进而发明了第一只离子感烟火灾探测器。由于绝大部分火灾都产生烟雾，而 且烟雾产生的时间比高温时间早，因此离子感烟火灾探测器面世后很快引起人们 的重视，并得到了广泛的应用，也使人类早期火灾探测技术向前迈进了一大步， 基于红外气体分析的火灾探测若干问题研究 极大地推动了火灾防治技术的发展。于是感温探测器下降到了次要地位，离子感 烟探测器以绝对的优势统治了火灾探测技术大约3 0 年时间。在此期间，人们已经 开始研究光电感烟探测技术，但是由于工艺技术等原因不能进行实际应用。直到 2 0 世纪7 0 年代末期，长寿命光电器件技术取得了突破后，光电感烟探测器就应运 而生了，因为光电感烟探测器对浅色火灾烟雾也十分敏感，而且受环境湿度变化 的影响较小、不存在放射性污染，所以受到人们高度重视，从而得到了快速发展。 2 0 世纪8 0 年代后期，火灾探测技术开始与其他技术进行更广泛的交叉和结合，智 能探测、智能监控和多种抗干扰算法在火灾探测技术中得到应用【4 】，使火灾探测 技术与信号处理技术、人工智能技术和自动控制技术更紧密地联系在一起，进入 了一个全新的发展时期。 1 2 2 火灾探测技术的现状 现在，火灾探测技术得到了空前广泛的应用，尤其在欧美各国，火灾探测器 几乎应用于各个领域，家庭住宅、写字楼、工厂、政府机构和军事设施到处都有 火灾探测技术的应用。现有的火灾探测技术可以分为下面几种主要类型【2 1 1 ： 1 感温火灾探测技术 这是一种利用热敏元件将温度变化转变成电信号来探测火灾发生的技术。在 火灾发生后，一方面有大量烟雾产生；另一方面物质在燃烧过程中释放出大量的 热量，使周围环境温度急剧上升。感温探测器中的热敏元件发生物理变化，从而 将温度信号转变成电信号，传输给火灾报警控制器，发出火灾报警信号。可以根 据温度的异常、温升速率和温差现象来探测火灾的发生。对那些经常存在大量粉 尘、烟雾及水蒸汽而无法使用感烟探测器的场所，使用感温火灾探测器较为合适。 有时，为了提高自动灭火系统动作的可靠性，可以同时使用感烟和感温两种探测 器进行复合探测火灾。 感温火灾探测器种类繁多，根据其感温方式可分为定温式、差温式及差定温 式三类。 定温式火灾探测器是温度升高到规定值以上时，才开始响应的火灾探测器， 其主要特点是有较高的可靠性和稳定性，保养维修方便，但灵敏度较低。 差温式火灾探测器是温度变化达到或超过规定的某一温升速率时，才能响应 的火灾探测器。根据传感原理，又可分为双金属差温、膜盒差温、热敏电阻差温、 半导体差温和空气管线型差温等。 差定温式火灾探测器综合了差温式和定温式两种火灾探测器的工作原理，使 感温探测器更加可靠稳定地工作。例如，在某些火灾中，现场温度往往以小于 中国科学技术大学硕士学位论文 3 0 m i n 的温升速率缓慢上升，在这种情况下，即使温度上升n l o o ，差温式火 灾探测器也不能探测到火灾的发生。所以在实际应用时，通常采用差定温火灾探 测器较多。 2 感烟火灾探测技术 感烟火灾探测器是目前世界上应用较普遍、数量较多的探测器。这是一种响 应火灾产生烟雾中含有的固体或液体微粒的火灾探测器。受限空间的火灾一般都 要经过初起、阴燃、起火和高温燃烧、熄灭等几个阶段。其中初起、阴燃过程是 其中较长的两个阶段，一般在十几分钟以上【5 1 。感烟火灾探测器主要用来探测初 起、阴燃阶段的烟雾，发出报警信号。但是感烟火灾探测器有以下两方面的缺点： 一方面感烟探测器是用来探测火灾产生的烟雾的，在火灾发生后，温度较高的烟 气向上运动，当安装在顶棚上的探测器探测到烟雾的浓度大于设定的阈值，才会 发出报警信号，当感烟探测器用在高大空间时，由于烟雾在上升的过程中卷吸大 量冷空气，烟雾温度不断降低，导致只有极少量的烟雾到达顶棚，达不到设定的 阂值，不能产生报警信号，从而漏报。另一方面，当被测空间中含有粉尘时，又 会引起感烟火灾探测器的误报，而且长期工作在较大浓度粉尘环境中还会导致感 烟探测器失效。据c o o p e rl 的研究，约有3 3 的这种探测器不能正常工作【6 】。 感烟火灾探测器又可分为离子型、光电型、激光型、红外光束型和图像型等。 离子感烟探测器是通过电离室引起的电压变化来感知烟雾粒子微电流变化 的装置。它利用放射源使电离室空气电离，当烟雾粒子进入，其吸附作用增加了 正、负离子的复合几率，而烟雾粒子的阻挡降低了口射线的电离能力，改变了电 离室内空气的电离状态，宏观表现为电离室的等效电阻增大引起电离室两端分压 比的变化。常用的点型离子感烟探测器具有检测电离室和补偿电离室双室结构， 目的是通过检测相对变化量来减少环境因素产生的干扰和误差。其响应阈值与烟 雾气溶胶的平均粒径和浓度有关，由控制软件设定，其中可对响应阈值进行自动 浮动的设计，以减少漂移和干扰的影响，对环境温度、湿度、风速、污染等环境 变化采取补偿措施。离子感烟探测器采用的是传统的接触式烟雾探测方法，从理 论上讲，离子感烟探测器对灰烟、黑烟以及各种粒径大小的烟的探测性能比较均 衡，但其响应存在着差异。例如对有焰火产生的小颗粒烟粒子敏感，对于粒径较 大的阴燃烟雾粒子，响应灵敏度则偏低。尤其是离子感烟探测器安装高度的限制， 粒径较大的烟雾粒子由于自身重力作用下沉，不易到达探测器引起响应。离子感 烟探测器的滤网对于灰尘、飞虫等有隔离作用，但探测器本身极易受湿度、风速 等环境干扰。尽管离子感烟探测器生产成本较低，但由于电离室的设计中采用了 放射性元素，其生产、储运和报废的过程存在污染环境的危险。因此，离子感烟 基于红外气体分析的火灾探测若干问题研究 探测器在世界各国的使用量呈下降趋势。 光电感烟探测器是应用烟粒子与光的相互作用( 包括吸收和散射等) 原理来 进行火灾探测的。吸收是指辐射能转变成热能、化学能等其它形式能量的过程； 散射是粒子以同样波长再辐射接收到的能量的过程，散射可在任何方向发生，但 不同方向上散射强度不同。在近红# l - 署n 可见光的光谱范围内，对于黑色烟，光衰 减以吸收方式为主；对于灰白色烟雾，则主要以散射方式为主。光线经过粒子吸 收或散射后通过光敏器件转换为电信号，经信号处理后得到的直流电平能够衡量 辐射功率的大小。其响应阈值与烟粒子浓度、粒径、散射角等参数有关。根据传 感原理和结构方式，光电感烟探测器又可分为点型、线型、图像型和吸气型等多 种类型。 点型光电感烟探测器光电室安装一个红外光源和一个光敏器件，光敏器件接 收红外光在粒子表面的散射光。通常情况下，红外光源发出周期性的脉冲光束， 保证探测器工作在低功耗状态。探测室为暗室结构，暗室内壁为黑色并采取陷光 措施，光束从特定方位进入后，光子不能逃出。激光光源具有普通光源所无法比 拟的诸多优点，如方向性、单色性、相干性、高亮度、超短脉冲和可调谐性等都 很强。将激光光源作为入射光源引入火灾探测技术，发展出点型激光感烟探测器， 其灵敏度为目前红外光电感烟探测器的5 0 倍。点型激光感烟探测器内的激光二极 管与组合透镜在接收器附近将光束聚焦，形成很强的窄光束，而且设计了功能很 强的反光镜，将大部分散射光反射到光敏器件，因此其灵敏度比普通光电感烟探 测器高得多。 线型感烟探测器的最主要一种是红外光束线型感烟探测器，它采用烟粒子吸 收或散射红外光使红外光束强度发生变化的原理进行火灾探测的，烟粒子沿着敏 感路径遮蔽红外光线时，通过监测透射光强衰减是否低于阈值来判断有无烟雾。 烟粒子不必进入探测器的采样室中，在保护空间任何地点上的烟粒子都能使红外 光束衰减。常见的红外光束线型感烟探测器按结构，可分为对射式和反射式。反 射式红外光束线型感烟探测器由反射镜和一个集成装置( 包括发射器、接收器) 组成，这种感烟探测器使用红外光束探测烟雾，只需一个探测单元，节约成本和 调试时间，且由于发射器与接收器集成在一起，可以实现自动补偿功能。反射式 红外光束线型感烟探测器最大探测距离通常是5 0 m 。但是由于线型感烟探测器保 护的是直线区域，火灾发生后探测器响应慢，因此在高大空间内，火灾发生后尽 管烟羽流通常随温度上升而增大扩散的规模，但烟雾受空间和面积的影响，密度 随高度增加而减少，使得普通线型感烟探测器不能真正实现早期报警的需求，尤 其在有随机遮挡和干扰环境下，容易产生误报。 中国科学技术大学硕士学位论文 图像型感烟探测器采用光截面图像感烟，在光路设计中利用主动红外光源 作为接收目标，结合红外面型接收器阵列，一只发光器件对应多只探测器件，形 成多光束红外光截面，可实现对某一空间任意曲面的监控，大大增加了监控面积， 通过红外光截面对光的散射、反射与吸收情况来测量烟雾，提高了快速响应区域 的面积，另外，对接收相邻光束形成的图像序列应用相关算法，可排除偶然产生 的误报因素。 吸气型感烟探测器是采用空气采样技术，通过与气泵装置相连接的管道抽 取被保护空间的空气样本到检测室，使探测方式由被动感知火灾烟气参数特性的 局面改为主动进行空气采样，希望能够实现快速、动态地识别火灾产生的烟雾粒 子。这种主动吸气型感烟探测技术，由澳大利亚首先应用到火灾烟雾探测领域。 普通的吸气型感烟火灾探测器，是在吸气管道中加装点型感烟火灾探测器作为烟 粒子探测器。目前，先进的高灵敏度吸气型感烟火灾探测系统，还结合了激光图 像感烟技术等多种先进技术，以期望实现早期火灾的探测。 3 感光火灾探测技术 感光火灾探测技术是响应火焰辐射的红外光、紫外光或者可见光的火灾探测 技术，主要是火焰探测技术。目前主要有红外火焰探测器、紫外火焰探测器、红 外紫外感光融合后的双波段或三波段火焰探测器，以及采用c c d 成像器件的双波 段火焰探测器。 由于红外光谱的波长较长，烟雾对其吸收和衰减要比波长较短的紫外光及可 见光弱得多，所以，红外火焰探测器的特点是：在有大量烟雾的火场，距火焰一 定距离内红外光敏元件仍能够产生感应。该探测器通常用于监测易燃场所的火 灾，特别是用于没有阴燃阶段的易燃品火灾的早期探测，如醇类、汽油等易燃液 体仓库等。 当有机物燃烧时，能辐射出强烈的紫外光，火焰温度越高，产生紫外光辐射 的强度也越高。因此，紫外火焰探测器的特点是：对于易燃物质的火灾，利用火 焰产生的紫外辐射来探测火焰十分有效。紫外火焰探测器对强烈的紫外辐射响应 时间短，最少可达2 5 毫秒。该种探测器还不受风雨等影响，不仅能用于室内，也 能用于室外，适用于飞机库、油井、加油站、可燃气罐，易燃易爆危险品仓库等。 为了提高感火焰探测器的稳定性以及探测距离，针对大空间火灾探测中普遍 存在的技术难题，如火灾的误报、漏报，采用拥有c c d 成像器件的双波段火焰探 测器，能够极大地提高探测距离，同时由于图像信息丰富，可实现多参量探测火 灾，根据火灾在燃烧过程中的光谱特性、色度特性、纹理特性、频谱特性以及烟 雾运动特性，将这些特性建立模型，在工程应用中形成计算机可执行的火灾识别 基于红外气体分析的火灾探测若干问题研究 判据，由计算机进行火灾辨识。 1 3 火灾探测技术的发展趋势和火灾气体探测 尽管经过半个世纪的发展，火灾探测技术仍需要大力发展，早期报警、减少 误报和漏报始终是困扰各国火灾科技工作者的重要问题。由1 2 节的分析可知各 种火灾探测技术都有其适用范围，且存在一些固有的问题。现今火灾探测研究的 重点是如何量化探测器所处的火灾和非火灾环境，更早更可靠地发出火灾危险信 号，其发展趋势主要有两个方向： 1 发展新的传感技术以及基于此的火灾探测技术。 2 基于现有的探测原理方法，与其它技术交叉，改进信号采集、处理电路和 方法，发展新的火灾辨识算法等，来改善系统性能。 具体的研究热点集中在火灾气体探测和复合探测两个主要方向，并且越来越 多的研究表明，火灾气体探测是实现火灾早期可靠报警极有前景的方向【6 。8 】。火 灾气体浓度作为火灾探测的特征参量，具有独特的优点。火灾所产生的气体需要 更少的热量驱动就可以快速上升，一些气体( 如c o 和c h 4 ) 由于比空气轻，甚至 不需要热量的驱动，就能非常容易地扩散和上升：而且，火灾气体探测系统能够 采用主动吸气采样的工作方式，这对于火灾探测器的布置灵活性和在火灾早期探 测到火灾信息非常重要。总的来说与其他技术相比较在大多数情况下更适合于火 灾早期探测，且在抗干扰方面更具有优势，所以针对火灾探测技术所追求的更高 灵敏度和可靠性的火灾早期报警，火灾气体探测受到火灾探测科技工作者的广泛 重视。在2 0 0 4 年的第1 3 届a u b e 火灾自动探测国际学术讨论会上，9 5 篇论文中，有 1 3 篇论文涉及火灾气体探测，其中主要是多种气体复合探测【9 。2 1 。这几年，气体 传感技术有了长足进步，尤其基于红外气体分析的能同时监测多种气体浓度的多 通道红外热释电气体探测器技术取得了突破，因此火灾气体探测技术正面临着一 个蓬勃的发展时期。 1 4 本论文的主要研究内容及章节安排 本课题就是对基于红外气体分析的火灾探测若干重要问题进行研究，主要研 究内容及章节安排如下。 在第二章中，在前人工作的基础上，深入分析探讨各种类型火灾产生的气体 成分，选择适合进行早期火灾探测的火灾标示性气体。 在第三章中，深入探讨火灾气体探测的红外气体分析原理，主要分析双原子 分子和多原子分子的红外吸收频率，结合实验确定火灾标示性气体c 0 2 、c o 和 c h 4 的特征红外吸收波长，在此基础上，选定多通道红外热释电气体探测器各个 中国科学技术大学硕士学位论文 通道的中心工作波长。接着从原理上深入研究热释电红外气体探测器的光热转 换、热电转换和电转换的过程，然后建立基于红外气体分析原理的火灾气体探测 的标示性气体c 0 2 、c o 和c h 4 浓度的计算模型。 在第四章中，首先针对选定的火灾标示性气体c 0 2 、c o 和c h 4 ，在采用红 外气体分析的原理测量浓度的前提下，进行电子线路的总体方案设计。接着进行 了红外光源的选型、电调制和供电电路的实现；根据火灾标示性气体c 0 2 、c o 和c h 。的红外吸收规律，选定带有参考通道的4 通道红外热释电气体探测器和 相应的窄带干涉滤光片，并设计电路将热释电探测器的传感信号取出。然后深入 分析研究采用的进行信号处理的核心电路锁定放大电路的原理，在此基础上，进 行了锁定放大电路的参考通道、信号通道和相关器的电子线路设计。最后结合火 灾气体探测电路c o 测量通道的多个关键输出点波形图，来分析所设计的电子线 路的工作情况和调试结果。 在第五章中，首先介绍了人工神经网络的基础知识，分析了人工神经元的 模型、常用的转移函数、b p 神经网络的结构，细致剖析了标准b p 算法和改进 的b p 算法。然后在此基础上，设计火灾气体辨识的b p 神经网络模型，确定b p 网络的层数、输入神经元、输出神经元、隐层神经元数量、转移函数等。接着在 m a t l a b 6 5 环境下编程，对所设计的b p 网络进行训练和辨识能力验证。 在第六章中，对本研究进行总结，并展望有意义的进一步研究工作。 基于红外气体分析的火灾探测若干问题研究 第二章火灾探测的标示性气体研究 2 1 火灾产生的主要气体成分 火灾所产生的气体成分复杂多样，包含完全燃烧产物( 如c 0 2 和水) 和不 完全燃烧产物，如c o 、炭氢化合物以及醇类、醛类、酮类、酸类、酯类等化合 物。如果可燃物中还含有其他元素例如硫( s ) 和卤素( f ，c i ，b r ) ，则产物中就会 含有硫化物以及卤素的化合物。实际上，对于除含有或生产特殊物质之外的绝大 多数场所中，可燃物的最基本元素均含有c 和h ，其在空气中明火燃烧或阴燃 热解时，基本描述都可用下面的方程式表示【1 4 】： c m h 一十0 2 + 2 c t h ，+ a c 0 2 + b c o + c h 2 d + d n o + e n ，o + ，f h + h o 十龃!、z。v 由式2 1 可见火灾气体的主要成分为c 0 2 、c o 、h 2 0 署i h c 化合物，而h c 化合 物中主要成分是c h 4 。表2 1 给出了实验测量得到的常见可燃物火灾产物中c 0 2 、 c o 和h c 化合物的生成率1 1 。其中y c 0 2 、和分别代表c 0 2 、c o 和h c 化合 物的生成率，耽表示燃烧效率，：、和托都是无量纲的量。 表2 1实验测得的常见可燃物火灾产物 c 0 2 、c o 和h c 化合物的生成率 可燃物 ：咒a 气体 乙烷2 9 0o 0 0 10 0 0 10 9 9 丙烷 2 8 5 0 0 0 5o 0 0 l0 9 5 丁烷 2 8 80 0 0 60 0 0 3 0 9 5 乙烯2 8 60 0 1 30 0 0 5o 9 l 丙烯 2 8 00 0 2 00 0 0 6 o 8 9 1 ，3 一丁二烯 2 4 l0 0 4 8o 0 1 40 7 4 乙炔 2 5 70 0 4 5 o 0 1 30 7 6 液体 庚烷 2 8 60 0 1 0 0 0 0 40 9 3 辛烷 2 8 40 0 1 1 0 0 0 40 9 2 苯 2 3 00 0 6 50 0 1 8o 6 9 苯二烯 2 2 6 0 0 6 70 0 1 9o 6 7 甲醇 1 3 00 0 0 l o 0 0 10 9 5 中国科学技术大学硕士学位论文 乙醇 1 8 60 0 0 20 0 0 10 9 7 异丙醇 2 1 30 0 0 20 0 0 10 9 7 丙酮 2 2 l0 0 0 2o 0 0 10 9 7 固体 橡木 1 2 70 0 0 40 0 0 lo 7 0 杉木 1 3 10 0 0 4o 0 0 10 7 9 松木( 木垛) 1 4 20 0 0 4 1 ，略去分母中有r c o 的所有项，则： 阮一警卜p ( _ 志 c o s 群7 ， 式中哄。、群、阮分别表示输入信号为参考信号的基波频率使得振幅、相位差、 输出电压。 从而得出下列结论： 乏= r c o 为积分器的时间常数。 一上 当测试时间f e 时，er c 0 0 ，得到稳态解： g f f l ：一了2 r o u 。lc o s 钟 ( 4 8 ) 由式4 - 8 可知，相关器输出为直流电压，其值正比于输入信号的基频振幅u ：， 并与信号和参考信号之间的相位差群的余弦成正比：一r o r 为积分器的直流放 大倍数，负号表示由反相端输入，2 n 是乘法器输出直流分量的系数。 当群= 0 时 嵋= u o 。= 一百2 9 u 。, ( 4 9 ) 当群= 7 2 时，u o l = 0 ； 当群卸时，畦= 警。 ( 2 ) 当信号频率为参考信号偶次谐波【缈= 2 + 1 ) 】时，且疋= r c o 足够大时， 呓川) = o 因为参考信号为对称方波，无偶次谐波分量，可见相关器能够抑制偶次谐波。 ( 3 ) 当信号频率为参考信号奇次谐波【国= ( 2 ”+ 1 ) 国；】时，且乏= r c o 足够大， 略去小项，则有： = 一飘卜( 一划c o s 中国科学技术土学硕士学位论文 式中( ：。) 、站。) 、嵋。) 分别为输入信号为参考信号奇数倍时的输入信号振 幅、相位差、输出电压。 由式4 一1 0 司以得出： 当r r c o 时，稳态解为： ，= 一筹酱o c o s ( 4 - 当n = 0 时，嵋：。、为基波输出。 当国= ( 2 n + 1 ) c o r 时，相关器输出的直流电压幅值为基波频率的1 ( 2 n + 1 ) 。 ( 4 ) 若输入信号频率偏离奇次谐波一个微小量a o j 时，即= f 2 n + 1 ) c o r + a c o ， 当( - o r r c o 1 ， 瑶时，得到稳态解为： rr 一2 r o u ( 2 ) c o s ( a o u t + c p 2 一岛) 壮一7 r ( 2 n + 1 ) r i 而面萨( 4 - 1 2 ) 式中虬( ：。) 、岛。、仍。、u o ( ：。) 分别为输入信号频率在( 2 刖- 1 ) 附近偏移珊 时的信号幅值、相位差、输出相移、输出电压。式4 - 1 2 表明，a c o 越大，输出电 压幅度值越小。 1 3 1 5 1 7 i 9 图4 - 9 相关器传输函数的幅频特性 相关器传输函数的幅频特性如图4 - 9 所示，是以参考信号频率为参考的梳状 滤波器，通频带相当窄，q 值可以达到1 0 0 以上，这是一般带通滤波器做不到的。 4 5 锁定放大电路的设计 当前锁定放大电路有两种实现方式：数字电路实现和模拟电路实现。锁定放 3 5 - 基于红外气体分析的火灾探测若干问题研究 大电路的数字电路实现的较典型的一种方式如图4 1 0 所示。 5 0 h zi o o h z 前置放大器带通滤波器带通滤波器 放大器 模数转换 图4 1 0 锁定放大电路的数字电路实现形式的原理框图 可以看出，通过数字电路方式实现的锁定放大电路中，使用了d s p ( d i g i t a l s i g n a lp r o c e s s o r ) 芯片，仅在输入通道和参考通道中使用了少量的模拟电路单元： 如前置放大电路、工频滤波电路、鉴频器等。在将模拟信号转换成数字量以后， 相关器等通过d s p 算法实现，d s p 算法实现的功能模块如图4 1 1 所示。 内部錾荡 相移罄 开关乘法器低通滤渡直流放大 电路 图4 1 1d s p 算法在锁定放大电路中实现的功能 正交 输出 幅度 相位 输出 由图4 1 l 可以看出通过d s p 软件算法实现的功能比较强大，不但实现了相 关器的全部功能，还实现了参考信号的相移以及输出信号的幅度相位计算。但是 由于这种实现方式相当复杂，对软件设计的要求相对很高，所以常用的锁相放大 电路还是以模拟电路实现为主。本研究设计的就是采用模拟电路形式实现锁定放 中国科学技术大学硕士学位论文 大电路，它的原理框图如图4 7 所示。下面分为三个部分讨论本研究的锁定放大 电路设计。 4 5 1 参考通道电路的设计 参考通道的电路分为参考信号产生电路和相移电路。参考信号产生电路的功 能就是给锁定放大电路提供参考信号，为红外光源提供调制信号。电路设计时， 首先采用分频器结合晶振的方式产生一个方波信号，一方面作为红外光源的调制 信号，另一方面将该方波信号由带通滤波器转换为正弦波，通过相移电路对该正 弦波进行相移，使参考信号与信号通道的测量信号的相位同步，然后提供给相关 器作为参考信号。参考通道的电路实现如图4 1 2 所示。 图4 1 2 参考通道的电路实现框图 v o c u 2 c 8 4 c l 丝，r s tv d d ： 1 6 i i oi| | 7 ；c l k i q 4 。5 y c l k 0 q 5 ：睁r r3l l - i 犀t x t a l 心声 ：c l k 0 。q e ：6 v ， i i q 7 置矿 = ：。：_ ：_ _ ：二q 8 。 = ，1 3 ：_ 0 。0 ：? q 9 呈1 5 带 q 1 0 ：1 。，：q 1 2 1z ：i r 2 = = q 1 3 ： 。3 ：i i ：! g n di ：q 1 4 ：c ) - 一 、 光源调制 图4 1 3 参考信号产生电路图 参考信号产生电路如图4 1 3 所示。电路设计中希望产生方波信号的频率能 够保持稳定，起初试图使用5 5 5 振荡器来产生这个信号，但是在调试中发现产生 的方波信号频率波动比较大。后来发现要使5 5 5 振荡器产生频率非常稳定的方波 信号，要求电阻和电容元件的热稳定性极高，特别是所需方波信号频率低于 i o o h z 的情况下，这时电容的容值也必须选的很大。对于贴片的陶瓷电容来说， 大于l o n f 的电容热稳定性都很差，所以本研究没有使用5 5 5 振荡器产生方波信 3 7 基于红外气体分析的火灾探测若干问题研究 号，转而采用分频器结合晶振的方式，采用3 2 k 晶振，经分频器分频后得到8 h z 方波信号，这样使产生的方波信号频率稳定性得到增强。 参考信号产生电路产生的是方波信号，由于相移电路需要正弦信号，所以 将方波通过二阶带通滤波器，按结构形式，二阶带通滤波器有两种形式：单端正 反馈式和多端负反馈式( m f b ) 。本设计使用的是多端负反馈式的结构。因为这 种结构的带通滤波有一个很重要的优点就是它的中心频率，q 值，通频带增益都 可以独立调整，调试方便。二阶带通滤波器的电路如图4 一1 4 所示p 引。 输入 v s s 图4 1 4 二阶带通滤波器的电路图 出 所设计的二阶带通滤波器的幅频特性曲线，由x s p i c e 仿真如图4 1 5 所示【3 9 】： m f bb a n d p 8 5 5 | = = 二 一连 f 卜 e7 蠢 。j 济。#l ：ll ，l 图4 15二阶带通滤波器的幅频特性曲线 中国科学技术大学硕士学位论文 圭v s s 图4 1 6 相移电路的电路图 输出 相移电路相对比较简单，该电路如图4 1 6 所示。通过调整r l l 就能调整输 入和输出端信号之间的相位差，调整范围是0 。1 0 0 。相移电路的输出提供给4 路锁定放大电路中的各个相关器作为参考信号。 4 5 2 信号通道电路的设计 信号通道包括前置放大电路，滤波电路和仪用放大电路几个部分。从红外热 释电探测器输出有用信号的电压为微伏量级的微弱信号，为了提高信噪比信噪 比，必须首先加一级前置放大电路，将这个电压放大到一定量级，并进行滤波后， 才能通过导线传输到下一级。 采用低功耗、高精度的放大器集成电路芯片搭建低噪声前置放大电路，并具 有滤波的功能，它的电路图如图4 1 7 所示： c 1 1 c 2 3 j 图4 1 7 前置放大和滤波电路的电路图 输出 信号地 基于红外气体分析的火灾探测若干问题研究 由于设定红外信号调制频率为8 h z ，按照调制频率确定电路中电阻、电容器 件的选值，以满足设计的要求。 用p r o t e l 自带的x s p i c e 仿真可得如图4 1 8 所示的前置放大和滤波电路的 频率一增益特性： 苣 苣厂、 巨 ，、 毫? l ?i ? l 芑 ? i i 邑， i y _ 、 薹l u 嘲；， l i l i l ll i l “ 一lj i i i 曲： 王i j li 上j u ni ：i 址如1 l t j 、 图4 1 8 前置放大和滤波电路的频率增益特性 在该电路中，预定的滤波器指标为t 中心频率8 h z ，通带增益为4 0 d b 。其 中r 1 1 和r 7 的比值确定了滤波器中心频率的通带增益，可得其通带增益应该 孰 2 0 l o g ( 争= 2 0 l o g ( 筹) _ 4 蚴 ( 4 1 3 ) 可见，通带增益达到了预定指标。 r 5 7 输入 信号地 仪用放大电路的电路图 4 0 - 输出 中国科学技术大学硕士学位论文 仪用放大电路具有共模抑制比高，且输入端阻抗也很高的特点。将前置放大 和滤波电路的输出信号和信号地分别输入仪用放大器的差动输入端，这样也避免 了回路电流形成环流噪声。目前，美国a n a l o g 公司生产的低耗高性能的仪用 放大器芯片，在光电探测等领域得到了大量应用。本设计就是采用仪用放大器芯 片构成了仪用放大电路，所设计的仪用放大电路的电路图如图4 1 9 所示。 4 5 3 相关器的设计 相关器是实现求参考信号和被测信号两者互相关函数的电子线路，是锁定放 大电路的核心电路，主要包括乘法器和积分器两部分。通常相关器中不采用模拟 乘法器，而是采用线性好、动态范围大、电路简单的开关乘法器；积分器实际上 就是低通滤波器；通常为了使输出信号能达到要求的幅值范围，增加一级d c 放 大电路。 相关器的实现方案有很多种，锁定放大电路中常采用性能较好的电压型开关 式相关器。该类相关器在漂移、线性范围、动态范围、过载电平等性能都比较优 越。同时，由于锁定放大电路所测的信号都是正弦波或方波，信号简单，实现开 关式乘法器很简单。开关式乘法器，可以是半波式，也可以是全波式，由于半波 式输出的直流电压只有全波式的一半，同时，半波式开关乘法器对低通滤波器的 要求又比较高。因此，本设计采用性能较好的全波式相关器的实现方案。 相关器的实现方案框图如图4 2 0 所示，输入信号为u 。，由参考信号厶控制 的同步开关k ，把输入信号和参考信号同步地接到通道i 和通道i i ，分别经过放 大倍数为+ 1 和1 的放大隔离器后，送到加法器中相加。可见是由开关完成了输 入信号与参考信号之间的相乘，因此称为开关式乘法器，乘法器的输出信号再通 过积分器( 实际上是低通滤波器) 积分得到输出砜，完成了相关器的功能。 输 图4 2 0 相关器的实现方案框图 4 l 号 基于红外气体分析的火灾探测若干问题研究 结合式4 8 可得到： ，) v o = 竺u sc o s o ( 4 1 4 ) 7 r 式中k 为常数。美国a n a l o g 公司生产的高精度同步解调器芯片，该高精 度同步解调器实际上就是一个开关式乘法器，将输入信号和参考信号相乘，适用 于从含有干扰噪声的调幅波中精密检出被调制的信号，开关式乘法器的输入一输 出电压关系如式4 1 4 所示。开关式乘法器输出的信号中包含大量的频率成分， 而所需的信号信息为直流成分，所以要利用一个二阶低通滤波电路将直流信号提 取出来。低通滤波器的中心频率选择为8 h z ，可很好地滤掉开关式乘法器输出信 号中的高次谐波和高频信号。由开关式乘法器结合二阶低通滤波电路所构成的相 关器电路图如图4 2 1 所示。 图4 2 1 相关器的电路图 通过相关器得到的直流信号的强度往往不够大，需要用d c 放大电路将其放 大，这样将其提供给数据采集卡时才能充分利用它的输入动态范围，以提高精度。 在模拟电路调试中经常发现，在红外光源没有发出调制光