火灾烟气探测中光声光散射复合技术应用研究

论文摘要

随着科技的发展和社会要求的不断提高，火灾探测技术也在不断地向前发展，其重点从最初的感烟、感温探测逐步过渡到到现今的气体探测。光声技术由于其高灵敏度的特性目前被广泛应用于痕量气体检测领域。由于火灾燃烧过程中最早出现的成份是气态产物，因此针对火灾探测所需要的高灵敏性和早期性要求，利用光声光谱法来探测火灾是非常适合的。本文从火灾燃烧产物着手进行分析，确立了以CO作为火灾探测的目标气体，并结合烟雾参量构成复合探测。基于气体红外吸收理论选定了光声探测的光源波长，依据光声光谱理论对光声腔信号、简正模式、损耗机制等进行了详细的分析。由于火灾燃烧产物是气态产物和烟雾颗粒的混合物，实际得到的光声信号的衰减是由CO的特征吸收和烟颗粒的消光共同作用造成的，因此本文根据粒子散射理论，将光声探测技术和烟颗粒散射有效地融合在一起，建立了火灾气体和烟雾颗粒复合探测模型，对此复合模型进行信号分析，从而在衰减的总的光声信号中分别提取出气体浓度和烟雾浓度信号。从理论上对光声腔的谐振方式、品质因素等参数进行了详细的分析，并利用扩张管式消声器的基本原理对光声腔滤波性能进行了改进，很好地限制了由于窗口吸收光能引起的干扰。对光源调制采用了新的调制方式一波长调制，而不是传统的斩波调制，这样光声腔的窗口在波长调制范围内几乎有相同的光吸收系数，因此窗口材料几乎是不随时变地吸收加热，从而使得产生的背景信号极小。根据文中的理论分析和计算，对光声腔进行了实物设计加工，结合传声器、锁定放大器等实验仪器设备组成了一套完整的光声光散射复合火灾报警系统。利用该系统对光声腔的各项性能进行了测试，并对木材热解、棉绳阴燃、聚氨酯泡沫火、正庚烷火等进行了实验验证，实验表明系统对这几种火都有很好的响应。建立了光声光散射复合火灾探测系统的三层BP神经网络模型，将人工神经网络和模糊逻辑算法结合起来，根据实验测量数据，建立了报警时间复合算法。将光声技术应用到火灾领域并结合烟雾颗粒参量，同时实现了气体探测和复合探测，使得火灾探测的早期性和可靠性进一步得到了提高。

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第一章绪论

1.1 火灾及其危害简介

1.2 火灾探测技术的发展

1.3 火灾气体探测技术的形成与发展

1.4 光声技术的发展及其在火灾探测中的应用

1.5 本文研究目的和意义

1.6 全文技术路线及研究内容

1.7 小结

第二章红外特征光谱与气体光声检测基本理论

2.1 红外吸收光谱

2.1.1 红外光谱产生的基本条件

2.1.2 双原子分子振动模型

2.1.3 分子振动形式

2.1.4 红外气体吸收定律

2.2 光声检测基本理论

2.2.1 光声光热效应基本理论

2.2.2 气体传声器光声检测理论

2.2.3 理想条件下光声腔信号推导

2.3 标准圆柱型光声腔的信号分析

2.3.1 标准圆柱型光声腔内简正模式

2.3.2 光声腔内部的损耗机制分析

2.3.3 有能损条件下光声腔内部的波动方程

2.4 小结

第三章火灾复合探测参量确定和探测模型研究

3.1 一氧化碳和烟雾的选取依据

3.1.1 CO气体参量的确定

3.1.2 复合探测意义

3.2 纯气体下的光声探测模型建立

3.2.1 谱线宽度

3.2.2 模型建立及其信号分析

3.3 考虑烟雾消光作用下的光声模型修正

3.3.1 烟雾的产生

3.3.2 烟颗粒散射理论

3.3.3 多粒子独立单次散射

3.3.4 烟颗粒吸收

3.3.5 包含烟雾消光的光声模型

3.4 小结

第四章光声光散射复合探测实验系统研制

4.1 光声腔的设计

4.1.1 光声腔形式确定

4.1.2 谐振模式的确定

4.1.3 光声腔品质因子讨论

4.1.4 光声腔结构及其参数设计

4.1.5 光声腔滤波性能改进

4.2 光声光散射复合探测系统建立

4.2.1 光源选取

4.2.2 调制方式确定

4.2.3 传声器

4.2.4 吸收路径

4.2.5 前置放大器

4.2.6 锁定放大器

4.2.7 数据采集和分析系统

4.2.8 配气系统

4.3 光声光散射复合系统总体结构

4.4 小结

第五章实验结果及其数据分析

5.1 实验步骤

5.2 实验结果及其数据分析

5.2.1 光声腔及其系统性能

5.2.2 标准火材料实验测量

5.3 火灾报警识别算法

5.3.1 人工神经网络

5.3.2 模糊算法

5.3.3 实验算法识别

5.4 小结

第六章结论及展望

6.1 全文总结

6.2 本文主要创新点

6.3 下一步工作展望

参考文献

发表论文、专利

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