用于航天器火災(zāi)早期預(yù)警的HCN痕量氣體檢測(cè)研究

馬欲飛，黃 剛，何 應(yīng)，于 欣

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)可調(diào)諧激光技術(shù)國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,哈爾濱150001；2.中國(guó)航天員訓(xùn)練中心人因工程國(guó)家級(jí)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100094)

1 引言

近年來,隨著我國(guó)載人航天技術(shù)的不斷發(fā)展,空間艙內(nèi)生命保障系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱生保系統(tǒng))的建設(shè)研究日漸成型,建設(shè)先進(jìn)、完善的空間生保系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)中長(zhǎng)期載人空間飛行的關(guān)鍵［1］。空間生保系統(tǒng)可大致分為五個(gè)方面：大氣管理、水管理、食物生產(chǎn)與存儲(chǔ)、廢物管理、航天員安全和保護(hù)［2-3］。其中,航天員安全與保護(hù)是最為基本的一項(xiàng),到目前為止,太空火災(zāi)是直接威脅航天員安全的最大隱患之一。據(jù)公開資料,迄今已有20余位航天員在太空中殉難,在70余次的航天活動(dòng)中,至少有5次火情記錄［4-5］。因此,開展空間環(huán)境的火災(zāi)預(yù)警研究迫在眉睫。

早期載人航天器的火災(zāi)監(jiān)測(cè)是通過探測(cè)局部溫度變化和煙霧粒子實(shí)現(xiàn)的,檢測(cè)手段包括輻射計(jì)探測(cè)、電離型、光電散射型、光電-光衰減型［6-7］。但這些方法都有一定的缺陷,如輻射計(jì)探測(cè)只能快速響應(yīng)明火,電離型對(duì)大于2 μm的顆粒不敏感,而后兩種光電型對(duì)小于0.3 μm顆粒不敏感［8］。因此,在實(shí)際應(yīng)用中不能滿足航天器艙內(nèi)火災(zāi)預(yù)警的需求。例如,NASA在1994年公布的資料顯示,50次飛行中有5次失火事件,而監(jiān)測(cè)系統(tǒng)均未報(bào)警［9］。

在火災(zāi)燃燒中,特征氣體如CO、CO2等比煙霧粒子、溫度變化等火災(zāi)特征現(xiàn)象產(chǎn)生得早,所以針對(duì)特征氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)有著最佳的早期報(bào)警效果［10］。同時(shí)在撲滅火情后,艙內(nèi)環(huán)境的火災(zāi)微量氣體監(jiān)測(cè)對(duì)于航天員的生命安全保障也是至關(guān)重要的。在空間艙火災(zāi)氣體檢測(cè)技術(shù)中,有半導(dǎo)體式氣體探測(cè)器、電化學(xué)式、接觸式氣敏傳感器等［11］。這些方法都有著各自的優(yōu)勢(shì),但它們固有的缺點(diǎn)諸如檢測(cè)靈敏度低、響應(yīng)慢、穩(wěn)定性不佳等,使得其難以在空間艙的火災(zāi)預(yù)警中有效地應(yīng)用。由于光譜式氣體檢測(cè)技術(shù)具有選擇性好、靈敏度高、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性佳等優(yōu)點(diǎn),目前該技術(shù)已成為了航天器艙內(nèi)火災(zāi)預(yù)警氣體檢測(cè)的一大可行方案。

載人航天器中火災(zāi)隱患主要是固體火,包括過熱的導(dǎo)線、電纜束、電路板等,這些材料燃燒會(huì)釋放出微量氣體,如一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氰化物(XCN)等［12］。 因此,通過檢測(cè)艙內(nèi)環(huán)境中的氣體成分可實(shí)現(xiàn)火災(zāi)的早期預(yù)警。近年來,美國(guó)NASA開展了多項(xiàng)基于光譜式氣體傳感技術(shù)的載人航天器艙火災(zāi)預(yù)警技術(shù)研究［13-15］。其中,石英增強(qiáng)光聲光譜(Quartz-enhanced Photoacoustic Spectroscopy,QEPAS)痕量氣體檢測(cè)技術(shù)具有選擇性好、靈敏度高、體積小等優(yōu)點(diǎn),在航天器火災(zāi)預(yù)警研究中凸顯了極大的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)［16-18］。而目前我國(guó)在航天器火災(zāi)預(yù)警方面的研究仍處于國(guó)外的早期水平,所使用的手段主要為溫度傳感和煙霧報(bào)警檢測(cè)［6-7］。這兩種技術(shù)存在諸多的問題,如靈敏度不夠好、誤報(bào)率高、可靠性不佳等,且該技術(shù)只能應(yīng)用于明火檢測(cè)中,無法實(shí)現(xiàn)火災(zāi)初發(fā)時(shí)的早期預(yù)警作用。到目前為止,國(guó)內(nèi)并沒有開展基于光譜技術(shù)的航天器火災(zāi)預(yù)警技術(shù)研究。

本文以上述需求為背景,針對(duì)目前航天器火災(zāi)預(yù)警技術(shù)中存在靈敏度低和功耗大等不足,開展對(duì)火災(zāi)燃燒釋放微量的氰化氫(HCN)氣體檢測(cè)研究。采用QEPAS技術(shù),通過優(yōu)化實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的多個(gè)參量,實(shí)現(xiàn)傳感器系統(tǒng)最佳的氣體檢測(cè)性能。采用模塊化設(shè)計(jì)思路進(jìn)行系統(tǒng)整合,實(shí)現(xiàn)光學(xué)氣體探測(cè)模塊的小型化和輕量化,最終研制一款低功耗、小體積、適用于火災(zāi)預(yù)警的HCN氣體檢測(cè)傳感器樣機(jī)。

2 試驗(yàn)裝置及測(cè)試結(jié)果

2.1 HCN吸收譜線以及激光器參數(shù)的優(yōu)化

QEPAS技術(shù)是一種紅外吸收光譜技術(shù),因此需要通過計(jì)算選擇探測(cè)氣體合適的吸收譜線。根據(jù)HITRAN2008數(shù)據(jù)庫(kù)［19］計(jì)算的近紅外4500～9000 cm－1(1～2 μm)光譜范圍的HCN吸收譜線如圖1所示。從計(jì)算的結(jié)果中可以看出,在6420～6600 cm－1(1515～1558 nm波段范圍)吸收譜線最強(qiáng),因此選擇了1530 nm波段范圍的光譜區(qū)域。試驗(yàn)采用的激光器輸出中心波長(zhǎng)為1530 nm,調(diào)諧寬度為±1 nm,因此選擇了1529.88 nm(6536.46 cm－1)處的HCN氣體吸收線。

對(duì)試驗(yàn)所選用的半導(dǎo)體激光器的輸出參數(shù)進(jìn)行測(cè)試,其輸出波數(shù)和功率隨注入電流和熱電冷卻器(Thermoelectric Cooler,TEC)溫度的變化曲線如圖2所示。根據(jù)測(cè)試結(jié)果,試驗(yàn)設(shè)定TEC的溫度為17°C以保證激光器發(fā)射波長(zhǎng)既能覆蓋HCN氣體吸收線,同時(shí)能夠獲得較大的輸出功率。

2.2 試驗(yàn)裝置

QEPAS系統(tǒng)試驗(yàn)結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。試驗(yàn)采用輸出中心波長(zhǎng)為1.53 μm的連續(xù)波分布反饋式(DFB)半導(dǎo)體激光器,通過低頻鋸齒波以及高頻正弦波f共同疊加調(diào)制激光。該激光器輸出激光經(jīng)光纖耦合輸出,通過光纖準(zhǔn)直包L1、焦距為40 mm的聚焦透鏡L2以及石英窗口片傳輸?shù)綒馐抑?。氣室?nèi)包括一個(gè)高品質(zhì)因子的石英音叉與一對(duì)微共振管,經(jīng)聚焦透鏡聚焦的激光能夠無阻礙地穿過共振管以及石英音叉叉股。通過氣室后的激光由功率計(jì)接收,用以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)光路的變化情況。試驗(yàn)中的探測(cè)氣體為50 ppm(part per million,10－6)HCN∶N2的混合氣,通過流量計(jì)以120 mL/min的流速輸入至系統(tǒng)氣室。石英音叉將氣體吸收激光產(chǎn)生的聲波信號(hào)轉(zhuǎn)化為壓電電信號(hào),再由一個(gè)阻值為10 MΩ的跨阻抗放大器進(jìn)行放大并轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào),該信號(hào)經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換輸入至鎖相放大器,用于諧波信號(hào)的解調(diào)與提取。整個(gè)系統(tǒng)由計(jì)算機(jī)通過LabVIEW軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)采集與調(diào)諧控制。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果

由于添加微共振管可使得聲波在微共振管的作用下形成駐波,進(jìn)而增強(qiáng)微弱的光聲信號(hào),因此,試驗(yàn)首先對(duì)聲共振管長(zhǎng)度進(jìn)行優(yōu)化,根據(jù)文獻(xiàn)［20］,聲共振管的最優(yōu)長(zhǎng)度應(yīng)為 λs/4～λs/2,其中 λs為聲波長(zhǎng)。因此,當(dāng)使用共振頻率為30.72 kHz的石英音叉時(shí),共振管最優(yōu)長(zhǎng)度為2.8～5.5 mm,內(nèi)徑為0.5 mm,外徑為1.27 mm。試驗(yàn)采用了長(zhǎng)度為3 mm、4 mm、5 mm、5.5 mm的共振管,使用不同激光波長(zhǎng)調(diào)制深度分別對(duì)其進(jìn)行優(yōu)化,試驗(yàn)結(jié)果如圖4所示。從圖中可以看出,當(dāng)共振管長(zhǎng)度為5 mm時(shí),QEPAS信號(hào)幅值最大,即聲共振管最優(yōu)長(zhǎng)度為5 mm。同時(shí)也能看出,當(dāng)調(diào)制深度小于0.26 cm－1時(shí),QEPAS信號(hào)幅值隨調(diào)制深度的增大而增強(qiáng),而當(dāng)調(diào)制深度大于0.26 cm－1時(shí),QEPAS信號(hào)幅值變化趨勢(shì)趨于穩(wěn)定,沒有明顯提高。因此試驗(yàn)的最佳調(diào)制深度為0.26 cm－1。

當(dāng)系統(tǒng)分別通入50 ppm HCN∶N2和高純氮?dú)?N2)時(shí),試驗(yàn)測(cè)得其二次諧波信號(hào)和系統(tǒng)噪聲如圖5所示。經(jīng)計(jì)算得到此傳感器系統(tǒng)的信噪比(SNR)為28,最小探測(cè)極限(MDL)為1.7 ppm。

3 樣機(jī)系統(tǒng)集成研究

在傳感器整機(jī)系統(tǒng)整合中,為了進(jìn)一步壓縮激光傳輸和聲波探測(cè)系統(tǒng)的體積和重量,對(duì)其進(jìn)行了微型化設(shè)計(jì),并采用3D打印技術(shù)進(jìn)行加工,設(shè)計(jì)的模型如圖6(a)所示,加工的實(shí)物如圖6(b)所示。為了便于顯示聲波探測(cè)單元內(nèi)部的結(jié)構(gòu),圖6所示中沒有封裝。在實(shí)際應(yīng)用中,聲波探測(cè)單元應(yīng)用了同樣的加工材料Somos樹脂蓋片進(jìn)行封裝。在封裝過程中,利用環(huán)氧樹脂將蓋片與聲波探測(cè)單元粘合。此光聲探測(cè)系統(tǒng)包含光學(xué)聚焦系統(tǒng)中的光纖及Grin透鏡、聲波探測(cè)元件中的石英音叉、兩個(gè)與音叉間隙共軸的微型聲波共振管,系統(tǒng)尺寸為29×15×10 mm3,重量為3 g。

采用模塊化設(shè)計(jì)思路,采用高度集成化的數(shù)字電路芯片壓縮系統(tǒng)體積和功耗。系統(tǒng)中的激光源采用低功耗、小體積的半導(dǎo)體激光器,該激光器注入電流與負(fù)載電壓之間的變化曲線如圖7所示?？梢?此激光器的功耗非常低,當(dāng)注入電流為100 mA時(shí),負(fù)載電壓為1.1 V,此時(shí)功耗約0.11 W。

在QEPAS系統(tǒng)中,控制電路系統(tǒng)和信號(hào)處理系統(tǒng)為其中的核心部分,其中控制電路系統(tǒng)產(chǎn)生的調(diào)制信號(hào)加載到激光器的電流上,實(shí)現(xiàn)對(duì)激光波長(zhǎng)的掃描和調(diào)制。信號(hào)處理系統(tǒng)用于諧波解調(diào),并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理和相關(guān)運(yùn)算。為使系統(tǒng)產(chǎn)生的功耗得到降低,采用可編程邏輯器件FPGA對(duì)整個(gè)控制電路系統(tǒng)進(jìn)行邏輯控制。而在信號(hào)的解調(diào)過程中,本文采用微型化數(shù)字相放大器,與傳統(tǒng)的模擬鎖相放大器相比,這種鎖相放大器具有動(dòng)態(tài)范圍大、測(cè)量誤差小、操作方便等優(yōu)點(diǎn),同時(shí)體積和功耗也會(huì)得到大幅度下降。樣機(jī)中,整個(gè)電路系統(tǒng)即信號(hào)控制及采集處理電路、激光器驅(qū)動(dòng)電路以及相應(yīng)的溫控系統(tǒng)均整合在一起。而氣體探測(cè)系統(tǒng)包括的光學(xué)部分以及聲波采集單元整合為另一個(gè)部件,并與電路系統(tǒng)隔離,使得樣機(jī)整個(gè)系統(tǒng)形成模塊化結(jié)構(gòu),便于裝配與調(diào)試。傳感器的電路系統(tǒng)如圖8所示,整機(jī)系統(tǒng)如圖9所示。經(jīng)過測(cè)算,整機(jī)尺寸為25×25×10 cm3,系統(tǒng)功耗約為7 W。

4 結(jié)論

1)試驗(yàn)優(yōu)化了聲波共振管尺寸以及激光波長(zhǎng)調(diào)制深度,獲得了1.7 ppm的探測(cè)極限。

2)通過3D打印技術(shù)、采用集成化的數(shù)字電路成功實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的小型緊湊化,有效地壓縮了系統(tǒng)體積和功耗。最終,傳感器整機(jī)系統(tǒng)尺寸為25×25×10 cm3,功耗約為7 W。

3)可通過優(yōu)化選擇中紅外區(qū)域吸收譜線和采用別的類型激光器來進(jìn)一步改善系統(tǒng)探測(cè)極限,使其達(dá)到ppb量級(jí)。