用于早期火災(zāi)探測的紅外一氧化碳傳感系統(tǒng)

馬卓，李亞飛，盧洋，宋芳，鄭傳濤，王一丁

（1 吉林大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院集成光電子學(xué)國家重點(diǎn)聯(lián)合實(shí)驗(yàn)室吉林大學(xué)實(shí)驗(yàn)區(qū)，長春 130012）

（2 吉林省紅外氣體傳感技術(shù)工程研究中心，長春 130012）

0 引言

中國是一個農(nóng)業(yè)大國，也是世界上受農(nóng)業(yè)災(zāi)害最嚴(yán)重的國家之一，在眾多農(nóng)業(yè)災(zāi)害中，火災(zāi)對人類和環(huán)境的威脅最為突出。在農(nóng)業(yè)生產(chǎn)中，雖然火災(zāi)事故出現(xiàn)的概率較低，但是一旦發(fā)生，不僅會使國家財產(chǎn)和人民利益受到巨大損失，更有可能威脅到農(nóng)業(yè)生產(chǎn)者的生命安全［1-3］，及早發(fā)現(xiàn)火災(zāi)有助于避免更大的損失，挽救人民的生命財產(chǎn)安全。碳（C）是農(nóng)作物的基本組成元素之一，當(dāng)農(nóng)作物燃燒出現(xiàn)明火時，會產(chǎn)生大量的二氧化碳（CO2）。而在明火產(chǎn)生前會存在一段時間的陰燃，可燃物在陰燃階段由于氧氣不足，燃燒極其不充分，會產(chǎn)生少量的一氧化碳（CO），且在一段時間內(nèi)濃度相對穩(wěn)定，因此可以通過檢測CO 氣體來判斷早期火災(zāi)的發(fā)生［4-5］。

目前常用的火災(zāi)檢測方法有光散射煙霧檢測法、視頻圖像識別法、感溫檢測法等。市場上大多數(shù)的火災(zāi)探測器都是基于光散射技術(shù)來探測煙霧氣溶膠，這種傳感器易受到灰塵和水汽等因素的影響，存在誤報率高和無煙火失效的缺點(diǎn)，并且這種探測器一般都會集成一個溫度傳感器，只有在燃燒所釋放的熱量達(dá)到溫度報警閾值時才會觸發(fā)報警［6］，顯然，這種報警器的響應(yīng)時間過長。2018 年楊松等研發(fā)了基于4G 網(wǎng)絡(luò)的多傳感器農(nóng)業(yè)火災(zāi)報警系統(tǒng)，將煙霧傳感器和圖像傳感器等搭載到無人機(jī)上，通過4G 網(wǎng)絡(luò)實(shí)時將信息傳輸?shù)椒?wù)器進(jìn)行運(yùn)算并判斷是否出現(xiàn)火情，實(shí)現(xiàn)了農(nóng)田火災(zāi)的實(shí)時監(jiān)測［7］。2020 年南京郵電大學(xué)何愛龍、陳美娟等利用改進(jìn)火災(zāi)顏色模型提取出疑似火災(zāi)區(qū)域，再從該區(qū)域內(nèi)提取4 個火焰特征和3 個煙霧特征，然后將得到的特征向量制成訓(xùn)練集，用36 個火災(zāi)視頻對系統(tǒng)進(jìn)行訓(xùn)練，最后使用18 個視頻進(jìn)行測試，火災(zāi)檢測準(zhǔn)確率高達(dá)96.79%，響應(yīng)時間為190 s［8］。2011 年中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)火災(zāi)科學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室蔣亞龍等設(shè)計了基于可調(diào)諧二極管激光吸收光譜（Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy，TDLAS）技術(shù)原理的火災(zāi)探測系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用100 m 光程的懷特（White）氣室，利用波長調(diào)制光譜（Wavelength Modulation Spectroscopy，WMS）技術(shù)和鎖相放大器（Lock-in Amplifier）來降低檢測下限，通過實(shí)驗(yàn)得出檢測下限為2×10-6［9］。2012 年GUTMACHER D 將非分散紅外（Non-Dispersive Infrared，NDIR）吸收光譜技術(shù)與氣體敏感場效應(yīng)晶體管陣列、金屬氧化物傳感器和電化學(xué)電池相結(jié)合用于檢測火災(zāi)場景中的氣體，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，CO 氣體的響應(yīng)時間比煙霧早4 min，完全可以起到提前預(yù)警的作用［10］，該傳感器也進(jìn)一步證實(shí)NDIR 技術(shù)將在火災(zāi)檢測領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用。

本文利用CO 氣體分子在4.6 μm 處的基頻吸收帶，采用寬帶紅外熱光源和雙通道熱釋電探測器，研制了一種用于早期火災(zāi)檢測的紅外CO 傳感系統(tǒng)，這種單光源雙波長的檢測方法不僅可以抑制光源波動，還能避免環(huán)境變化對光路的干擾。設(shè)計并優(yōu)化了光路結(jié)構(gòu)，對自制的鎖相放大器進(jìn)行了標(biāo)定，對傳感器性能進(jìn)行了測試，引入卡爾曼濾波算法提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，開展了火災(zāi)陰燃實(shí)驗(yàn)研究了火災(zāi)檢測方法。

1 系統(tǒng)檢測原理

根據(jù)朗伯-比爾定律，當(dāng)光強(qiáng)為I0（λ）的紅外光通過待測氣體時，如果紅外光的波長λ處于氣體吸收譜帶范圍內(nèi)，在波長λ處，光強(qiáng)會產(chǎn)生衰減，可表示為

式中，I（λ）為波長為λ的光束經(jīng)氣體吸收后的光強(qiáng)，I0（λ）為初始光強(qiáng)，k（λ）為氣體分子在波長λ處的吸收系數(shù)，c為氣體濃度，L為光束通過氣體的光程。本系統(tǒng)使用的是雙波長單光路檢測結(jié)構(gòu)，定義G（λ1）和G（λ2）分別為探測器在波長λ1和λ2處的光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，I0（λ1）和I0（λ2）為光源在波長λ1和λ2的初始光強(qiáng)，則探測器的輸出電壓信號可分別表示為

將式（2）和（3）作比可得

式中，光電轉(zhuǎn)換系數(shù)之比H為常數(shù)，G（λ1）和G（λ2）在探測器溫度漂移方面具有相同的變化趨勢，I0（λ1）和I0（λ2）在光源波動方面的影響也是一致的，所以可以消除光源波動帶來的影響。在實(shí)際應(yīng)用時，根據(jù)該標(biāo)定關(guān)系和測得的電壓比信號計算濃度信息。

2 CO 吸收線的選擇

如圖1（a）所示，CO 氣體分子在紅外光譜區(qū)域總共有3 個組合頻率吸收帶，其中4.6 μm 處的基頻吸收帶線強(qiáng)約為4.556×10-19cm·mol-1，2.3 μm 處的倍頻吸收帶線強(qiáng)約為3.471×10-21cm·mol-1，1.56 μm 處的泛頻吸收帶線強(qiáng)約為2.165×10-23cm·mol-1，三個吸收帶的峰值強(qiáng)度之比大約為25 800∶192∶1。在火災(zāi)發(fā)生初期，即陰燃階段，產(chǎn)生的CO 濃度很小，因此傳感器系統(tǒng)應(yīng)具有較低的檢測下限。通常情況下，較強(qiáng)的吸收峰會在一定程度上降低氣體檢測的難度，因此基頻吸收帶通常為氣體檢測的首選頻段。

除了考慮吸收線的強(qiáng)度以外，還要考慮吸收譜線附近是否存在其他氣體分子的吸收干擾。在火災(zāi)發(fā)生初期不僅會產(chǎn)生CO，還會有少量的H2O，CO2和微量的NO 生成［11］。圖1（b）為溫度為296 K，壓力為1 atm（1 atm=101 325 Pa），光程為180 cm 的條件下，6×10-5CO，6×10-4CO2，1% H2O 和4×10-6NO 在4.48～4.84 μm 波長范圍內(nèi)基于高分辨率透射（High-Resolution Transmission，HITRAN）分子吸收數(shù)據(jù)庫仿真得到的吸收光譜。由圖1（b）可以看出，在這個光譜范圍內(nèi)4×10-6NO 和6×10-4CO2的吸光度很小，對CO 的影響可忽略不計。1% H2O 雖然有一定的影響，但在實(shí)際檢測中可以通過對待測的氣體進(jìn)行干燥處理，減小水汽的影響。綜上所述，考慮到氣體檢測的靈敏度和其他氣體的干擾，最終選擇4.6 μm 處的基頻吸收帶作為氣體吸收線。

圖1 CO 與干擾氣體在紅外波段的模擬吸收譜線Fig.1 Simulated absorption spectra of CO and interference gas in infrared band

3 傳感系統(tǒng)的設(shè)計與優(yōu)化

3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該紅外CO 傳感系統(tǒng)主要由氣體預(yù)處理部分、光學(xué)部分、電學(xué)部分和上位機(jī)監(jiān)測部分組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)原理圖如圖2 所示。氣體預(yù)處理部分主要包括真空泵、粗濾器（孔徑為10 μm）、細(xì)濾器（孔徑為2 μm）填充無水氯化鈣的干燥管。在進(jìn)行氣體檢測時，真空泵抽取的外界氣體首先通過粗濾器和細(xì)濾器濾除顆粒雜質(zhì)，防止氣室中的反射鏡被雜質(zhì)污染對光強(qiáng)造成損耗，再通過充滿無水氯化鈣的干燥管對氣體進(jìn)行干燥處理，以防止水汽對氣體吸收的干擾。光學(xué)部分主要包括基于微機(jī)電系統(tǒng)（Micro Electro Mechanical System，MEMS）技術(shù)研制的寬帶紅外熱光源（型號：IR55，Hawkeye Technology）、雙通道熱釋電探測器（型號：LM242，InfraTec，探測通道中心波長為4.66 μm，半峰全寬為180 nm，參考通道中心波長為3.95 μm，半峰全寬為90 nm）、分束器（型號：BSW510，Thorlabs）和球面反射鏡（直徑φ=75 mm，焦距F=300 mm）。使用傅里葉光譜儀（型號：Thermo Scientific Nicolet iS50）測量光源的光譜信息，當(dāng)光源驅(qū)動電流為131 mA 時，測試結(jié)果如圖3 所示，光源在4～11 μm 范圍內(nèi)存在較強(qiáng)紅外輻射，在4.66 μm（CO 基頻吸收帶）處光源相對發(fā)光強(qiáng)度為0.6，由于測試環(huán)境為空氣環(huán)境，存在較高的H2O，由圖中可以看到在5.2～7.2 μm 處由于H2O 吸收存在較大凹陷。電學(xué)部分主要包括：主控電路、壓控恒流源電路、前置放大電路（PA）、同相放大電路、加法電路、模數(shù)轉(zhuǎn)換（Analog to Digital Conversion，ADC）電路、基于數(shù)字信號處理器（Digital Signal Processor，DSP，型號：TMS320F28335，Texas Instrument）的正交鎖相放大電路（LIA）、聲光報警電路和無線傳輸電路。主控電路輸出4 Hz 方波信號，通過壓控恒流源電路為光源提供調(diào)制電流。光源發(fā)射出15°發(fā)散角的光束，通過分束器反射后匯聚到氣室的入光口。入射光在兩個球面反射鏡之間反射六次，形成180 cm 的有效光程，最后由入光口出射，經(jīng)過分束器透射后最終被雙通道熱釋電探測器所捕獲。熱釋電探測器輸出的兩路微弱電流信號經(jīng)過前置放大電路轉(zhuǎn)換為電壓信號，再由同向放大電路、加法電路調(diào)理到ADC 芯片（型號：AD7903，Analog Devices）的輸入量程內(nèi)。兩個電壓信號的幅值經(jīng)模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采樣后由正交鎖相放大器計算得出，并通過串口電路（SCI Circuit）傳輸給主控電路，最后主控電路使用預(yù)先標(biāo)定好的電壓濃度曲線計算濃度信息并通過無線傳輸電路傳輸給基于LabVIEW 的上位機(jī)監(jiān)測平臺。當(dāng)濃度超過預(yù)設(shè)警報值時，系統(tǒng)啟動聲光報警，同時基于LabVIEW 的上位機(jī)監(jiān)測平臺進(jìn)行語音報警。

圖2 紅外CO 傳感系統(tǒng)的原理框圖。Fig.2 Schematic diagram of infrared CO sensor system.

圖3 光源紅外發(fā)光光譜Fig.3 Infrared emission spectra of the used light source

3.2 氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真

為了避免光斑重疊造成的干涉影響，長光程赫里奧特（Herriott）氣室對光源的準(zhǔn)直性要求比較高。懷特（White）氣室光路一般由三個曲率相同的球面反射鏡組成，調(diào)節(jié)過程較復(fù)雜，鏡面利用率比較低。本系統(tǒng)使用的寬帶熱光源具有15°的發(fā)散角，所以以上兩種氣室均不適用本系統(tǒng)。

光學(xué)變換矩陣是傍軸光線通過光學(xué)元件后，描述其傳播特性參數(shù)發(fā)生變化的矩陣表達(dá)式。假設(shè)光線入射點(diǎn)與光軸距離為r，與光軸夾角為θ，定義夾角θ在光軸上方為正，在光軸下方為負(fù)。如圖4（a）所示，入射點(diǎn)A與光軸的距離為r，入射光線由入射點(diǎn)A沿光軸以夾角θ直線傳輸?shù)近c(diǎn)B，其點(diǎn)B的位置和角度可用矩陣表示為

圖4 氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計與仿真Fig.4 Structure and simulation of the absorption cell

光線經(jīng)球面反射鏡反射后，可知光線到光軸距離不變，角度發(fā)生變化。球面反射鏡在長焦距條件下，近似認(rèn)為兩個球面反射鏡的間距為光線傳播距離。傍軸入射時，入射角θ很小，可近似認(rèn)為入射角與其正切值相等。則通過幾何關(guān)系可得入射光線經(jīng)過一次反射后其位置和角度可由矩陣表示為

當(dāng)光線在A 和B 兩個鏡面之間經(jīng)過一次直線傳輸-反射-直線傳輸-反射后其位置和角度可由矩陣表示為

式中，R1為鏡面A 的曲率半徑，R2為鏡面B 的曲率半徑，L為鏡面間的距離，f為平面反射鏡的焦距。當(dāng)R1=R2=2L=2f時，往返矩陣可簡化為

當(dāng)光線在鏡面A 和鏡面B 之間傳輸往返三次后，可得傳輸矩陣為

即入射光線經(jīng)過第六次反射后，光線傳輸?shù)饺牍饪谖恢谩?/p>

利用MATLAB 設(shè)計仿真程序?qū)ι鲜鼍仃嚬鈱W(xué)進(jìn)行仿真驗(yàn)證，仿真中使用的條件為氣室長度30 cm，反射鏡的直徑為7.5 cm，焦距為30 cm，仿真結(jié)果如圖4（c）、4（d）所示?？紤]到寬帶紅外光源具有15°發(fā)散角，使用軟件仿真了具有15°發(fā)散角的入射光在鏡面A 與鏡面B 之間的傳輸路徑，從仿真結(jié)果可以看出，光束從鏡面A 的entrance hole 入射，由于入射光的發(fā)散角度和球面鏡尺寸的限制，光束無法全部被反射鏡反射，導(dǎo)致?lián)p失了一部分光強(qiáng)，這就要求入射光的反射次數(shù)不能過多，經(jīng)過三次反射后，光線匯聚到了鏡面B 標(biāo)號3的位置，經(jīng)過六次反射后，光線又重新匯聚到了鏡面A 標(biāo)號6 的entrance hole 初始位置，驗(yàn)證了傳輸矩陣的正確性，說明光線的出射位置與光線的入射角度無關(guān)。聚光型氣室的結(jié)構(gòu)如圖4（b）所示，氣室兩端是自主設(shè)計的鋁制零件，零件長為9.5 cm，寬為3.5 cm，高為9.5 cm，中間部分是一根30 cm 長的亞克力管，進(jìn)氣口與出氣口均在頂部。鋁制零件主要由密封蓋、窗口片、鏡架組成。鏡架用來固定兩個球面反射鏡，其中一個反射鏡上開有通光孔，窗口片用來密封通光孔。在通光孔與窗口片之間、窗口片與密封蓋之間放置硅膠材質(zhì)的密封圈，通過擠壓作用達(dá)到密封效果，在亞克力管和鋁制零件的連接處使用密封膠進(jìn)行密封，保證了氣室的密封性和實(shí)驗(yàn)的可靠性。

3.3 鎖相放大器

正交鎖相放大器是利用三角函數(shù)的正交性來提取特定頻率信號的峰值。當(dāng)輸入信號S（t）為

利用DSP 生成同頻正交參考信號R⊥（t）與同頻同相參考信號R||（t）

輸入信號分別與同頻正交信號R⊥（t）和同頻參考信號R||（t）相乘，得到兩個乘積信號

經(jīng)過低通濾波器后得到正交諧波幅值Q和同相諧波幅值I分別為

并由正交鎖相算法提取出與信號幅值成正比的一次諧波幅值（Amp（1f））為

基于DSP 的數(shù)字正交鎖相放大器的照片如圖5（a）所示。輸入信號經(jīng)放大電路和加法電路調(diào)理后達(dá)到ADC 的量程范圍，目的是降低ADC 芯片（型號：AD7903，Analogue Devices）的量化誤差。信號由ADC 芯片采樣，可由按鍵實(shí)現(xiàn)對程序的啟?？刂疲⒖蓪⒅C波信號經(jīng)串口發(fā)送至上位機(jī)。

為了驗(yàn)證所研制的鎖相放大器的功能。將放大電路的放大倍數(shù)調(diào)為60 倍，采用信號發(fā)生器（型號：AFG-2225，GWinstek）生成頻率為4 Hz、幅值為1.7 mV 至10 mV 的正弦波信號，輸入到鎖相放大器中，結(jié)果如圖5（b）所示，一次諧波信號的數(shù)字量輸出（Output（1f））與輸入正弦信號的幅值Sin_amplitude 呈線性關(guān)系，對其進(jìn)行線性擬合，擬合關(guān)系式為

為了探究該鎖相放大器的檢測下限，將鎖相放大器的信號輸入端與地連接測量該鎖相放大器的背景噪聲，如圖5（c）所示，背景噪聲電壓波動最大值為43.23 μV，最小值為38.89 μV。計算其Allan 方差，如圖5（d）所示，當(dāng)積分時間為0.25 s 時，該鎖相放大器的檢測下限為0.15 μV。

圖5 數(shù)字正交鎖相放大器實(shí)物圖和測試結(jié)果Fig.5 Photo of the digital orthogonal lock-in amplifier and test result

4 傳感系統(tǒng)的性能測試

4.1 氣體標(biāo)定與靈敏度分析

利用Environics 公司的Series4000 配氣系統(tǒng)在體積分?jǐn)?shù)為0～1×10-4的濃度范圍內(nèi)配備6 組CO 樣品，分別為0、2×10-5、4×10-5、6×10-5、8×10-5和1×10-4，將其依次通入氣室中。利用正交鎖相放大技術(shù)分別提取出吸收通道與參考通道的電壓峰值，并求出電壓之比U（λ1）/U（λ2），每種濃度的氣體分別測試5 min，并對每種濃度下的U（λ1）/U（λ2）取平均值，然后擬合出電壓比信號U（λ1）/U（λ2）與氣體濃度c之間的關(guān)系，如圖6（a）所示，擬合曲線方程為

圖6 傳感器系統(tǒng)標(biāo)定Fig.6 Calibration of the sensor system

擬合曲線表明U（λ1）/U（λ2）與濃度c之間具有良好的線性關(guān)系，擬合優(yōu)度為99.507%。

如圖6（b）所示，以2×10-5為梯度，依次通入體積分?jǐn)?shù)為0～1×10-4的CO 氣體，從圖中可以看出電壓比信號U（λ1）/U（λ2）的變化可清晰分辨。當(dāng)向體積分?jǐn)?shù)為0×10-6氣室中通入1×10-5的CO 氣體時，電壓比信號U（λ1）/U（λ2）的變化在不經(jīng)過算法優(yōu)化的條件下已經(jīng)很難區(qū)分，所以該儀器的分辨率應(yīng)優(yōu)于2×10-5。

4.2 響應(yīng)時間測試

響應(yīng)時間一般定義為從測量值的10 %變化到90 %所用的時間［12］，該時間主要取決于氣室結(jié)構(gòu)，氣體流速和系統(tǒng)處理數(shù)據(jù)的能力［13］。為了測試該傳感系統(tǒng)的響應(yīng)時間，分別準(zhǔn)備一瓶高純氮?dú)夂鸵黄繚舛葹?×10-4的CO 標(biāo)準(zhǔn)氣，選擇帶有兩個入口和一個出口的“Y”型連接器連接氣瓶與氣室，使用兩個開關(guān)閥在兩種氣瓶之間切換。測試結(jié)果如圖7 所示，當(dāng)氣體流速設(shè)置為1 000 mL/min 時，氣體濃度從1×10-5上升到9×10-5的時間約為35 s。當(dāng)該傳感系統(tǒng)示數(shù)穩(wěn)定一段時間后，通入純氮?dú)膺M(jìn)行洗氣，氣體濃度從9×10-5下降到1×10-5所需時間約為38 s。

圖7 系統(tǒng)的響應(yīng)時間測試Fig.7 Dynamic response time test of the sensor system

4.3 穩(wěn)定性及檢測下限

系統(tǒng)采用的差分檢測結(jié)構(gòu)能夠消除一部分由光學(xué)波動、光線傳輸和零點(diǎn)漂移引入的噪聲，但是并不能完全消除信號的波動［14］。穩(wěn)定性反應(yīng)了傳感器在一段時間內(nèi)保持穩(wěn)定的能力。為了測試傳感器系統(tǒng)的穩(wěn)定性，使用配氣系統(tǒng)向氣室中通入濃度為0×10-6的CO 氣體（即純N2），連續(xù)測量80 min。如圖8（a）所示，當(dāng)CO 濃度為0×10-6時，濃度波動范圍為-1.42×10-5～1.51×10-5。

為了進(jìn)一步分析系統(tǒng)的穩(wěn)定性，確定系統(tǒng)的檢測下限，引入了Allan 方差。如圖8（b）所示，在積分時間為0.25 s 時，系統(tǒng)的檢測下限約為1.54×10-6，繼續(xù)增加積分時間，系統(tǒng)的穩(wěn)定性更好，當(dāng)積分時間達(dá)到300 s時，理論上系統(tǒng)的檢測下限能達(dá)到3.50×10-7。

圖8 系統(tǒng)對體積分?jǐn)?shù)為0×10-6 CO 樣品的穩(wěn)定性測試結(jié)果和系統(tǒng)的Allan 標(biāo)準(zhǔn)差曲線Fig.8 System stability measurement results on volume fraction 0×10-6 CO gas sample and Allan deviation curve

4.4 系統(tǒng)穩(wěn)定性的提高

當(dāng)對低濃度的CO 氣體進(jìn)行在線檢測時，吸收信號中會夾雜著大量噪聲，傳統(tǒng)的數(shù)字鎖相放大器難以將其高效濾出，導(dǎo)致該方法在進(jìn)行低濃度的氣體檢測時精度較低，穩(wěn)定性較差［15-16］。為了進(jìn)一步降低噪聲干擾，提高對低濃度氣體的檢測精度，提出了使用正交鎖相放大器結(jié)合卡爾曼濾波算法的信號降噪方法?？柭鼮V波是一種時間域的遞歸估計，計算過程是一個不斷“預(yù)測-修正”的過程，每一時刻的輸出值XK（即最優(yōu)估計）都是由前一時刻的最優(yōu)估計XK-1和當(dāng)前時刻觀測值ZK相乘得到的概率最大值。經(jīng)典的卡爾曼濾波器要求估計的對象是線性系統(tǒng)，且系統(tǒng)誤差近似服從高斯分布時才能有良好的濾波效果［17］。在數(shù)據(jù)采集過程中影響信號質(zhì)量的因素主要包括電路的熱效應(yīng)和背景雜散光的干擾。印刷電路板在長時間的工作下，會產(chǎn)生一定的熱量，造成電子元器件的溫度漂移，進(jìn)而對信號質(zhì)量產(chǎn)生影響。背景雜散光噪聲由外光路引入，該噪聲均勻分布在整個時間域內(nèi)。在隨機(jī)過程相關(guān)理論中，這兩種噪聲都獨(dú)立服從于期望為0 的高斯分布［18］。系統(tǒng)噪聲協(xié)方差為Q，觀測噪聲協(xié)方差為R，當(dāng)系統(tǒng)預(yù)測量XK-1、觀測量ZK滿足預(yù)測方程時，K時刻的估計值X?K可以由式（23）得出

其中，式（21）～（23）為預(yù)測方程，式（24）、（25）為更新方程。A、B表示狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣和輸入轉(zhuǎn)換矩陣，I為單位矩陣，H為線性轉(zhuǎn)換矩陣；PK是K時刻的先驗(yàn)協(xié)方差，PKˉ是K時刻的后驗(yàn)協(xié)方差；KK是卡爾曼增益。

系統(tǒng)的初始狀態(tài)一般是難以精確確定的，若初始值與實(shí)際測量值差值過大，則需較長的穩(wěn)定時間。本系統(tǒng)將采集信號的前10 個數(shù)據(jù)的平均值設(shè)置為算法初始值，降低算法的延遲性。在理論分析的基礎(chǔ)上，使用MATLAB 軟件設(shè)計卡爾曼濾波算法并將其嵌入基于LabVIEW 的上位機(jī)監(jiān)測平臺，通入體積分?jǐn)?shù)為0 的CO 氣體（即純N2），連續(xù)測量80 min，觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如圖9（a）所示，測試得到的濃度波動為-7.38×10-6～1×10-5，與濾波前相比波動降低了約40.56%。圖9（b）為經(jīng)過卡爾曼濾波后的Allan 標(biāo)準(zhǔn)差曲線，當(dāng)積分時間為0.25 s 時，系統(tǒng)的檢測下限為3.60×10-7，系統(tǒng)的檢測下限降低到原來的23%。

圖9 引入卡爾曼濾波算法后，系統(tǒng)對體積分?jǐn)?shù)為0×10-6 CO 樣品長時間的監(jiān)測結(jié)果及Allan 標(biāo)準(zhǔn)差曲線Fig.9 Long-term monitoring result on the CO sample with a volume fraction of 0×10-6 and Allan standard deviation curve after Kalman filter

4.5 火災(zāi)檢測應(yīng)用

為了驗(yàn)證所研制的CO 傳感系統(tǒng)對早期火災(zāi)的檢測能力，對紙張，棉花以及木材三種可燃物在陰燃階段所產(chǎn)生的CO 濃度進(jìn)行了測量。如圖10（a）所示，分別取0.1 g 的紙張、棉花以及木材放置在加熱臺（heater）上進(jìn)行加熱，產(chǎn)生的CO 氣體首先經(jīng)過氣體預(yù)處理裝置（gas processing platform）中的過濾器（filter）和干燥管（dry tube）濾除掉雜質(zhì)和水汽，然后利用真空泵（pump）以12 L/min 的流速把氣體抽入到氣室中。實(shí)驗(yàn)過程中可燃物全程并未出現(xiàn)明火，一直處于陰燃狀態(tài)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10（b）所示，在200 s 時開始加熱，三種材料產(chǎn)生的CO 氣體能被探測到的時間分別為214 s、249 s 和270 s。此外，從圖中可以看出相同質(zhì)量的紙張，棉花，木材在陰燃時產(chǎn)生的CO 氣體濃度的峰值分別為1.51×10-4、2.18×10-4、2.59×10-4。因此可以通過CO的濃度變化來探測火災(zāi)的發(fā)生。此外，與棉花和紙張相比，木材所產(chǎn)生的CO 持續(xù)時間更長，這是由于木材的碳化效應(yīng)所致［18］。

圖10 棉花、紙和木材陰燃實(shí)驗(yàn)和CO 濃度的探測結(jié)果Fig.10 Cotton，paper and wood smouldering experiments and CO concentration measurement results

5 結(jié)論

根據(jù)CO 氣體分子在紅外波段的吸收特性，設(shè)計了一種用于火災(zāi)檢測的紅外CO 傳感系統(tǒng)，通過實(shí)驗(yàn)對該傳感系統(tǒng)的性能進(jìn)行測試了評價。其中自制的鎖相放大器背景噪聲波動范圍為38.890～43.23 μV，最低檢測下限為0.15 μV。在溫度為298 K，大氣壓強(qiáng)為1 atm，光程為180 cm 時，系統(tǒng)的分辨率優(yōu)于2×10-5，響應(yīng)時間為35～38 s。對體積分?jǐn)?shù)為0×10-6的CO 樣品進(jìn)行長期監(jiān)測，其波動范圍為-1.42×10-5～1.51×10-5，當(dāng)積分時間為0.25 s 時，系統(tǒng)檢測下限為1.54×10-6，當(dāng)積分時間為300 s 時，理論上系統(tǒng)的檢測下限能達(dá)到3.50×10-7。引入卡爾曼濾波算法來提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，結(jié)果表明經(jīng)過卡爾曼濾波后系統(tǒng)的波動降低了40.56%，當(dāng)積分時間為0.25 s 時，檢測下限達(dá)到3.60×10-7。開展了棉花、紙張、木材的陰燃實(shí)驗(yàn)，三種物品在陰燃時產(chǎn)生的CO 氣體濃度的峰值分別為1.51×10-4、2.18×10-4和2.59×10-4。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，所研制的傳感系統(tǒng)具有較高的檢測靈敏度、實(shí)用性強(qiáng)，在早期火災(zāi)檢測中有著較好的應(yīng)用前景。