用于航天器火灾早期预警的HCN痕量气体检测研究

2018-08-23马欲飞

载人航天 2018年4期

马欲飞，黄刚，何应，于欣

(1.哈尔滨工业大学可调谐激光技术国家级重点实验室,哈尔滨150001；2.中国航天员训练中心人因工程国家级重点实验室,北京100094)

1 引言

近年来,随着我国载人航天技术的不断发展,空间舱内生命保障系统(简称生保系统)的建设研究日渐成型,建设先进、完善的空间生保系统是实现中长期载人空间飞行的关键［1］。空间生保系统可大致分为五个方面：大气管理、水管理、食物生产与存储、废物管理、航天员安全和保护［2-3］。其中,航天员安全与保护是最为基本的一项,到目前为止,太空火灾是直接威胁航天员安全的最大隐患之一。据公开资料,迄今已有20余位航天员在太空中殉难,在70余次的航天活动中,至少有5次火情记录［4-5］。因此,开展空间环境的火灾预警研究迫在眉睫。

早期载人航天器的火灾监测是通过探测局部温度变化和烟雾粒子实现的,检测手段包括辐射计探测、电离型、光电散射型、光电-光衰减型［6-7］。但这些方法都有一定的缺陷,如辐射计探测只能快速响应明火,电离型对大于2 μm的颗粒不敏感,而后两种光电型对小于0.3 μm颗粒不敏感［8］。因此,在实际应用中不能满足航天器舱内火灾预警的需求。例如,NASA在1994年公布的资料显示,50次飞行中有5次失火事件,而监测系统均未报警［9］。

在火灾燃烧中,特征气体如CO、CO2等比烟雾粒子、温度变化等火灾特征现象产生得早,所以针对特征气体进行监测有着最佳的早期报警效果［10］。同时在扑灭火情后,舱内环境的火灾微量气体监测对于航天员的生命安全保障也是至关重要的。在空间舱火灾气体检测技术中,有半导体式气体探测器、电化学式、接触式气敏传感器等［11］。这些方法都有着各自的优势,但它们固有的缺点诸如检测灵敏度低、响应慢、稳定性不佳等,使得其难以在空间舱的火灾预警中有效地应用。由于光谱式气体检测技术具有选择性好、灵敏度高、响应速度快、稳定性佳等优点,目前该技术已成为了航天器舱内火灾预警气体检测的一大可行方案。

载人航天器中火灾隐患主要是固体火,包括过热的导线、电缆束、电路板等,这些材料燃烧会释放出微量气体,如一氧化碳(CO)、二氧化碳(CO2)、氰化物(XCN)等［12］。因此,通过检测舱内环境中的气体成分可实现火灾的早期预警。近年来,美国NASA开展了多项基于光谱式气体传感技术的载人航天器舱火灾预警技术研究［13-15］。其中,石英增强光声光谱(Quartz-enhanced Photoacoustic Spectroscopy,QEPAS)痕量气体检测技术具有选择性好、灵敏度高、体积小等优点,在航天器火灾预警研究中凸显了极大的应用优势［16-18］。而目前我国在航天器火灾预警方面的研究仍处于国外的早期水平,所使用的手段主要为温度传感和烟雾报警检测［6-7］。这两种技术存在诸多的问题,如灵敏度不够好、误报率高、可靠性不佳等,且该技术只能应用于明火检测中,无法实现火灾初发时的早期预警作用。到目前为止,国内并没有开展基于光谱技术的航天器火灾预警技术研究。

本文以上述需求为背景,针对目前航天器火灾预警技术中存在灵敏度低和功耗大等不足,开展对火灾燃烧释放微量的氰化氢(HCN)气体检测研究。采用QEPAS技术,通过优化实验系统中的多个参量,实现传感器系统最佳的气体检测性能。采用模块化设计思路进行系统整合,实现光学气体探测模块的小型化和轻量化,最终研制一款低功耗、小体积、适用于火灾预警的HCN气体检测传感器样机。

2 试验装置及测试结果

2.1 HCN吸收谱线以及激光器参数的优化

QEPAS技术是一种红外吸收光谱技术,因此需要通过计算选择探测气体合适的吸收谱线。根据HITRAN2008数据库［19］计算的近红外4500～9000 cm－1(1～2 μm)光谱范围的HCN吸收谱线如图1所示。从计算的结果中可以看出,在6420～6600 cm－1(1515～1558 nm波段范围)吸收谱线最强,因此选择了1530 nm波段范围的光谱区域。试验采用的激光器输出中心波长为1530 nm,调谐宽度为±1 nm,因此选择了1529.88 nm(6536.46 cm－1)处的HCN气体吸收线。

对试验所选用的半导体激光器的输出参数进行测试,其输出波数和功率随注入电流和热电冷却器(Thermoelectric Cooler,TEC)温度的变化曲线如图2所示。根据测试结果,试验设定TEC的温度为17°C以保证激光器发射波长既能覆盖HCN气体吸收线,同时能够获得较大的输出功率。

2.2 试验装置

QEPAS系统试验结构示意图如图3所示。试验采用输出中心波长为1.53 μm的连续波分布反馈式(DFB)半导体激光器,通过低频锯齿波以及高频正弦波f共同叠加调制激光。该激光器输出激光经光纤耦合输出,通过光纤准直包L1、焦距为40 mm的聚焦透镜L2以及石英窗口片传输到气室中。气室内包括一个高品质因子的石英音叉与一对微共振管,经聚焦透镜聚焦的激光能够无阻碍地穿过共振管以及石英音叉叉股。通过气室后的激光由功率计接收,用以实时监测系统光路的变化情况。试验中的探测气体为50 ppm(part per million,10－6)HCN∶N2的混合气,通过流量计以120 mL/min的流速输入至系统气室。石英音叉将气体吸收激光产生的声波信号转化为压电电信号,再由一个阻值为10 MΩ的跨阻抗放大器进行放大并转换为电压信号,该信号经模数转换输入至锁相放大器,用于谐波信号的解调与提取。整个系统由计算机通过LabVIEW软件进行数据采集与调谐控制。

2.3 试验结果

由于添加微共振管可使得声波在微共振管的作用下形成驻波,进而增强微弱的光声信号,因此,试验首先对声共振管长度进行优化,根据文献［20］,声共振管的最优长度应为 λs/4～λs/2,其中 λs为声波长。因此,当使用共振频率为30.72 kHz的石英音叉时,共振管最优长度为2.8～5.5 mm,内径为0.5 mm,外径为1.27 mm。试验采用了长度为3 mm、4 mm、5 mm、5.5 mm的共振管,使用不同激光波长调制深度分别对其进行优化,试验结果如图4所示。从图中可以看出,当共振管长度为5 mm时,QEPAS信号幅值最大,即声共振管最优长度为5 mm。同时也能看出,当调制深度小于0.26 cm－1时,QEPAS信号幅值随调制深度的增大而增强,而当调制深度大于0.26 cm－1时,QEPAS信号幅值变化趋势趋于稳定,没有明显提高。因此试验的最佳调制深度为0.26 cm－1。

当系统分别通入50 ppm HCN∶N2和高纯氮气(N2)时,试验测得其二次谐波信号和系统噪声如图5所示。经计算得到此传感器系统的信噪比(SNR)为28,最小探测极限(MDL)为1.7 ppm。

3 样机系统集成研究

在传感器整机系统整合中,为了进一步压缩激光传输和声波探测系统的体积和重量,对其进行了微型化设计,并采用3D打印技术进行加工,设计的模型如图6(a)所示,加工的实物如图6(b)所示。为了便于显示声波探测单元内部的结构,图6所示中没有封装。在实际应用中,声波探测单元应用了同样的加工材料Somos树脂盖片进行封装。在封装过程中,利用环氧树脂将盖片与声波探测单元粘合。此光声探测系统包含光学聚焦系统中的光纤及Grin透镜、声波探测元件中的石英音叉、两个与音叉间隙共轴的微型声波共振管,系统尺寸为29×15×10 mm3,重量为3 g。

采用模块化设计思路,采用高度集成化的数字电路芯片压缩系统体积和功耗。系统中的激光源采用低功耗、小体积的半导体激光器,该激光器注入电流与负载电压之间的变化曲线如图7所示。可见,此激光器的功耗非常低,当注入电流为100 mA时,负载电压为1.1 V,此时功耗约0.11 W。

在QEPAS系统中,控制电路系统和信号处理系统为其中的核心部分,其中控制电路系统产生的调制信号加载到激光器的电流上,实现对激光波长的扫描和调制。信号处理系统用于谐波解调,并进行数据处理和相关运算。为使系统产生的功耗得到降低,采用可编程逻辑器件FPGA对整个控制电路系统进行逻辑控制。而在信号的解调过程中,本文采用微型化数字相放大器,与传统的模拟锁相放大器相比,这种锁相放大器具有动态范围大、测量误差小、操作方便等优点,同时体积和功耗也会得到大幅度下降。样机中,整个电路系统即信号控制及采集处理电路、激光器驱动电路以及相应的温控系统均整合在一起。而气体探测系统包括的光学部分以及声波采集单元整合为另一个部件,并与电路系统隔离,使得样机整个系统形成模块化结构,便于装配与调试。传感器的电路系统如图8所示,整机系统如图9所示。经过测算,整机尺寸为25×25×10 cm3,系统功耗约为7 W。