智能便携式CO2生命探测仪的设计

    　0 引 言

　　在地震等突发灾害的救援中，准确及时地发现幸存者具有十分重要的意义。然而，随着灾难发生后的时间推移，生命迹象越来越弱，依靠救援人员喊话和搜救犬嗅闻很难找到气息微弱的幸存者。事实表明: 废墟狭小空间内空气流通性差，幸存者呼出的CO₂

　　气体得以富集，因此，可以通过检测 CO₂来探测生命的存在。另外，CO₂体积分数变化率能很好地反映幸存者气息的强弱，为救援提供重要数据，但现有的救援装备却忽略了这一重要信息，影响了探测精度。

　　为此，本文设计了一种基于红外吸收式 CO₂传感器的智能型便携式生命探测仪系统，利用新型非色散红外( non-dispersive infrared，NDIR) CO₂传感器[1]对废墟狭小空间内幸存者呼出的 CO₂体积分数进行高精度检测，通过间隔采样来完成体积分数变化率的计算，基于模糊逻辑构造了生命探测推理机，能够利用救援专家的先验知识，根据 CO₂体积分数及其变化率进行智能综合推理，得出幸存者的存在几率。本系统能够及时准确地探测到幸存者的存在和气息的强弱，有效提高了生命探测精度，对灾后救援具有重要意义。

　　1 工作原理

　　红外线在经过由不同原子构成的含偶极矩分子气体时会发生吸收现象，这种吸收特性对于某种气体而言是确定和标准的，被称为“物质指纹”，其吸收关系满足朗伯—比尔[2]( Lambert-Beer) 定律

　　式中 I 为出射光强，I₀为入射光强，μ 为气体对光波的衰减吸收系数( 对同一气体此系数为常数) 、c为待测气体体积分数，l 为光与气体的作用长度。可见根据 I，I₀和 l 值即可求出待测气体体积分数。

　　CO₂气体对红外线的吸收图谱[3]如图 1 所示，对波长为4.0～4.5μm 范围内的红外线吸收作用明显，吸收峰出现在4.26μm 处。因此，使用波长为 4. 26 μm 的红外线做传感器光源能够准确地检测废墟狭小空间内的 CO₂体积分数。

　　检测过程中，采用间隔采样的方法来完成体积分数变化率的计算，设两次采样的体积分数值为 I₁和 I₂，间隔时间为 ΔT，则 CO₂体积分数变化率为

　　采用式( 3) 对待测气体体积分数 c 和变化率 Δc 进行模糊化处理

　　式中 C 和 ΔC 为 c 和 Δc 的对应模糊集合量，f₂( ·) 为模糊化函数。