光纖光柵在高速公路隧道火災(zāi)報警系統(tǒng)中的應(yīng)用

卜 俊 濤

(山西省交通信息通信公司，山西 太原 030006)

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光纖光柵在高速公路隧道火災(zāi)報警系統(tǒng)中的應(yīng)用

卜 俊 濤

(山西省交通信息通信公司，山西 太原 030006)

介紹了光纖光柵傳感器的基本結(jié)構(gòu)及工作原理，分析了光纖光柵在實際應(yīng)用中的優(yōu)劣勢，并闡述了光纖光柵在高速公路隧道火災(zāi)報警系統(tǒng)中的應(yīng)用技術(shù)，促進(jìn)了光纖光柵火災(zāi)報警監(jiān)控系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。

光纖光柵，傳感器，隧道，火災(zāi)報警系統(tǒng)

光纖光柵傳感器顧名思義以光纖作為主要數(shù)據(jù)傳輸媒介，它所傳輸?shù)氖禽d體光波，能夠快速精確感知和傳輸被測量的外界信號，并借助光纖Bragg光柵的波長漂移功能來實時測量外界的濕度、溫度、液位、壓力、流量等等能夠引起波長產(chǎn)生變化的指標(biāo)因素。從傳輸光的特性來看，光纖光柵傳感器明顯更加敏感，它突破了傳統(tǒng)電類傳感器的局限性，在對波長測量的自校能力、抗電磁干擾能力、抗腐蝕能力、抗燃防爆能力方面都有所加強(qiáng)，更重要的是它靈敏度極高，且測量應(yīng)用范圍廣，體積小，非常易于在工程中實施安裝和維護(hù)。

1 光纖光柵傳感器的工作原理

1.1 光纖光柵的基本結(jié)構(gòu)

本文所提到的光纖光柵是光纖Bragg光柵，它歷史悠久且應(yīng)用廣泛，見圖1。

該種光纖光柵通過改變光纖芯區(qū)折射率來產(chǎn)生周期性調(diào)制，最終形成，所以它的光纖中應(yīng)該包含了纖芯和包層，又由于n2(纖芯折射率)>n1(包層折射率)而最終形成波導(dǎo)，讓光能夠在光纖纖芯中順利傳播，從而形成光纖Bragg光柵。光纖Bragg光柵對入射光源是具有選擇性的，如果入射光不符合匹配條件，則僅能反射相當(dāng)少一部分光進(jìn)入光柵?？紤]到光纖光柵中的Bragg波長是由光柵周期Λ和反向耦合的有效折射率neff所共同決定的，所以當(dāng)光柵周期與有效折射率發(fā)生物理改變而進(jìn)行波長漂移時，光纖光柵傳感這一功能也就形成了。

1.2 光纖光柵在實際應(yīng)用中的優(yōu)勢與劣勢

1)優(yōu)勢。首先，光纖光柵具有極強(qiáng)的抗干擾能力，而且與普通傳輸光纖相比不會影響到光波的頻率特性，且忽略了光纖的非線性效應(yīng)。比如在光源強(qiáng)度起伏、光纖微彎效應(yīng)能夠引起隨機(jī)起伏時，光纖光柵傳感系統(tǒng)的可靠性與穩(wěn)定性都更高。其次，它的傳感器探頭結(jié)構(gòu)十分簡單且尺寸較小，能夠適用于任何場合，而且它也可以埋設(shè)在復(fù)合材料與大型建筑物內(nèi)部，對結(jié)構(gòu)的完整性、安全性、載荷疲勞與損傷程度等等都能進(jìn)行長時間持續(xù)的監(jiān)測。再者，它的測量結(jié)果具有較好的重復(fù)性，且工藝十分成熟，可以實現(xiàn)規(guī)模量產(chǎn)化。

2)劣勢。光纖光柵傳感在應(yīng)用系統(tǒng)中必須采用寬帶大功率光源，因為只有這樣才能提升系統(tǒng)的信噪比，實現(xiàn)可靠信號檢測，這就提升了對它的應(yīng)用成本。另外，由于它采用了波長漂移的表現(xiàn)形式，所以想要提高檢測靈敏度與分辨率就必須采用高性能單色儀與光譜儀，這樣也會增加系統(tǒng)造價，降低其使用性價比。上述兩個問題都應(yīng)該成為今后光纖光柵進(jìn)行成本優(yōu)化改良的重要關(guān)鍵。

2 高速公路隧道中的光纖光柵火災(zāi)報警系統(tǒng)設(shè)計及應(yīng)用

2.1 高速公路隧道中火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成

光纖光柵傳感器是高速公路火災(zāi)監(jiān)控系統(tǒng)的主要組成部分，其他設(shè)備還包括了解調(diào)儀、聯(lián)動報警裝置、傳輸光纜、計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)等等，見圖2。

當(dāng)火災(zāi)發(fā)生時，光纖光柵感溫火災(zāi)報警監(jiān)控系統(tǒng)就能感受到這一溫度變化的巨大異常，通過監(jiān)測設(shè)備持續(xù)觀察顯示溫度變化并在適當(dāng)情況下報警。光纖光柵傳感器的監(jiān)測設(shè)備相當(dāng)敏感，可以通過波長的變化來時刻感知溫度，并實時采集數(shù)據(jù)，然后將所采集到的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為溫度值，通過TCP/IP來實現(xiàn)數(shù)據(jù)傳輸。當(dāng)溫度值超過某一門限后，單位時間內(nèi)的串口就會發(fā)聲發(fā)光顯示報警信號，根據(jù)火災(zāi)的現(xiàn)場狀況和級別來分級報警，相當(dāng)智能化。

2.2 傳感器在隧道中的布設(shè)

為了能夠精確感知公路隧道中任何一處的火災(zāi)事故，對隧道中傳感器的布設(shè)就顯得尤其重要，例如布設(shè)的位置、距離等等。本文采用復(fù)用技術(shù)在高速公路隧道中的應(yīng)用探討光纖光柵的傳感器布設(shè)技術(shù)。

1)復(fù)用技術(shù)。所謂復(fù)用技術(shù)還分為空分復(fù)用、時分復(fù)用、波長頻率復(fù)用、相干復(fù)用等等。一般來說在高速公路隧道中所采用的都是波分復(fù)用(WDM)。波分復(fù)用技術(shù)還分為多點(diǎn)波分復(fù)用與多區(qū)域波分復(fù)用。多點(diǎn)波分復(fù)用雖然布點(diǎn)上優(yōu)勢明顯，但是它的復(fù)用容量卻相當(dāng)有限，只能在一根光纖上串接不同波長的光纖光柵傳感器，然后將波長值與監(jiān)測點(diǎn)的位置對應(yīng)銜接。相比較而言，多區(qū)域波分復(fù)用技術(shù)就能彌補(bǔ)多點(diǎn)波分復(fù)用的不足，它在復(fù)用容量上更充足，可以實現(xiàn)對大段高速公路隧道的分區(qū)域性火災(zāi)報警。所以兩種技術(shù)共同組成了波分復(fù)用，使得光纖光柵實現(xiàn)了整個高速公路隧道段的火災(zāi)報警全同步化，并通過組網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)了資源信息共享。

2)傳感器的安裝。在公路隧道中，基于波分復(fù)用技術(shù)來合理安裝光纖Bragg光柵感溫傳感器探測頭相當(dāng)重要，其關(guān)鍵要點(diǎn)就是安裝位置間隔距離。傳感器探測頭的分布不能過密也不能太稀疏，過密會導(dǎo)致信號處理量系統(tǒng)成本的增加，而分布稀疏又達(dá)不到火災(zāi)探測的靈敏度和精確效果。所以一般來說，如果500 m<隧道長度<10 000 m，傳感器探測頭的安裝間距應(yīng)該在7 m距離以內(nèi)。而如果隧道長度大于10 000 m時，則探測頭的安裝間距應(yīng)該在8 m距離以內(nèi)。在探測頭的頂部要用鋼絞線將其固定成直線狀，然后用掛鉤將每個探測頭之間的鋼絞線銜接在一起，使得整條隧道內(nèi)的所有傳感器探測頭都以光纜直線形態(tài)分布，并確保它們不會影響到隧道內(nèi)車輛的正常通行以及其他設(shè)施的正常工作。如果是長隧道或者隧道群，光纖Bragg光柵感溫傳感器探測頭在感知信號過程中就需要運(yùn)用到光纜進(jìn)行遠(yuǎn)程信號的實時傳輸。另外，如果隧道是雙排車道，則要考慮設(shè)置雙排傳感器探測頭，即雙排鋪設(shè)。但也并不排除在某些工程設(shè)計中，隧道頂部正中央僅采用單排鋪設(shè)一根光纖光柵的設(shè)計。保持它們的行距在5 m左右，而每一排的傳感器探測頭之間則保持8 m左右的間距。從縱向角度來看，傳感器探測頭之間的縱向距離則要保持在4 m左右[2]。

3 光纖光柵火災(zāi)預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)在實際公路隧道中的應(yīng)用

3.1 某高速公路設(shè)置光纖光柵火災(zāi)預(yù)警監(jiān)控系統(tǒng)的要求與原則

以某長度為5 km的高速公路隧道為例，它的原始火災(zāi)報警設(shè)備已經(jīng)無法實現(xiàn)遠(yuǎn)程實時自動報警，而且設(shè)備呈現(xiàn)老化狀態(tài)，對故障感知已不靈敏，需要安裝光纖Bragg光柵火災(zāi)報警監(jiān)控系統(tǒng)來滿足現(xiàn)有項目的工程開發(fā)需求。此次設(shè)備安裝的基本要求是能夠滿足24 h的實時隧道內(nèi)溫度監(jiān)測，在發(fā)現(xiàn)溫度異常時發(fā)出聲光報警信號，同時要能對各個監(jiān)測點(diǎn)的所有溫度進(jìn)行實時記錄存儲，確保報警數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，能夠?qū)崿F(xiàn)前后數(shù)據(jù)的對比參考。另一方面，新設(shè)備的安裝也要符合可靠性、先進(jìn)性、高性價比與開放性等原則。

3.2 實施應(yīng)用

該隧道的超限溫度定義為90 ℃，一旦溫度超過70 ℃就會自動報警，超過60 ℃時開啟二級火災(zāi)報警，而超過50 ℃則為一級火災(zāi)報警。該監(jiān)控系統(tǒng)擬建與解調(diào)儀、PC網(wǎng)絡(luò)端以及工控機(jī)等等基于數(shù)據(jù)通信TCP/IP實現(xiàn)連接，進(jìn)而提升整個系統(tǒng)對于隧道中溫度變化的反應(yīng)靈敏度。

當(dāng)監(jiān)控系統(tǒng)開始運(yùn)行時，如果發(fā)生火災(zāi)報警，系統(tǒng)就會自動進(jìn)入PC端主界面，如果是超限報警，所有區(qū)域按鈕則全部會變?yōu)樯罴t色。而火災(zāi)報警時，所有區(qū)域按鈕則又變?yōu)樯罴t色。一二級火災(zāi)報警時，按鈕呈橙色，正常溫度時按鈕則為綠色。

當(dāng)報警區(qū)域按鈕被點(diǎn)擊后，就會直接跳入系統(tǒng)區(qū)域界面，也可以在文本對話框中輸入數(shù)字進(jìn)行區(qū)域選擇查詢。而在控制區(qū)的第二區(qū)域發(fā)生火災(zāi)報警時，操作人員也能夠同時看到兩區(qū)域的火災(zāi)報警光柵參數(shù)。在平時安全狀態(tài)下，可以進(jìn)入監(jiān)控系統(tǒng)對火災(zāi)報警歷史進(jìn)行查詢，當(dāng)點(diǎn)擊火災(zāi)報警歷史記錄按鈕時，系統(tǒng)界面就會顯示近期內(nèi)所有的火災(zāi)報警記錄，操作人員甚至可以選擇時間點(diǎn)來進(jìn)行分類查詢[3]。

4 結(jié)語

光纖Bragg光柵火災(zāi)報警監(jiān)控系統(tǒng)是基于傳統(tǒng)系統(tǒng)技術(shù)之上的全新無電信號檢測系統(tǒng)，它通過對光纖光柵傳感原理及感溫原理的研究進(jìn)行制作、軟件處理、數(shù)據(jù)檢測和傳輸，實現(xiàn)了以串口為主的火災(zāi)事故報警監(jiān)控技術(shù)。它良好的完成了高速公路隧道內(nèi)的所有火災(zāi)預(yù)警任務(wù)，在工作性、穩(wěn)定性和精確性都達(dá)到了現(xiàn)代公路交通的安全標(biāo)準(zhǔn)，值得被廣泛推廣應(yīng)用。

[1] 鄭云橋.光纖光柵高速公路火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計與應(yīng)用研究[D].武漢：武漢理工大學(xué),2009：4-18.

[2] 姜德生,何 偉.光纖光柵傳感器的應(yīng)用概況[J].光電子·激光,2002,13(4):420-430.

[3] 程 偉.基于光纖光柵的公路隧道火災(zāi)報警監(jiān)控系統(tǒng)的研究[D].哈爾濱：黑龍江大學(xué),2012:16-19.

The application of FBG in highway tunnel fire alarm system

Bu Juntao

(ShanxiTransportationInformationCommunicationCorporation,Taiyuan030006,China)

This paper introduced the basic structure and working principle of FBG sensor, analyzed the advantages and disadvantages of FBG in practical application, and elaborated the application technology of FBG in highway tunnel fire alarm system, promoted the application of FBG fire alarm system.

FBG, sensor, tunnel, fire alarm system

1009-6825(2016)11-0200-02

2016-02-01

卜俊濤(1984- )，男，助理工程師

U458

A