文/謝飛 陳雁 何少煒

前言

光纖光柵傳感技術(shù)是隨光纖通信技術(shù)發(fā)展而迅速發(fā)展起來的嶄新技術(shù)，光纖光柵傳感器可以用于測(cè)量溫度、壓力、應(yīng)力、地震波以及聲波等參量，在電力、石油、航空航天、生物、國(guó)防、環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，目前研究開發(fā)的傳感器達(dá)到百種[1～3]。光纖光柵傳感是以光信號(hào)的形式在光纖中傳輸，具有抗電磁干擾、耐腐蝕、長(zhǎng)期穩(wěn)定、復(fù)用能力等優(yōu)勢(shì)，特別適用于易燃易爆等惡劣環(huán)境，因此在石油行業(yè)應(yīng)用尤其廣泛，如液位測(cè)量、管道泄漏檢測(cè)等[4～5]。油庫(kù)是高危場(chǎng)所，決定了其火災(zāi)報(bào)警設(shè)施要求安全程度高、性能可靠、測(cè)量準(zhǔn)確、安裝簡(jiǎn)便，基于光纖光柵感溫探測(cè)技術(shù)上的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)能夠很好地滿足油庫(kù)的需求。

1.光纖光柵感溫探測(cè)技術(shù)分析

1.1 光纖光柵感溫原理

光纖布拉格光柵是利用紫外光通過相位模板對(duì)光敏光纖曝光，使光纖中折射率周期分部，形成光柵。當(dāng)外界寬光譜光源射入光纖光柵時(shí)，則光纖光柵將反射回一個(gè)中心波長(zhǎng)為布拉格波長(zhǎng)的窄帶光波，其布拉格波長(zhǎng)為：

其中，λB是反射光波的布拉格波長(zhǎng)，neff是光纖芯的有效折射率，Λ是光柵周期。neff和Λ對(duì)外界環(huán)境的變化非常敏感，當(dāng)光柵受到熱負(fù)荷、外界力等外界激勵(lì)的時(shí)候，neff和Λ隨之發(fā)生變化，從而導(dǎo)致λB的變化。因此通過檢測(cè)受外界激勵(lì)后光柵的反射光譜的布拉格波長(zhǎng)的變化，即可以測(cè)定光柵受激勵(lì)影響的程度[6]。

當(dāng)外界環(huán)境的溫度變化時(shí)，布拉格波長(zhǎng)的變化為：

基于彈光效應(yīng)和波導(dǎo)效應(yīng)導(dǎo)致的光纖光柵漂移系數(shù)，以及溫度導(dǎo)致的應(yīng)變，得到光纖光柵溫度靈敏度系數(shù)為：

其中，P11和P12為光纖光柵材料的彈光系數(shù)，Kwg為波導(dǎo)效應(yīng)引起的波長(zhǎng)漂移靈敏度系數(shù)。由此可知，KT取決于材料本身。

實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)溫度T變化不大時(shí)，KT基本上可以確定為一與材料系數(shù)相關(guān)的常數(shù)[7]。經(jīng)過特殊工藝設(shè)計(jì)，溫度傳感器可以有效避免溫度變化導(dǎo)致的應(yīng)變等其他外界激勵(lì)的干擾，因此，布拉格波長(zhǎng)的變化與環(huán)境溫度的變化呈線性關(guān)系。通過測(cè)量光纖光柵反射波長(zhǎng)的偏移，并對(duì)其進(jìn)行解調(diào)，即可比較容易地得到環(huán)境溫度的變化。

1.2 光纖光柵火災(zāi)探測(cè)原理

光纖光柵火災(zāi)探測(cè)原理如圖1所示。寬帶光源通過Y型分路器入射到光纖光柵感溫探測(cè)器中，光纖光柵選擇性地反射回一窄帶光波，窄帶光波經(jīng)Y型分路器進(jìn)入可調(diào)濾波器。可調(diào)濾波器采用光纖F-P可調(diào)濾波技術(shù)解調(diào)反射光波，得到窄帶光波的布拉格波長(zhǎng)[8]。

圖1

根據(jù)火災(zāi)探測(cè)報(bào)警溫度的需求，可調(diào)濾波器可設(shè)置報(bào)警濾波波長(zhǎng)。當(dāng)環(huán)境溫度低于報(bào)警溫度時(shí)，反射光的布拉格波長(zhǎng)小于可調(diào)濾波器設(shè)置的報(bào)警濾波波長(zhǎng)，可調(diào)濾波器的輸出端口無光輸出；當(dāng)發(fā)生火災(zāi)，環(huán)境溫度達(dá)到報(bào)警溫度時(shí)，反射光的布拉格波長(zhǎng)與可調(diào)濾波器設(shè)置的報(bào)警濾波波長(zhǎng)重合，可調(diào)濾波器的輸出端口有光輸出，探測(cè)器探測(cè)到光信號(hào)，則觸發(fā)火災(zāi)報(bào)警。

2.光纖光柵感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

2.1 系統(tǒng)組成

光纖光柵感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主體由感溫探測(cè)器、感溫火災(zāi)信號(hào)處理器、火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)組成，還包括起串聯(lián)作用的連接光纜、光纜接續(xù)盒、傳輸光纜等結(jié)構(gòu)，見圖2。

圖2

感溫探測(cè)器是火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的核心測(cè)量組件，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖3所示，主要由測(cè)量光柵、導(dǎo)熱感溫材料等部分組成，光柵兩端通過不銹鋼管連接光纜。

圖3

感溫火災(zāi)信號(hào)處理器包括光纖光柵解調(diào)器、信號(hào)處理器和外接端子分配器三部分組合。解調(diào)器為感溫探測(cè)器提供寬帶光源，并對(duì)反射光進(jìn)行調(diào)制解調(diào)，將解調(diào)數(shù)據(jù)輸送到信號(hào)處理器進(jìn)行處理。信號(hào)處理器接收來自解調(diào)器解調(diào)后的數(shù)據(jù)，經(jīng)過分析和計(jì)算得到每個(gè)感溫探測(cè)器檢測(cè)到的實(shí)時(shí)溫度，指揮報(bào)警系統(tǒng)的控制與輸出信號(hào)，當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)溫度發(fā)生異常時(shí)發(fā)出預(yù)警、報(bào)警。外接端子分配器是外接多路輸出設(shè)備，可連接至火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。

圖4

2.2 系統(tǒng)特性

光纖光柵感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)應(yīng)用于油庫(kù)具有顯著優(yōu)勢(shì)：

（1）電絕緣性能好?，F(xiàn)場(chǎng)安裝時(shí)，可以不動(dòng)火不用電，帶油安裝，不影響油罐的正常生產(chǎn)運(yùn)行；系統(tǒng)運(yùn)行時(shí)，傳感器利用光波傳輸信息，儲(chǔ)油罐區(qū)可實(shí)現(xiàn)無電檢測(cè)，本質(zhì)安全。

（2）抗干擾能力強(qiáng)。光強(qiáng)起伏、電磁輻射、雷擊等因素不會(huì)影響傳感信號(hào)的波長(zhǎng)特性，系統(tǒng)具有很高的可靠性和穩(wěn)定性。

（3）系統(tǒng)可靠性好。系統(tǒng)可實(shí)時(shí)顯示現(xiàn)場(chǎng)溫度，報(bào)警溫度可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)需要進(jìn)行設(shè)置或變更，且具有可靠的故障自檢功能

（4）監(jiān)測(cè)區(qū)域廣。采用波分復(fù)用技術(shù)的光纖光柵便于構(gòu)成分布式傳感陣列，非常適合在儲(chǔ)油區(qū)進(jìn)行大面積的多點(diǎn)測(cè)量。

3.火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在油庫(kù)的應(yīng)用

某部隊(duì)后方油庫(kù)地處西北地區(qū)，夏季高溫干燥，易發(fā)生火災(zāi)，油庫(kù)原有的油氣濃度火災(zāi)報(bào)警器敏感度不高、穩(wěn)定性差，無法滿足火災(zāi)監(jiān)測(cè)和報(bào)警要求，因此采用光纖光柵火災(zāi)感溫報(bào)警系統(tǒng)。

油庫(kù)儲(chǔ)油罐區(qū)內(nèi)26座立式內(nèi)浮頂儲(chǔ)油罐、6座臥式埋地回空罐安裝光纖光柵感溫探測(cè)器，消防值班室安裝感溫火災(zāi)信號(hào)處理器對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行管理和設(shè)置，并通過網(wǎng)絡(luò)將系統(tǒng)信息傳送至辦公樓火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)。

以2萬方儲(chǔ)油罐區(qū)為例，8座2萬方儲(chǔ)罐配置一臺(tái)24通道光纖光柵感溫火災(zāi)信號(hào)處理器，每座2萬方儲(chǔ)油罐安裝42只光纖光柵感溫探測(cè)器。感溫探測(cè)器采用分布式結(jié)構(gòu)單回路連接，按3串鋪設(shè)，每串13只。感溫探測(cè)器用固定卡固定在儲(chǔ)罐罐頂護(hù)欄底板，固定間距不大于1米，采用圓周鋪設(shè)。

火災(zāi)監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)可以實(shí)時(shí)跟蹤和探測(cè)儲(chǔ)油罐區(qū)32座油罐的現(xiàn)場(chǎng)溫度，系統(tǒng)運(yùn)行界面如圖4所示。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)溫度達(dá)到65℃或升溫速度超過5℃/min時(shí)，系統(tǒng)將發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

安裝完成后的光纖光柵火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要有以下技術(shù)指標(biāo)：

（1）感溫探測(cè)器

測(cè)溫范圍：－30℃～120℃

測(cè)量精度：±2℃

溫度分辨率：0.1℃

響應(yīng)時(shí)間：＜ 2s

（2）感溫火災(zāi)信號(hào)處理器

報(bào)警溫度設(shè)定范圍：65℃～105℃

每通道最大傳感器點(diǎn)數(shù)：20個(gè)/通道

信號(hào)處理器每一通道響應(yīng)時(shí)間：＜ 0.38s

該光柵光纖火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)2017年在油庫(kù)建成并投入使用，通過實(shí)測(cè)證明，報(bào)警系統(tǒng)運(yùn)行狀況良好。

4.結(jié)束語

光纖光柵感溫火災(zāi)探測(cè)技術(shù)具有眾多天然的優(yōu)勢(shì)，是目前應(yīng)用于油庫(kù)火災(zāi)報(bào)警的最佳技術(shù)之一。基于該技術(shù)的油庫(kù)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在儲(chǔ)油罐區(qū)內(nèi)的成功應(yīng)用證明該技術(shù)能夠很好地解決油庫(kù)火災(zāi)監(jiān)測(cè)和預(yù)警的難題。根據(jù)它的技術(shù)特點(diǎn)及實(shí)際應(yīng)用情況，該系統(tǒng)可以進(jìn)一步在油庫(kù)其他易燃易爆等高危場(chǎng)所推廣應(yīng)用，比如變電站、泵站等場(chǎng)所。