分布式光纖在公路隧道火災(zāi)監(jiān)控中的應(yīng)用研究

周永剛

摘要 文章研究了一種基于光纖光柵傳感器的新型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，以確定其在公路隧道火災(zāi)報(bào)警中的應(yīng)用潛力。該系統(tǒng)已經(jīng)過實(shí)驗(yàn)測試，并成功應(yīng)用于國內(nèi)多條公路隧道。結(jié)果表明，新型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)具有定時(shí)報(bào)警和快速上升報(bào)警的能力;根據(jù)最高溫度的位置可以快速精準(zhǔn)地確定火災(zāi)地點(diǎn);同時(shí)可以得到隧道內(nèi)的溫度分布和溫度發(fā)展規(guī)律。

關(guān)鍵詞 公路隧道;分布式光纖;火災(zāi)監(jiān)控;現(xiàn)場試驗(yàn)

中圖分類號 U453.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）05-0058-03

0 引言

公路隧道火災(zāi)是公路安全中最嚴(yán)重的安全問題之一，火災(zāi)往往造成巨大的損失。傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警技術(shù)包括煙霧探測器、火焰探測器、氣體探測器和基于電子的熱探測器等，在建筑、工廠等領(lǐng)域都發(fā)揮著重要的作用。但公路隧道由于其自身功能與結(jié)構(gòu)的限制，限制了常規(guī)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)在公路隧道中的應(yīng)用[1-3]。常見的原因如下所示：

（1）隧道內(nèi)煙氣濃度較高，限制了感煙探測器的應(yīng)用。

（2）存在灰塵、煙霧、油污等嚴(yán)重污染，影響光探測器的可靠性和靈敏度。

（3）火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的維護(hù)是一個非常困難的問題。如果在隧道內(nèi)維修火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，公路將面臨中斷問題，由此帶來的經(jīng)濟(jì)損失將不可估量。

（4）溫度范圍寬泛。在以年為尺度的時(shí)間單位內(nèi)，環(huán)境溫度會有一定的波動，波動范圍很廣，因此系統(tǒng)應(yīng)具備定溫報(bào)警和升速報(bào)警功能，并可根據(jù)環(huán)境溫度自動設(shè)置報(bào)警的溫度閾值[4-6]。

因此，公路隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)仍面臨惡劣環(huán)境的挑戰(zhàn)。光纖由于具有不受各種干擾發(fā)射、耐腐蝕、壽命長等特點(diǎn)，在各種環(huán)境中被廣泛應(yīng)用于信息的傳輸。光纖傳感器（FBG）還具有抗干擾能力強(qiáng)、體積小、靈敏度高、多路復(fù)用等優(yōu)點(diǎn)，將其應(yīng)用于公路隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)?；诶⑸涞睦碚?，分布式光纖溫度傳感器被認(rèn)為21世紀(jì)最具有前景的新式傳感器。光纖布拉格光柵（FBG）傳感器技術(shù)最早發(fā)明于20世紀(jì)90年代。FBG用于傳感的主要優(yōu)勢有：

（1）長距離、大范圍監(jiān)測。

（2）分布式不漏監(jiān)。

（3）耐腐蝕、抗電磁干擾，長期穩(wěn)定好。

（4）多參量測量技術(shù)。通過一根光纜，采用不同調(diào)制解調(diào)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對應(yīng)變、溫度以及震動等多變量感測。

（5）絕緣、無須現(xiàn)場供電。

（6）系統(tǒng)成本低，易于集成。

（7）測試精度高，定位精準(zhǔn)。

該文研究了一種基于光纖光柵傳感器的新型火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，以確定其在公路隧道火災(zāi)報(bào)警中的應(yīng)用潛力。對報(bào)警系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試，并論述了其部分應(yīng)用情況。

1 原理與技術(shù)

1.1 光纖光柵溫度傳感原理

FBG傳感器的基本原理已被一些論文和書籍介紹。光纖布拉格光柵是一種波長相關(guān)的濾波器/反射器，它通過在光纖的核心引入周期性折射率結(jié)構(gòu)而形成。在光纖中注入光譜寬頻帶光源，光柵根據(jù)折射率變化周期反射布拉格波長處的窄帶光譜成分。當(dāng)FBG周圍溫度升高或降低時(shí)，由于熱脹冷縮效應(yīng)，周期也會升高或降低。所以反射光的波長是相應(yīng)改變的。大量研究表明，F(xiàn)BG反射光波長的變化，即布拉格波長，與溫度變化具有良好的線性關(guān)系。因此，可以通過檢測反射光的波長偏移來精確地獲得光纖光柵上的溫度。

在實(shí)際應(yīng)用中，光纖光柵封裝在傳感器頭部。許多光纖光柵傳感器由一根普通光纖連接。這些傳感器可以設(shè)置在光纖上的任何一點(diǎn)。一般來說，測量的溫度在50～150 ℃之間，這僅受光纖的耐久性或傳感器的包裝材料的限制。與傳統(tǒng)的熱探測器相比，F(xiàn)BG傳感器對溫度波動的響應(yīng)更快，因?yàn)樗某叽绾苄?，通常小? cm。由于溫度信息是由光波長獲取的，而光波長在傳輸過程中是不可能改變的，光能量會隨著光纜長度、光纖彎曲程度和光源的波動而變化，因此FBG傳感器具有更高的溫度測量精度。研制一種基于FBG傳感器的火源監(jiān)測系統(tǒng)，在測量位置精度與溫度精度方面具有無與倫比的優(yōu)勢與抗干擾能力。

1.2 基于光纖光柵傳感器技術(shù)的公路隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

FBG傳感器作為火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的一種有吸引力的替代方案，已在一些石化工廠中得到應(yīng)用，但該技術(shù)在公路隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中應(yīng)用還存在一些困難。

首先，光源波長帶寬的限制與所需的光纖光柵傳感器數(shù)量龐大之間存在沖突。眾所周知，光纖光柵在波長1 550 nm附近的溫度靈敏度為0.01 nm/CC，傳感器中每個光纖光柵的3 dB帶寬通常為0.2 nm。如果溫度增加，波長會發(fā)生1 nm的偏移。另一方面，當(dāng)溫度下降100 ℃時(shí)，波長也會向相反的方向偏移1 nm。因此，每個傳感器將使用2 nm的波長資源，這是同一傳感光纜中其他傳感器無法共享的。但光源的波長帶寬一般為60 nm，單個FBG傳感器至少需要2 nm，因此一根光纖電纜最多只能串聯(lián)30個FBG傳感器。然而，隧道往往很長，需要很多傳感器才能采集到隧道沿線的所有溫度信息。所需的傳感器數(shù)量通常超過100個，在一些較長的隧道中可能達(dá)到數(shù)百個。如何在高速公路火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中增加多路復(fù)用光纖光柵傳感器的數(shù)量是當(dāng)前最重要的問題。

其次，對反射波長進(jìn)行解調(diào)，將波長轉(zhuǎn)換為溫度信息。但是用于波長解調(diào)的設(shè)備通常非常昂貴。如果有一些解調(diào)器設(shè)備，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的成本將非常高。如何降低解調(diào)器和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的成本是一個亟待解決的問題。

高速公路隧道FBG傳感器火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。它包括光纖光柵傳感器、傳輸光纖、解調(diào)器、火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)控制器和監(jiān)控報(bào)警系統(tǒng)的用戶界面。整個系統(tǒng)只有FBG傳感器位于隧道內(nèi)，另一部分可以集成在隧道外的控制室中，系統(tǒng)也可以由遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)訪問。

在圖1中，根據(jù)公路隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)國家設(shè)計(jì)規(guī)范，將隧道按照從50～100 m的長度劃分為幾個測量分區(qū)。FBG傳感器反射的一個波長對應(yīng)一個測量的子區(qū)域，在子區(qū)域設(shè)置10～20個相同的FBG傳感器。所有的子區(qū)域都用不同的布拉格波長λ1，λ2…λn來區(qū)分，如圖2所示。例如，在布拉格波長為λ2的子區(qū)域中，有許多FBG傳感器，可將其復(fù)用的數(shù)量設(shè)置為20個，但其布拉格波長是相同的。一旦任一傳感器在該分區(qū)的溫度發(fā)生變化，布拉格波長λ2也會相應(yīng)變化。對于整個火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的多個子區(qū)域，如果有30個測量子區(qū)域，則有600個光纖光柵傳感器與30個不同波長復(fù)用。當(dāng)一束廣譜光束發(fā)射到一個子區(qū)域的每個FBG傳感器上時(shí)，光源的部分波長和功率被反射，另一部分被傳輸?shù)较乱粋€子區(qū)域。反射光的波長標(biāo)志著某一分區(qū)。所以沿著光纖的任何分區(qū)都可以檢測到溫度，反射布拉格波長的位移可以表示溫度的變化。對于某一布拉格波長，位移速率對應(yīng)溫度的變化率，位移長度對應(yīng)變化尺度。通過測量移頻和移標(biāo)，可以實(shí)現(xiàn)速度上升報(bào)警和定溫報(bào)警。

在上面討論的技術(shù)中，火災(zāi)的位置可以指向一個確定的分區(qū)，但分區(qū)中的位置不能指向。為了找到準(zhǔn)確的火點(diǎn)和每個傳感器，發(fā)明了編碼FBG傳感器技術(shù)。

2 公路隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)與應(yīng)用

2.1 現(xiàn)場試驗(yàn)

為了驗(yàn)證上述觀點(diǎn)，該文進(jìn)行了公路隧道火災(zāi)報(bào)警實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。由于實(shí)驗(yàn)測量長度為60 m，所以沒有測量分區(qū)，使用了13個傳感器。

在該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中，公路隧道為真實(shí)運(yùn)營隧道，隧道尺寸為：寬9.8 m，高7.14 m，長100 m。13個不同布拉格波長的光纖光柵傳感器每隔5 m通過光纖連接在一起，設(shè)置在隧道頂部，但距離隧道頂部0.5 m。因此，光纖光柵傳感器距離地面約6.6 m。初始條件為：32 ℃，空氣自然對流?；馂?zāi)報(bào)警系統(tǒng)門限設(shè)置：定溫報(bào)警45 ℃，升速報(bào)警0.2 ℃/s。

試驗(yàn)步驟如下：

（1）安裝和調(diào)試火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。

（2）通過火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，每隔10 s記錄隧道內(nèi)溫度分布。

（3）30 s后撲滅了大火，但記錄時(shí)間又持續(xù)了30 s。

公路隧道的實(shí)驗(yàn)場景和照片如圖3所示。火災(zāi)發(fā)生在距離隧道入口20 m處，位于傳感器下方。坐標(biāo)的原點(diǎn)應(yīng)該在隧道的入口處。傳感器安裝在0 m、5 m、10 m、15 m、20 m等位置。火焰的高度約為2 m。燃燒了30 s后，火被撲滅了。然后，大量濃煙升起到隧道的頂部，沿著隧道蔓延。

試驗(yàn)結(jié)果表明，火場上方傳感器首先在10 s處發(fā)出報(bào)警信號，該傳感器位于火場上方20 m處。20 m附近的其他傳感器也會在60 s內(nèi)觸發(fā)報(bào)警信號，表示溫度或上升速率已經(jīng)達(dá)到閾值。同時(shí)，系統(tǒng)軟件可以獲得大量的溫度數(shù)據(jù)，如圖4和圖5所示。

圖4為在60 s內(nèi)火區(qū)部分測點(diǎn)的溫度，圖5為每隔10 s得到的隧道溫度分布。從圖4中可以看出，傳感器在20 m處的溫度在30 s內(nèi)迅速上升，之后下降，火災(zāi)被抑制。25 m和30 m的傳感器的溫度在30 s后仍會上升，這是因?yàn)榛鹧嫦绾?，熾熱的濃煙會將傳感器加熱。由于空氣對流，靠近入口?5 m處傳感器的溫度只緩慢上升。在圖5中，可以清楚地看到火點(diǎn)在20 m。30 s后，最高溫度下降，但其他點(diǎn)的溫度因煙霧而升高。

綜上所述，新的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)固定溫度報(bào)警和快速升溫報(bào)警;根據(jù)最高溫度的位置可以很容易地確定火災(zāi)地點(diǎn);同時(shí)可以得到隧道內(nèi)的溫度分布和溫度發(fā)展規(guī)律。由于熱煙擴(kuò)散到附近的傳感器，滅火后溫度不會立即下降，而是緩慢上升。

2.2 實(shí)際應(yīng)用

基于上述理論和實(shí)驗(yàn)，研制了基于光纖光柵傳感器的公路隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，并應(yīng)用于國內(nèi)多條公路隧道的火災(zāi)監(jiān)測。實(shí)際報(bào)警系統(tǒng)與上述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的唯一區(qū)別是前者有一些分區(qū)，后者沒有分區(qū)。根據(jù)現(xiàn)場安裝反饋和使用體驗(yàn)，與傳統(tǒng)的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)相比，如果安裝正確，新型的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)通?？梢宰詣佑|發(fā)報(bào)警信號，而且不需要定期維護(hù)和測試?；馂?zāi)的位置和發(fā)展可以以較高的測溫精度直觀地確定。

3 結(jié)論

該文介紹了一種基于光纖光柵傳感技術(shù)的公路隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)和應(yīng)用結(jié)果表明了光纖光柵傳感系統(tǒng)在火災(zāi)報(bào)警中的應(yīng)用能力。該報(bào)警系統(tǒng)具有恒溫報(bào)警和快速升溫報(bào)警功能，可根據(jù)最高溫度位置方便地確定火場位置。

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