公路隧道光纤光栅感温火灾报警系统

隧道是高速公路建设的关键部分，在隧道中进行实时、准确的火情监测对保障公共财产安全和人身安全有着十分重要的意义。本文从光纤光栅感温系统原理出发，着重分析了系统结构以及在实际高速公路隧道中的应用。标签：高速公路火灾光纤光栅传感器报警系统光敏特性折射率波长0引言高速公路正成为今日社会的经济命脉，公路隧道更是其咽喉重地。大量的人员及货物夜以继日的通过它们运送到各地，其高负荷运行使其系统易损坏，任何细小的事故都将导致严重的后果。火灾，是公路隧道以及地下铁路隧道所面临的高度危险之一。现代化交通系统的迅速发展，大大增加了隧道火灾的潜在危险。（例如：隧道长度的不断增加，双向行车道，高危险性的货物，隧道内由于大交通流量而日益增加的火灾荷载等等因素。鉴于隧道内环境特殊，火灾一旦发生，往往会一发不可收拾；并且由于缺乏逃生设施及救护人员，加之司机与乘客惊慌失措，很可能造成重大伤亡。隧道的火灾特点：发生在隧道中的火灾，多数是开放性火灾，它带有浓烟，其热辐射率为数兆瓦级，在数分钟内便可形成火灾。经广泛的试验（包括路面车辆和地徽列车），一起火灾通常在8-10分钟完全形成。对于大型货运卡车，大约为20-30分钟。当有燃料泄漏并形成坑/池时，火灾在1-3分钟内完全形成。“隧道火灾”实例的测试显示，在大约5分钟之后，车辆火灾的温度升至大约200摄氏度。在这些发现的基础上，我们得出如下结果：当隧道中发生一起严重的火灾，在最先的4分钟内，在火灾点上方的热空气层可以探测到温度每分钟上升大于50摄氏度。隧道通风将产生特定的影响。一般的测试都显示，在大于2m/s的纵向风时，一辆汽车或列车火焰向上飘动，顶部的温度仅达到60摄氏度。并且，在距火灾发生地20米远的地点，顶部温度将降到50摄氏度以下。因此，在高速气流时热幅射的升温梯度是唯一的报警相关标准。在有消防通风系统时，为确保排烟空气流速必须增加至大于3m/s。另一方面，这增加了5个单位的燃烧速率，并且对隧道顶部的热空气层将更具破坏性。一些更先进的通风系统，在火灾发生时，从隧道火灾发生位置的顶部排烟。为此应只开启火灾发生位置的通风口，并关闭新风系统。为了确保火灾报警的可靠且无误报，火灾探测系统应能记录开放式火灾的辐射区域，这是极其重要的。此外由于表面热幅射所传递的热量要比热气体的热对流交换所传递的快一些，所以火灾探测系统应能迅速探测温度变化，在隧道中进行实时、准确的火情监测对保障公共财产安全和人身安全有着十分重要的意义。光纤光栅传感技术是近几年发展起来的新一代传感技术，它采用对波长信号的数字式测量方法，具有极高的测量精度和抗干扰能力，已应用于许多领域的安全监测，满足了实际工程的需要，并在石化、电力、交通等领域得到了大规模应用。我们经过物理实验得知诸如温度、压力和张力等对玻璃纤维会造成影响，并且能够局部地改变光纤中的光线传导特性，从而光线在传导中会产生散射，并会在石英玻璃纤维中衰减，外部物理影响的位置就能够被确定，这样光纤就能够作为一种线性的传感器。光纤感温探测系统是一套利用光纤作为线性感温探测器的高新技术，其基本原理是利用光纤中石英分子键会受温度上升而产生晶格振动。这种振动会导致在光纤中传输的光产生散射（喇曼散射及R.aylei曲散射），而散射量的大小可以直接反应温度的高低。因此光纤感温探测系统可以将环境温度以连续的线性方式表示出来。光纤感温探测系统的另一个崭新的技术是可以准确地定位温度变化的确切位置。系统通过OTDK、OFDR（光时域及光频域反射测量法）及连续FFT（快速傅立叶变换）对讯息进行外理，将微小的时空差别以频率方式体现出来实现精确定位，从而构成一套精密的光纤线性感温探测系统。而在光纤光栅感温火灾报警系统中，它是利用光纤芯层材料的光敏特性，通过紫外准分子激光器采用掩模曝光的方法使一段光纤（约8mm）纤芯的折射率发生永久性改变，折射率的改变呈周期性分布，形成布喇格光栅结构，如图1所示。光纤芯层原来的折射率为n2,被紫外光照射过的部分的折射率变为n2′，折射率的分布周期d就是光纤光栅的栅距；当宽带光通过光纤光栅时，满足布喇格条件的波长被光栅反射回来，其余波长的光透射，反射光波长随光栅栅距d的改变而改变。由于光栅栅距d对环境温度非常敏感，因此，通过检测反射波长的变化可以计算出环境温度的改变量。反射光波长的改变量通过信号处理器来检测，它是系统中的另外一个核心部件。系统中的信号处理器采用可调法布里－珀罗腔技术进行波长检测。当信号处理器检测到光纤光栅的反射波长出现异常，它会发送一个报警信号给火灾报警控制器，火灾报警控制器再发出采取措施的信号，如图2所示。隧道的火灾监测和报警系统中，按照国家相关规范，要分区进行，一般50-100米为一个监测报警区域，这个区域某个监测点处发生火灾，整个区域的火警系统必须启动。波分复用与全同光纤光栅混合复用的方法如图3所示，系统将隧道分为多个监测区，不同监测区域以全同光栅的波长为1,九2.•入n进行区分，每个区域的长度为50-100米，所有的区域共享一套解调与计算机控制系统。为1,九2...M中每一个波长对应的监测区内有许多监测点，同一监测区的所有监测点采用全同光栅，通常100米的监测区布设10〜15个监测点，这些监测点上的光纤光栅的反射波长都等于该区域的对应波长。如果系统检测到大i波长产生了移动，就表明它所监测的隧道区域发生了火警。通过这种混合复用的方法,大大增加了系统的测量距离和测量点数,使之能够应用到长距离的隧道工程中去。光纤光栅感温火灾报警系统的组成光纤光栅感温探测器传输光缆及光缆接线盒信号处理器火灾报警控制器手动报警按钮光纤光栅感温探测器光纤光栅感温探测器由连接光缆和探头组成，其中探头部分由不锈钢连接管、导热感温管、光纤光栅等部分组成，如图4所示。外界温度发生变化时，会导致光纤光栅的周期发生变化，所以其反射回去的波长也相应产生偏移，这个偏移量被信号处理器获得，计算出温度的变化量。光纤光栅探测器的适用的温度范围很广，在－40℃到120℃之间均能正常工作。探测器探头的结构参数如下：直径使用环境温度抗拉弯曲半径7mm-40℃―120℃100N250mm系统中光纤光栅探测器的探头分为检测探头和自检探头两种：①检测探头其主要作用是检测现场环境温度，实时传递火灾报警信息给信号处理器。在隧道现场，检测探头被连接光缆串接悬吊敷设于隧道顶部。检测探头之间相互串接，形成线型结构，单个通道中按波长不同分为不同的监测分区。每个监测区域按一定的间隔布置全同光栅探头，这样，任一探测器附近的温度发生变化，都会被信号处理器获得，并通过波长的不同确定温度变化发生的分区位置。②自检探头其主要作用是随时检测现场所有检测探头是否正常工作，有效防止断纤、系统出现误报警等现象，保证设备可靠运行。自检探头串接于检测光缆的尾端。传输光缆及光缆接线盒传输光缆传输光缆将隧道控制室内信号处理器和隧道内光纤光栅探测器连接在一起，用来传输光信号。光缆规格如下：光缆直径使用环境温度承压重量最小弯曲半径10mm—40℃〜120℃700Bar33kg/km250mm光缆接线盒光缆接线盒用来保护光纤接头的熔合点和光纤连接法兰。光路上的这些连接点是比较脆弱的部分，一定要用合适的接线盒来保护，使之能在恶劣环境下正常工作。信号处理器信号处理仪器内部有调制解调器、信号转换处理电路、报警参数设置模块、报警显示模块。信号处理器为光纤光栅感温探测器提供稳定的宽带光源，同时对检测光栅返回的光信号进行解调。信号通过转换处理电路进行解调，处理成最终的实测温度值，温度值由信号处理器通过RS232/RS485通讯端口输出给上位机，并在上位机上显示。信号处理器自身可进行光报警，还输出火灾报警四路触点信号和感温探测器自检探头四路触点信号；通过RS232/RS485端口和火灾报警控制器连接，可实现分区温度显示、分区报警和各光路故障报警。火灾报警控制器火炎报警控制器接受信号处理器和手动报警按钮的信号，显示各个监测区的温度，在温度达到设定的报警时启动报警程序。①控制器容量：a最大容量为242个地址编码点。b可外接64台火灾显示盘；联网时可接32台其它类型控制器。c64路手动消防启动盘。d最大可配置14个多线制控制点。②线制a控制器与探测器间采用无极性信号二总线连接。b多线制控制点与模块之间采用无极性二线连接。c与彩色CRT系统通过RS232标准接口连接，最大连接长度不宜超过15m。③电源交流220V±10%。④功耗控制器监控功耗：＜20W。控制器最大功耗：＜60W。手动报警按钮手动报警按钮用于现场人员发现火警后向火灾报警控制器发送报警信号，当人工确认发生火灾后，按下此钮，即可向火灾报警控制器发送报警信号，控制器接受到报警信号后，显示出报警按钮的编号或位置并发出警报。手动报警按钮的接线直接连接到火灾报警控制器总线上。手动报警按钮采用明装和暗装的方式均可。光纤光栅感温火灾报警系统在实际中的应用在实际工程使用中，光纤感温探测系统光纤控制主机设置于地铁站台或公路（铁路）隧道的消防控制室内，引出一路光纤监控整个隧道，探测距离可达4000m。主机提供RS232及数字信号接口，可通过COM接口或Modem将信号传送至OTS-PC监控系统，遂道中光纤线缆传感器安装在遂道顶部，居中布置，光纤外套上有每米的长度标识，可方便与遂道长度对照。光纤采用高强度尼龙夹固定，尼龙夹的设置建议每米一个（参考值为1m〜2m）,光纤允许有一定的弯曲，但弯曲半径不小于60mm。采用光纤线缆传