（信号与信息处理专业论文）光纤光栅感温火灾报警系统的研制.pdf

竺堡兰竺三垒耋三兰竺：竺篁塞 t h e d e v e l o p m e n to ft e m p e r a t u r e s e n s i t i v ef i r e h a z a r d - a l a r m i n gs y s t e mo ff b g a b s t r a c t t h es t a b i l i t yo ft r a d i t i o n a lf i r eh a z a r d a l a r m i n gp r o d u c t i o n si si o w e ra n di t s r e q u e s tf o rm a i n t e n a n c et e c h n o l o g yi sh i g h e r t r a d i t i o n a lf i r eh a z a r d a l a r m i n g p r o d u c o o n sa r en o ts u i t a b l ef o rb e i n gu s e di nb i go i l c a no ro l e i cs t o r e r o o m r e g i o n i n p e t r o c h e m i c a l si n d u s t r y , h i g hv o l t a g er e g i o n i ne l e c t r i c a l p o w e r i n d u s t r y , a n ds o m es p e c i a ll o c a t i o n i nt h et h e s i s ，t h ed e v e l o p m e n ts i t u a t i o na n d t r e n do ff i r ea u t o m a t i ch a z a r d a l a r m i n g s y s t e m h o m ea n d a b r o a dw e r e i n v e s t i g a t e di nd e t a i l an e wk i n do ft e m p e r a t u r e s e n s i t i v ef i r eh a z a r d a l a r m i n g s y s t e mo ff i b e rg r a t i n gw a sd e s i g n e du s i n gt h ea d v a n t a g eo ff i b e rg r a t i n gs e n s o r t h ef i r e h a z a r d a l a r m i n gs y s t e m s o l v e s t h e d i s a d v a n t a g eo ft r a d i t i o n a l f i r e h a z a r d - a l a r m i n gs y s t e m ，a n di th a sg r e a tp r a c t i c a ls i g n i f i c a n c e i nt h et h e s i s ，s e v e r a ld e m o d u l a t i o np r o j e c t se x i s t i n go ff i b e rg r a t i n gs e n s o r w e r es t u d i e d ，a n dt h e a d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e s ep r o j e c t sw e r e a n a l y z e dr e s p e c t i v e l y t h ed e m o d u l a t i o np r e c i s i o nw i t hd w d ma n df b ga s d e m o d u l a t i o ng r a t i n gw a sc o m p a r e db y u s i n g m a t l a bs i m u l a t i o n t h e s i m u l a t i o nr e s u l ti n d i c a t e d ：d e m o d u l a t i o nw a sa b l et ob ed o n ee x a c t l yb yu s i n g d w d ma sd e m o d u l a t i o ng r a t i n gw h e nt h e r ew e r en o ts e v e r a lr e f l e c t i o ns p e c t r u m o fd i f f e r e n tt e m p e r a t u r es e n s i n gg r a t i n g s ，w h i c ha r r i v e da td e m o d u l a t i o ng r a t i n g s i m u l t a n e o u s l y 。b u tw h e nt h e r ew e r es e v e r a ir e f l e c t i o ns p e c t r u mo fd i f f e r e n t t e m p e r a t u r es e n s i n gg r a t i n g s ，w h i c h a r r i v e da td e m o d u l a t i o n g r a t i n g s i m u l t a n e o u s l y ，d e m o d u l a t i o nw a sn o ta b l et ob ed o n ee x a c t l yb yu s i n gd w d m a sd e m o d u l a t i o n g r a t i n g a n dc o u l d b r i n g m i s i n f o r m a t i o n p h e n o m e n o n d e m o d u l a t i o nc o u l db ed o n ee x a c t l yb yu s i n gf b ga sd e m o d u l a t e dg r a t i n ga n d c o u l dn o tb r i n gm i s i n f o r m a t i o np h e n o m e n o na sm e n t i o n e da b o v e t h e r e b yf b g w a su s e da sd e m o d u l a t i o ng r a t i n gm a t c h i n gw i t hd e m o d u l a t i o np r o j e c t t h eh a r d w a r ec i r c u i to fe n t i r e s y s t e mw a sd e s i g n e d a n df a b r i c a t e d a c c o r d i n gt ot h er e q u e s to ft h es y s t e mo nt h ec h i p ，m a i nc o n t r o l l i n gc i r c u i t i i # 口 ； 如、 哈尔滨理丁大学t 学硕七学位论文 i _ - _ _ - l _ _ _ - i l _ _ l | i _ _ l = i l - l = l i _ e _ - l i - _ _ l i _ l _ _ - _ l - _ _ l _ l _ m o d u l eo fm c uw a sd e s i g n e d ，i n c l u d i n gp o w e rs u p p l y i n gm o d u l e ，k e y p r e s s m o d u l e ，l c dm o d u l e ，u a r t 0s e r i a l c o m m u n i c a t i n gm o d u l e ，4 8 5a n d t e m p e r a t u r ec o n t r o l l e rc o m m u n i c a t i n gm o d u l e t h eb o t t o mp r o g r 锄o fe n t i r e s y s t e mw a sc o m p i l e di nm o d u l a r i z a t i o nb yu s i n gt h es o f t w a r ek e i lc 5 1 t h e b o t t o mp r o g l a mi n c l u d e s k e y - p r e s sm o d u l e ，l c dm o d u l e ，u a r t os e r i a l c o m m u n i c a t i n gm o d u l e ，a dc o l l e c t i n gm o d u l e ，4 8 5a n dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l i n g c o m m u n i c a t i n gm o d u l e i na d d i t i o n ，t h ea n t i - j a m m i n gp r o b l e m sn e e d i n gt ob e c o n s i d e r e do fd a t ac o l l e c t i n gs y s t e mo nt h ec h i pw e r ed i s c u s s e d 。a n dt h ea n t i j a m m i n gp r o b l e m so fc i r c u i tb o a r dw e r ea n a l y z e de s p e c i a l l yi nd e s i g n i n g s y s t e m a t i c a l l y k e y w o r d s f i r eh a z a r d a l a r m i n gs y s t e m ；m a t c h i n gd e m o d u l a t i o n ；d w d m ；f b g m 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文光纤光栅感温火灾报警系统 的研制，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进 行研究工作所取得的成果。据本人所知，论文中除己注明部分外不包含他人已 发表或撰写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文 中以明确方式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：身0 识型日期：5 午哆月1 工l 孑 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 光纤光栅感温火灾报警系统的研制系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士 学位期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工 大学所有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔 滨理工大学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交 论文和电子版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用 影印、缩印或其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密囱 。 ( 请在以上相应方框内打) 4 作者签名：啾朝素婪日期：州年哆月肚e t 导师签名：至乡与 醐。彤年朔闻 兰玺鎏翌：奎：要：兰竺兰兰 1 1 课题背景 第1 章绪论 火灾作为危害人类生存的大敌，越来越受到人们的重视。随着石化产业、 高层建筑的不断增多，火灾隐患增加。一旦发生火灾，将对人们的生命财产造 成极大的危害，于是人们开始寻求一种早期发现火灾的方法，以便控制和扑灭 火灾，减少损失，保障生命安全。传统的火灾自动报警系统装置中一般采用电 子感应式探测器，但该类火灾报警产品存在下列不足： ( 1 ) 火灾报警产品及系统价格昂贵，整个系统施工、维护技术要求高； ( 2 ) 产品质量及稳定性低，防潮性能低，对环境的湿度要求相应较 高； ( 3 ) 电子感应器( 主要是烟感器) 的密封性能差，这是该类产品无法克服的 设计缺陷，以致经常因灰尘或蚊虫进入而误报警。调查及统计表明，烟感器及 系统的误报警率较高，原因不明的报警率多达3 0 ； ( 4 ) 电子感应式产品的灵敏度往往被调得过高，使得产品产生不必要的报 警干扰，不能与自动灭火系统联动。 由于传统的火灾报警装置采用的是电子感应式探测器，不适合在石化行业 大型油罐、油库区和电力行业高电压场所及许多特殊场所诸如隧道、危险品仓 库等使用“1 。因此将被新兴一代传感器件一光纤布拉格光栅传感器所取代。 光纤光栅是最近几年发展最为迅速的光纤无源器件之一。自从1 9 7 8 年 k o h i l l 。1 等人首先在掺锗光纤中采用驻波写入法制成世界上第一只光纤光 栅以来，由于它具有很多独特的优点，人们将其用于光通信的同时也致力￥将 其应用与各种物理量的传感“”。近年来光纤布拉格光栅( f b g ) 在光传感方面的 研究已经越来越受到人们重视。随着光纤光栅制造技术的不断完善，应用成果 的日益增多，使得光纤光栅成为目前最有发展前途、最具有代表性的光纤无源 器件之一。光纤光栅的出现，使许多复杂的全光纤通信和传感网成为可能， 极大地拓展了光纤技术的应用范围。 f b g 传感器的一个优势在与探测信息被调制在波长中，相对于其它基于光 强测量方法，这种方法具有许多明显的优点，其中最重要的是波长是绝对不变 的参量”1 。这样波长检测就不受光纤连接器、耦合器或光源等的光强水平和损 ：至蒌耋：查：兰罂圭：兰篓兰 耗的影响。 f b g 传感器的波长编码特性及其可复用性是其它类型传感器所无法比拟 的。基于f b g 传感器在许多方面得到了应用，特别是作为植入式传感器用在 智能结构中，来实时检测负载、应变、温度、振动等其它参量。因为多个光栅 可以都刻在同根光纤上，并利用多路复用技术来编址，所以f b g 传感器具 备了分布式传感测量的能力“。 要使f b g 传感器的以上优越性能在这些应用领域得到施展，必需研究具 有高灵敏度、光能利用率高、操作简单、价格低廉和适用于工程应用的波长位 移检测技术。 快速而可靠地检测光栅反射光的波长，即对f b g 的波长编码信号进行解 调，是实现f b g 传感应用的关键。 与普通机械、电子类传感器相比，f b o 传感器具有以下优点“： ( 1 ) f b o 传感器是一种以波长调制的数字式传感器，是以光波信号传输， 被测现场无电信号，因此，具有高可靠性、高安全性特点； ( 2 ) 克服了传统的感温火灾探测自动报警系统存在的复用能力差、易受电 磁干扰、误报率高、火灾地点探测不准、应用维护工作量大、系统联网能力差 等缺点： ( 3 ) 温度测量范围宽，可对现场温度进行连续监测，可将温度探测开关量 与模拟量、差温式与定温式有机结合，可实现火灾报警和早期预警功能； ( 4 ) 很强的适应性、容错能力和并行处理能力； ( 5 ) 较高响应速度、高灵敏性和高可靠性，误报率低，火灾位置探测准 确： ( 6 ) 抗电磁干扰能力强，绝缘性能高，可以工作在高压、大电流及爆炸环 境中，光纤质量轻、柔性好、工程安装方便； ( 7 ) 可应用于油库、液化气罐等不适合应用电子式传感器的场所； ( 8 ) 可以做成密封结构，抗潮湿、腐蚀性好；探测器维护简单，可免清 洗； ( 9 ) 较强网络能力，一根光纤上的温度探测器可分布于数千米范围，并具 有良好的i n t e r n e t 接入能力，是适合远程报警和监控的分布式智能感温火灾报 警系统。 哈尔滨理工大学t 学硕卜学位论文 1 2 光纤光栅传感技术及其发展状况 与传统的强度调制和相位调制的光纤传感器相比，波长调制型的f b g 传 感器具有许多独特的优点n ”： 1 抗干扰能力强，因为传输光纤不会影响光波的频率特性；另一方面 f b g 传感系统从本质上排除了各种光强起伏的干扰，例如，光源强度的起伏、 光纤微弯效应引起的随机起伏、耦合损耗等都不可能影响传感信号的波长特 性，因而基于f b g 的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。 2 f b o 是自参考的，可以进行绝对测量( 在对光纤光栅进行定标后) ，不 必如基于条纹计数的干涉型传感器那样要求初始参考。 3 传感探头结构简单，尺寸小( 其外径与光纤本身等同) ，适合各种场 合，尤其是智能材料和结构。便于埋入复合材料构件及大型建筑物内部，对结 构的完整性、安全性、载荷疲劳、损伤程度进行连续实时监测。 4 便于构成各种形式的光纤传感网络，尤其是采用波分复用( w d m ) 技术 构成分布式f b g 传感阵列，进行大面积的多点测量。 5 测量结果具有良好的重复性。 6 光纤的写入工艺较成熟，便于形成规模生产( 商品化) 。 国际上，美、荚、加拿大等西方发达国家以及亚洲的日本、韩国利用其在 光通信领域的优势和巨大资金的投入，处于f b g 传感领域的领先地位，主要 研究机构有：美国的海军实验室( n r l ) 、国家航空航天管理局“”( n a s a ) 的大实 验室( l a r g e r r e s e a r c hl a b ) 、b l u er o a dr e s e a r c h 公司、m i c r o no p t i c s 公司等；英 国的k e n t 大学、c i t y 大学、s m a r tf i b e r s 公司等；加拿大的p h o t o n i c sr e s e a r c h 公司以及韩国的国家光子研究中心等“”“州，研究内容包含：利用f b g 传感器 实现潜艇、鱼群等水下物体的测量与定位( 即f b o 水听器) ；军民用火箭( 导 弹) 、飞机等航天器中新型复合材料组件结构完整性和应力、应变状况实时监 测：桥梁、大坝、楼宇等民用工程中钢筋混凝土结构的长期健康状况监测“”； 海啸、地震、山体滑坡等地质灾害的预测；肿瘤热疗过程中的温度监控、新生 儿呼吸率的监测、脑瘫及腿缺陷病人的步态分析等。研究的热点已从军用转向 民用，从单元器件的关键技术攻关和小规模传感器组网试验转向多参量、大规 模传感网络的工程化、实用化研究和开发“”“”。据统计利用f b g 传感器可以 测量的物理、化学和生物量包括温度、应变，压力、液位、电流、电压、折射 率、p h 值、呼吸率等7 0 多个。在上述被测量中，已有许多单元及中，小规模 哈尔滨理- 大学t 学硕十学位论文 f b g 传感系统从实验室阶段发展成为商品，其中尤以温度和应变传感最为成 熟，f b g 传感技术正在成为光纤传感的生力军。 在国内，由于国家自然基金、8 6 3 计划等国家基金以及其他部委专项基金 的支持和资助，f b g 的传感的应用研究取得了丰硕成果。在传感理论研究方 面，以清华大学、吉林大学、中科院半导体所、上海光机所等为代表，对光纤 的光敏性、成栅机理、光波传输规律等问题进行了深入研究“”；在f b g 传 感的关键技术研究方面，南开大学、武汉理工大学、重庆大学、西安石油大 学、深圳朗科公司、北京品傲公司、上海紫珊公司等单位作了各有特色的工 作。其中：南开大学在实现f b g 的温度、应变、扭矩等参量的区分测量方面 m ”1 ；哈尔滨工业大学、武汉理工大学、西安石油大学在传感器的封装和埋覆 方面；重庆大学在f b g ( 主要是长周期光纤光栅) 的传感应用方面；深圳朗科公 司在宽带光源( b b s ) 的研发方面；清华大学、北京品傲公司、上海紫珊公司在 f b g 解调方面均取得了显著的成绩幢3 ”1 。在实际工程应用方面，哈尔滨工业 大学、香港理工大学、上海紫珊公司已完成将f b g 传感系统用于呼兰河、青 马、卢浦等桥梁的结构监测；清华大学、武汉理工大学、西安石油大学、中 山大学等也开展了将f b g 用于压力、温度、液位、电流等参量的传感应用研 究，取得了不少阶段性成果。 虽然取得了上述成绩，但f b g 传感器在国内仍处于研发阶段，尚有许多 关键技术和工艺问题需要进一步深入研究和完善”1 。比如在波长解调方面，满 足工程需要的具有自主知识产权、经济型、小型化的解调设备始终没有重大突 破，成为制约我国f b g 传感系统工程应用的瓶颈；在制作方面，虽然有国家 光电子工艺中心、武汉邮电科学院、吉林大学等单位已经引进生产线，可以批 量刻制f b g ，但这些光栅多以通信应用为主，其传感性能并不一定最佳；在光 源方面，可调谐激光光源( t l s ) 、自激发辐射放大( a s e ) 宽带光源的稳定性和可 靠性有待进一步提高；在传感器的封装和保护方面，多为手工操作，产品一致 性差，不适合批量生产的自动化封装工艺的需要。 1 3 国内外火灾自动报警系统发展状况及发展方向 1 3 1 火灾探测技术的发展概况 表1 - 1 给出了火灾探测技术发展的概况及优缺点。 表l l 火灾探测技术的发展状况及存在的优缺点 t a b i - 1a d v a n c e m e n t s , m e r i t s a n d d e f e c t s o f f i r e d e t e c t i n g t e c h n o l o g y 类型 探测原理 存在优点存在缺点 感温探测： 利用金属不同热膨结构简单，电路 灵敏度低、探测速度慢、 双金属片胀系数、温升后易少：可靠性高，误报警时问迟；对阴燃火灾 式；易熔合熔合金、热敏电阻报率低；可做成密往往不响应，难满足火灾早 金、热敏电改变、热电偶产生封结构，防潮防火防期报警要求。 阻、热电偶电流等原理腐蚀性好，可在恶劣 环境中使用 感烟探测分别利用电离后离可提前报警时间；离子型：控制范围窄，不 ：离子子受烟雾粒子影响光电感烟探测对浅适丁：燃烧缓慢、阴燃火及燃 感烟探测使电离电流减小及色烟雾十分敏感： 烧初期产生大颗粒黑烟的火 光电烟雾烟粒子对光的散射无放射性污染；环灾；温度性差误报率 探测效应的原理境湿度变化对它影响高。灵敏度受环境影响大； 很小有放射性污染，生产储 存、报废困难 火焰探测：分别响应波长可探测不可见区域红外火焰探测器在透镜结 红外火焰 7 0 0 n m ( 紫外) 辐起火、又无烟雾的易压气体火焰时，反应不灵 火焰探测射磁通量燃易爆场所敏；紫外火焰探铡易受电 焊弧、雷击等影响 气体探测技多利用敏感元件铂可提前报警时间可燃气体的腐蚀作用会降低 未 遇可燃气体氧化，探测器的灵敏度。需定期清 改变自身电阻的原 理 理 声学探测技探测1 6 h z 以f 的可去除大部分的噪声虽已有样机，但离实际应用 术 燃烧音干扰有一定距离 1 3 2 火灾探测技术的发展方向 1 复合探测技术单一参数火灾探测器对火灾特征信号响应灵敏度不均匀 而导致其探测能力受限，它只能根据不同场所及该场所可能发生的火灾类型来 选用探测器，一旦选择不当便会造成误、漏报，因此出现了多传感信息融合技 星垒鎏垩：查兰：翟：耋竺兰兰 术。它根据几个参数之间逻辑与、或及其它复杂算法来探测火灾，如d a n i e l t g o t t u k 1 等采用s m o k e x c o + s m o k e + c 0 = 2 5 的逻辑关系来探测火灾，对庚 烷、酒精、汽油、棉花纤维、棉芯、聚亚安酯等进行试验，其响应速度及误报 率降低方面均比单一感烟探测有所提高。 2 高灵敏度吸气式红外探测技术此技术用主动吸取空气样本进行烟粒子 探测。通常空气中烟粒子浓度达到1 0 0 0 个c i 1 1 3 时即可报警，其灵敏度比普通 感烟探测器高1 0 0 0 倍，报警时间提前3 0 - 1 2 0 m i n ，且可有效消除电磁、强光、 脉冲干扰等引起的误报。但它只适于超干净环境，如机房、电站、航空测试中 心等特殊场合。 3 光纤探温技术此技术采用光纤作为信号传感和传输媒体，利用r a m a n 散射及光时域反射原理通过a d 采集拾取信号并分析，测定沿光纤分布的线性 温度场的温度参数，并据此设定报警阈值1 。目前使用的光纤可达4 0 0 0 m ，测 温范围一3 0 0 + 9 0 0 c ，最高达6 0 0 0 0 ( 2 ，定位精度1 5 1 1 1 。此技术特别适用于不 易接近的地方，且不受电磁、湿度等干扰，可用于隧道、大型变压器间及特殊 场合。 4 模糊神经网络对火灾信号处理技术 ( 1 ) 模糊推理方法环境变化如气候、电子噪声等引起传感器采样信号变化 常与火灾参数变化特征相似，且火灾事件的偶然性及外界干扰不确定性等使火 灾信号探测十分困难。它要求信号处理算法能适应环境变化自动调整参数以达 到探测快速性及低误报率目的。采用模糊推理算法可较好解决实现这一要求 输入信号以温度、温度变化率、c o 、c o 变化率及风速五变量为例。由传感器 传来的信号经预处理，进入模糊系统转化为模糊量，根据推理规则推出火灾发 生的分布函数，经去模糊处理，输出火灾或非火灾结果。其中推理规则主要是 根据经验和实际观察所得。 ( 2 ) 神经网络( a n n ) 方法对火灾探测这种非结构性问题，人的识别能 力最强，故采用类似人的、具有很强自适应、自学习、高容错、并行处理能力 的神经网络方法来处理更接近人的思维。网络经过训练，进入工作状态。信号 经预处理，送入网络，经计算得输出值火灾或非火灾概率，由门限法判断 为火灾或非火灾结果。采用此方法关键在于选择合适的网络结构、网络参数及 有代表性的模式对。 ( 3 ) 模糊神经网络方法上述两种方法均不需精确的数学模型，但都有一定 缺点：如模糊推理方法自动调整隶属函数和推理规则较难；而神经网络则采用 黑匣子式的方法，且输出采用简单的门限方法，很难准确判断。两种方法的融 合是一种较好的发展趋势，既增强神经网络处理信息的可理解性，还能自动生 成模糊隶属函数，提高模糊规则的精度，提高了火灾探测系统的智能化程度。 5 火灾图像探测技术 ( 1 ) 图像感焰火灾探测技术利用摄像头对现场进行监视，并对摄得的连续 图像采集卡转换为数字图像输入计算机，不断进行图像处理、分析，通过早期 火灾火焰的形体特征来探测。较好解决了多信号同步和匹配问题，与神经网络 方法结合，会进一步提高系统的可靠性和实用性。 ( 2 ) 光截面图像感烟火灾探测技术以主动红外光源为目标，结合红外面阵 接收器形成多光束红外光截面，通过成像和图像处理方式，测量烟雾穿过红外 光截面对光的散射、反射及吸收情况。利用各种算法可有效解决由于烟雾颜 色、大小、空间高度、气流和震动等引起的误、迟报问题。它具有智能化程度 高，应用范围广、探测距离超长、获取信息成本低、对焰火和阴燃火响应灵敏 度高、误报率低、抗干扰和适应性强等优点，代表火灾探测技术的较高水平。 6 c o 气体探测技术采用c o 作为火灾探测参数之一具有下列优点： ( 1 ) c o 含量变化早于烟雾和火焰输出，响应速度快： ( 2 ) 无放射性污染； ( 3 ) c o 分子可通过烟不能通过的极小缝隙； ( 4 ) c o 比空气轻，扩散能力比烟雾强，能更有效到达探测器； ( 5 ) 对感烟探测方法产生误报的误报源不产生c o ，故对c o 探测器不产生 影响； ( 6 ) c o 分子通过扩散方式由火源传到探测器，故不会像烟雾探测器那样因 空气对流不利而不报警，它是烟流受热分层效应阻碍的区域里和有限区域里发 生火灾的有效探测方法。 在火灾检测技术中最常见的方法是以温度为敏感指标，这是因为温度检测 的难度和成本较光( 红外、紫外) 的检测和气体( 燃烧产物) 的检测低，而且便于 使用维护。但在矿井火灾的检测中，普通温度传感技术的优点却不复存在。这 是因为在长距离大范围的火灾检测中，采用有源检测方式的温度传感器将导致 监测系统的庞大和复杂，其成本和维护工作量激剧增加。因此，有必要寻求一 种新的技术途径，以满足长距离大范围的火灾检测的需要。目前，应用较广泛 的是光纤记忆合金火灾检测定位技术“它的基本原理是由记忆合金热敏 元件与光纤一起构成的温度传感器是一种新型的无源火灾传感器。记忆合金热 敏元件的原理是，在某一特定的温度条件下，将记忆合金加工成某一特定的形 状，然后在室温条件下使该元件产生机械变形后定形，当环境温度升高到原特 哈尔滨理丁大学t 学硕十学位论文 定的温度点时，该记忆合金热敏元件将恢复成原来的特定形状。记忆合金热敏 元件感温动作时，将压迫光纤，使其产生微弯曲，而据光纤的微弯曲效应原 理，在弯曲处将有光的漏泄，即光功率损耗。从光时域反射仪的扫描曲线上可 以看到漏泄点产生突降，据此可以检测火灾的发生和进行火源的定位。 但是这种检测方法价格比较昂贵，为了寻求一种成本低，检测效果好的火 灾报警系统，我们设计了一种新型的光纤光栅感温火灾报警系统。 1 4 课题的主要内容 本文主要做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 介绍了光纤光栅传感技术的现状和发展趋势以及目前国内外火灾报警 系统的发展概况和发展方向，并比较了各种火灾报警系统的优缺点； ( 2 ) 研究了现有的光纤光栅传感器的几种解调方案，分析了几种方案各自 的优缺点，运用m a t l a b 模拟比较了密集波分复用( d w d m ) 和光纤布拉格光 栅( f b g ) 作为解调光栅时的解调精度，从而确定一种最佳的解调光栅。 ( 3 ) 对整个系统的硬件电路进行了设计和制作。根据片上系统的要求，完 成了m c u 主控电路模块的设计，包括电源模块、按键模块、液晶显示模块、 u a r t 0 串口通信模块，4 8 5 和温控器通信模块；此外，还探讨了片上系统所需 要考虑的抗干扰问题，并着重在系统的设计角度分析了电路板的抗干扰问题。 ( 4 ) 根据系统的要求，通过模块化编程，完成整个系统底层程序的编写， 包括按键模块、液晶显示模块、u a r t 0 串口通信模块、a d 采集模块、4 8 5 和 温控器通信模块。 ( 5 ) 总结已经完成的研究工作，并对进一步研究作出规划。 哈尔滨理t 大学t 学硕十学位论文 第2 章光纤光栅传感器的原理与解调技术 2 1 引言 随着1 9 7 8 年世界上第一只f b g 的研制成功，就以其许多独特的优点，在 光纤激光器、光纤传感器及声光调制器等方面的研制与开发日益受到重视。 f b g 在传感器领域中的应用近年来异军突起，作为传感元件最为突出的优点是 感应的信息用波长编码，而波长这个绝对参量不受光源功率的波动及连接或祸 合损耗的影响，传感信号可长距离传输且不受电磁信号的干扰。特别地，还很 容易在一根光纤上连续制作多个光栅，所制得的光栅阵列轻巧柔软，与时分复 用和波分复用技术结合，很适合于作为分布式传感元件埋入材料或结构内部， 还可以贴装在其表面，这对于目前国际上热门研究的智能材料、灵巧结构有着 非常重要的意义。 近年来，f b g 在传感领域的应用越来越引起人们的重视。同其它同类型传 感器件相比，光纤传感器具有可靠性好、抗电磁干扰、耐腐蚀、能在复杂的化 学环境下工作等特点。此外，其波长编码特性及其可复用性更是其它类型传感 器所无法比拟的。对f b g 的波长编码信号进行解调，是实现f b g 传感应用的 关键。 2 2f b g 及其传感原理 温度、应变的变化会引起f b g 的栅距和折射率的变化，从而使f b g 的反 射谱和透射谱发生变化。通过检测f b g 反射谱或透射谱的变化，就可以获得 相应的温度、应变信息，这就是f b g 测量温度、应变的基本原理。 2 2 1f b g 的光学特性 f b g 是利用光纤纤芯物质的光敏特性，用强度周期变化的紫外光( 波长应 在2 4 0 - - 2 6 0 n m 之问选取) ，从光纤的侧面照射，那么与光强最强处对应的芯层 的截面的折射率将会发生永久的改变。利用目前的光纤光栅制作技术，如全息 相干法、分波面相干法以及相位模板复制法等，制作出来的一般都是均匀周期 正弦型光栅，其纤芯折射率如正弦分布。 哈尔滨理t 大学工学硕士学位论文 用耦合波理论对f b g 基本光学特性的分析，f b g 的基本光学特性主要由 以下三个参数来表征： 1 布拉格波长厶它是f b g 中基模光能满足布拉格条件的波长。根据光 纤光学理论“，即使是基模，与它相应的射线方向也与光纤的光轴有一很小的 夹角中( 见图2 1 ) 。 图2 - 1 光纤布拉格光栅分析图 f i g 2 - 1a n a l y z i n gd i a g r a mo f f i b e rb r a g gg r a t i n g 该射线对布拉格光栅的掠角设为0 ，显然痧+ 口= 9 0 ，满足布拉格条件 的波长厶，可以证明应满足 厶= 2 a n , s i n o k( 2 - 1 ) 或 矗2 2 a 吨c o s 西七( k = - i ，2 ，3 ，) ( 2 - 2 ) 式中一- c o s 咖通常称为有效折射率7 锄，它的大小介于啊，n 2 之间，即 啊 席咿 n 2 ，这样上式可写成 砧2 2 彳行够，七 ( 2 3 ) 式中彳为栅距。 2 峰值反射率眉最大的反射率r 可按下式求出： 胄= t a n h 2 ( k l ) ( 2 - 4 ) 式中的三为光栅长度，k 是一个与厶，拧盯折射率调制的程度等参量有关的一 个量，是它们的函数，通常用实验测定。 3 反射光谱的带宽4 厶如果反射光的波长是厶，那么它有一定的带宽， 可按下式计算： 4 厶= 厶2 k 2 + ( 碰) 2 l ，2 ，2 三( 2 - 5 ) 堕互鎏詈：奎耋王：耋：竺鎏苎 2 2 2f b g 传感的原理 f b g 传感器的传感原理如图2 - 2 。用一宽光谱光源注入光纤，则每个f b g 都反射回一个中心波长为布拉格波长的窄带光波，其布拉格波长为： 厶= 2 n , 矿a ( 2 - 6 ) 搿，+ 耋吐蓁嘻 图2 - 2 光纤光栅传感原理图 f i g 2 - 2p r i n c i p l ed i a g r a mo f f i b e rg r a t i n g 1 1 8 0 t 8 其中彳是光栅周期，刀。是纤芯的有效折射率。任何对光栅的激励影响如 温度或应变，都将导致f b g 波长的改变，这个改变可以从光栅的反射光谱中 检测出来，并且将这个改变的布拉格波长与以前没受激励影响时的布拉格波长 进行比较，可以测定光栅受激励程度。 2 3 温度、应力对f b g 波长的影响 由式( 2 6 ) 可知，f b g 波长随k 和厶而改变的，因此布拉格波长对外界 力、热负荷极其敏感。应变和压力影响布拉格波长是由于光栅周期的伸缩以及 弹光效应引起的，而温度影响波长是由于热膨胀效应和热光效应引起的 当外界的温度、应变等参量发生变化时，布拉格波长的位移可表示为： 4 厶= 2 a a n d r + 2 n a a a ( 2 7 ) 2 3 1 温度对波长的影响 温度影响布拉格波长是由热膨胀效应和热光效应引起的1 。假设均匀压 力场和轴向应力场保持恒定，由热膨胀效应引起的光栅周期变化为； a a = 口- a a t ( 2 8 ) 式中口为光纤的热膨胀系数。 由热光效应引起的有效折射率变化为： 哈尔滨理工大学 学硕士学位论文 4 珂盯= 善n e f f a t ( 2 - 9 ) 式中善为光纤的热光系数，表示折射率随温度的变化率。 因此f b g 的温度灵敏度为 巧：罢每：口+ 善( 2 - 1 0 ) j d t j l 8 对掺锗石英光纤，口= o 5 1 0 - 6 ，常温下毒= 7 0 x 1 0 - 6 ，由此估算出常温下 f b g 的温度灵敏度为7 5 x 1 0 _ 6 c 。由于掺杂成分和掺杂浓度的不同，各种光 纤的膨胀系数口和热光系数孝有较大差别，因此温度灵敏度的差别也很大。 当温度变化不大时，一般都认为f 是一常数，因此布拉格波长的变化与温 度之间有较好的线性关系。5 0 k 3 5 0 k 时掺锗石英的 与温度t 的关系为： 磊= 一1 1 3 x 1 0 - 6 + 6 7 4 x i o - s t 1 1 2 x 1 0 - o t 2 ( 2 1 1 ) 对掺锗石英光纤，由于口 善，忽略口随温度变化产生的影响，则可以得 到掺锗石英f b g 的温度灵敏度公式为： 赫= - 0 6 3 1 0 - 6 + 6 7 4 1 0 - 8 t 1 1 2 1 0 1 0 t 2( 2 1 2 1 在实际应用中若温度变化范围较大，则应考虑温度的非线性影响。 2 3 2 应力对波长的影响 应力影响布拉格波长是由于光栅周期的伸缩和弹光效应引起的1 。假设 f b g 仅受轴向应力作用，温度场和均匀压力场保持恒定。利用相对介电抗渗张 量岛于介电常量乞的已知关系： 岛= l 占o = l ，砖 ( 2 1 3 ) 可得到： 僻倒= 4 阱一等 式中是某一个方向上光纤的折射率，这里是应力作用的方向，所以可以 用栉够代替，再利用纵向应变表达式s ：= m l ，则式( 2 1 ) 变为： - 丁( n 咿) 2a 1 水0 4 再利用材料的光弹性质： 4 昭= p 删“( 坍，7 - - - - l 2 ，6 ) 式中p 。为材料的光弹系数，结合式( 2 1 4 ) 嗍j ： 4 ( 1 厅刍l = 化。一屹只：一n 只，- ： 式中v 2 ，v 3 是p o i s s o n 比，且有： 11 f 尸j _ v 2b 【一屹j 由此便得到因轴向应力引起的波长厶的相对变化： 等= 一划22 镑2 卜弦：厶 i 疗盯j 。、 式中 巴= 掣倒= 学时喘刊 ( 2 - 1 5 ) ( 2 1 6 ) ( 2 - 1 7 ) ( 2 - 1 8 ) f 2 - 1 9 ) ( 2 2 0 ) 是f b g 应变灵敏度系数。对于石英光纤，可取4 厶厶= o 7 8 e , ，含有光 栅的光纤所允许施加张力的典型值达到1 ，也有用到5 应变的，但容易折 断光纤。 2 3 3 应力和温度对波长的交叉影响 假设温度变化范围不大，即在温度变化范围内材料的弹光系数和泊松比是 常数，可以得到应变一温度交叉灵敏度为： 舻箍= 坐判乖) 等+ 以掣 将式( 2 1 0 ) 年1 1 ( 2 - 1 9 ) 代入( 2 - 2 1 ) z 1 4 ： 哈尔滨理工大学工学硕七学位论丈 k r , = i p + 善x l 一) 一2 只爿- 厶= 疋一2 只善) 厶 ( 2 2 2 ) 由此可以得出： ( 1 ) f b g 的应变一温度交叉灵敏度对测量结果影响不大； ( 2 ) 测量范围越小，忽略交叉灵敏度所引起的应变和温度误差越小； ( 3 ) 相对于温度误差，忽略交叉灵敏度所引起的应变误差是很小的。 综上所述，如果忽略交叉灵敏度的影响，温度、应变共同作用引起的布拉 格波长的变化可以表示为： 一厶= 噼+ 疋) 厶 ( 2 2 3 ) 2 4f b g 传感器的信号解调技术 在实际工程应用中，f b g 传感信号解调通常可分为两部分：一部分为光信 号处理。完成光信号波长信息到电参量的转化，另一部分为电信号处理，完成 对电参量的运算处理，提取外界信息并以人们熟悉的形式输出显示。其中，光 信号处理，即传感光栅中心反射波长的跟踪分析，是其核心部分，很大程度上 决定了解调系统的分辨率、可靠性和成本1 。 目前，在布拉格波长为1 5 5 0 n m 典型的温度和应变灵敏度为1 3 p m c 和 1 1 5 p m 1 m “”。为了达到l 和1 0 1 m 的测量精度，对于中心波长的位移4 厶的 测量精度应优于0 0 1 n m 的量级。因此，4 厶的测量精度直接限制了整个系统 的检测精度，4 厶的检测技术也就成为光纤光栅传感的关键技术之一。 2 4 1 滤波法 1 体滤波法 如图2 3 所示，经f b g 反射后的光波通过另一个3 d b 耦合器耦合后，反 射光被分成等强度的两路，一路经与波长有关的滤波器滤波，另一路作为参考 光束，两者分别被探测器接收，测得的信号放大后经模拟型除法器相除得到与 光纤光栅中心波长有关的输出值，该方法能有效抑制噪声，滤波光与参考光的 比在其应变检测范围【_ 5 5 0 0 ，5 5 0 0 内是静应变的函数，分辨率为3 7 5 肛，动 态应变测量响应速度不会超过1 0 0 h z “ 哈尔滨理- 大学t 学硕十学位论文 图2 - 3 体滤波器滤波解调示意图 f i g 2 - 3s c h e m a t i cd i a g r a mo f t i t t e r i n ga n dd e m o d u l a t i o nf o rf i l t e f 2 匹配光栅滤波法 利用一个与传感光栅呈匹配关系的起滤波作用的参考光栅，借助硬外差载 波技术，实现参考光栅对传感光栅信号的解调，如图2 - 4 所示输出信号的位 相是与被测量成比例的载波。为了查询来自传感光栅的信号，测量时调谐参考 光栅，通过测量最大反射功率或最小透射功率便可测出传感光栅的波长移动 量，进而推知待测量。该传感方法结构简单、造价低廉，测量结果不受光源谱 线包络可能存在的精细结构叠加的影响。 图2 - 4 匹配光栅滤波解调示意图 f i g 2 - 4s c h e m a t i cd i a g r a mo f f i l t e r i n ga n dd e m o d u l a t i o nf o rm a t c h i n gg r a t i n gf i l t e r 3 可调光纤f p 滤波器 如图2 5 所示，宽带光源发出的光经传感光