（计算机应用技术专业论文）光纤光栅高速公路火灾监测系统设计与应用研究.pdf

武汉理 ：人学硕十位论文 摘要 高速公路是社会经济发展的必然产物，它是伴随着汽车工业发展和整个社 会的政治、经济的发展而发展的。我国高速公路的迅猛发展，对我国的国民经 济起着莺要的支持作用，已经成为我国经济的大动脉。 同时，随着高速公路里程的迅速增加，高速公路上的汽车增多，迫切需要 有效的管理手段来维护高速公路的畅通与安全。特别是我园地形复杂、地域广 阔，在整个高速公路的系统中包含了许多桥梁、隧道、涵洞等设施，更需要可 靠性高，易维护，架设方便的公路监测设备来为高速公路监测系统服务。 光纤光栅传感器由于自身结构简单，对气候耐受性强，被广泛应用于冶金， 建筑，桥梁，环境的监测。近年来，随着分布式光纤光栅传感器的成熟与完善， 更加适合于高速公路的公路，桥梁，隧道的监测。其多点，连续，长距离的监 测特点能殳准确，更可靠的实现对危险点的探测报警工作。如隧道火灾，桥梁 承载，公路路基断裂等，从而减轻事故带来的危害。 本文以高速公路安全防火为出发点，阐述了光纤光栅传感的基本理论，介 绍了光纤光栅火灾报警系统组成，提出了光纤光栅感温火灾探测技术在高速公 路火灾监测系统中应用实施方案。针对光纤光栅感温火灾报警系统组成特点， 成功开发了高速公路火灾监测系统，设计出了光纤光栅火灾报警系统的设备驱 动模块和用户界面，充分展示了光纤光栅火灾报警系统的简便、灵活以及便于 维护和拓展的优点。本文最后结合了本次应用中的实际情况，作出对未来技术 发展的展毕。 基于光纤光栅传感技术的高速公路火灾监测系统运行稳定可靠，完全能够 满足高速公路火灾报警的需要。其结构灵活易扩展，人机对话方便简洁的特点， 具有较好的通用性和工程推广性。 关键词：高速公路，监测系统，光纤光栅，温度监测，火灾报警系统 武汉璎1 ：大学嫒七学侵论文 a b s t r a c t t h eh i g h w a yi st h ei n e v i t a b l er e s u l to fs o c i o e c o n o m i cd e v e l o p m e n t ，a n di ti s f o l l o w i n gt h ed e v e l o p e do fa u t o m o b i l ei n d u s t r ya n dt h ee n t i r es o c i e t y sp o l i t i c s ，t h e e c o n o m i c a ld e v e l o p m e n t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fh i g h w a y , i ti sp l a y i n gt h e i m p o r t a n ts u p p o r tr o l et oo u rn a t i o n a le c o n o m y , a l r e a d yb e c a m et h em a i na o r t ao f o u rc o u n t r y se c o n o m y a tt h es a m et i m e ，a l o n gw i t ht h er a p i de n h a n c e m e n to fh i g h w a ym i l e a g ea n d a u t o m o b i l eo nh i g h w a yi n c r e a s e s , t h eu r g e n tn e e de f f e c t i v em a n a g e m e n tt o o l m a i n t a i n st h es m o o t hf l o wo ft h eh i g h w a ya n ds e c u r i t y c o m p l e xt e r r a i n ，b r o a d r e g i o n ，e s p e c i a l l yi nc h i n a ，ah i g h w a ys y s t e mi nt h ew h o l ec o n t a i n san u m b e ro f b r i d g e s , t u n n e l s , c u l v e r t sa n do t h e rf a c i l i t i e s ，t h en e e df o rh i g hr e l i a b i l i t y , e a s y m a i n t e n a n c e ，e a s yt o s e tu pm o n i t o r i n ge q u i p m e n tt os e r v et h ee n t i r eh i g h w a y m o n i t o r i n gs y s t e m f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r sa sar e s u l to fi t ss i m p l es t r u c t u r e ，c l i m a t et o l e r a n c e ， a n da r ew i d e l yu s e di nm e t a l l u r g i c a l ，c o n s t r u c t i o n ，b r i d g e s ，a n de n v i r o n m e n t m o n i t o r i n g i nr e c e n ty e a r s , w i t ht h em a t u r i t ya n dp e r f e c t n e s so fd i s t r i b u t e df i b e r b r a g gg r a t i n gs e n s o r ，e v e n m o r es u i t e dt oh i g h w a yr o a d ，t h eb r i d g e ，t u n n e l s m o n i t o r i n g i t sm u l t i p o i n t ，c o n t i n u o u s l y , t h el o n gd i s t a n c em o n i t o r i n gc h a r a c t e r i s t i c c a nb em o r ea c c u r a t ea n dr e l i a b l er e a l i z e dt h eh a z a r dp o i n tm o n i t o r i n ga n dt h e w a r n i n g , s u c ha st u n n e lf i r e ，b r i d g el o a db e 删n g ，r o a df r a c t u r ea n ds oo n ，t h u s r e d u c e st h eh a r mw h i c ht h ea c c i d e n tb r i n g s t h i sp a p e re l a b o r a t e d t h ef i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r b a s i ct h e o r y , a n d i n t r o d u c e dt h ef i b e rb r a g gg r a t i n gf i r ed e t e c t i o ns y s t e mc o m p o s i t i o n ，p r o p o s e dt h e f i b e r b r a g gg r a t i n gt e m p e r a t u r e f i r ed e t e c t i o n t e c h n o l o g y t o a p p l y t h e i m p l e m e n t a t i o np l a ni nt h eh i g h w a yf i r es u p e r v i s o r ys y s t e m i nv i e wo ft h ef i b e r b r a g gg r a t i n gt e m p e r a t u r ef i r ed e t e c t i o ns y s t e mc o m p o s i t i o nc h a r a c t e r i s t i c , t h e s u c c e s sh a sd e v e l o p e dt h eh i g h w a yf i r es u p e r v i s o r ys y s t e m ，d e s i g n e dt h ef i b e r b r a g gg r a t i n gt e m p e r a t u r ef i r ed e t e c t i o ns y s t e m se q u i p m e n t t oa c t u a t et h em o d u l e a n dt h eu s e ri n t e r f a c e ，h a dd e m o n s t r a t e df u l l yt h ef i b e rg r a t i n gf i r ed e t e c t i o ns y s t e m s i m p l e , n i m b l ea s w e l la sw a sa d v a n t a g e o u sf o r t h em a i n t e n a n c ea n dt h e d e v e l o p m e n tm e r i t 。t h i sa r t i c l eu n i f i e di nt h i sa p p l i c a t i o na c t u a ls i t u a t i o nf i n a l l y , a n d m a k et ot h ef u t u r et e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n tf o r e c a s t 1 1 武汉理l ：人学颂 学f 帚论文 b a s e do nf i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g y ，h i g h w a yf i r ed e t e c t i o n s y s t e mm o v e m e n ts t a b l er e l i a b l e ，c a nd e f i n i t e l ys a t i s f yt h eh i g h w a yf i r ew a r n i n g n e e d i t ss t r u c t u r en i m b l e e a s y t o e x p a n d ，t h em a i l - m a c h i n e c o n v e r s a t i o n c o n v e n i e n c e s c h a r a c t e r i s t i c ，h a st h eg o o dv e r s a t i l i t ya n dw o r t ht op o p u l a r i z e k e y w o r d s ：h i g h w a y ，m o n i t o r i n gs y s t e m ，f i b e rb r a g gg r a t i n g ，t e m p e r a t u r e m e a s u r e ，f i r ed e t e c t i o ns y s t e m i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：荔罕墨鹭日期：趔呈! 。fj o 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借 阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的全部内容编入有关数据库进行检 索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武 汉理工大学认可的国家有关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会 公众提供信息服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名，：哿玉听导师c 签名，：嘎讧蜘 铲、s 。 | 武汉理l ：人学硕十学位论文 第1 章绪论 1 1 课题研究的目的和意义 高速公路是社会经济发展的必然产物，它是伴随着汽车工业的发展而发展。 和整个社会的政治经济的发展密不可分。随着我国经济实力的逐步提高，高速 公路运输能力也在迅猛发展，现在已经成为支撑我国经济发展的大动脉，对整 个国民经济的发展起着有力的推动作用。 同时，随着高速公路通车里程的迅速增加，高速公路上的汽车增多，迫切 需要有效的管理手段来维护高速公路的畅通与安全。在高速公路中发生的事故 往往是致命的，通常还会引起可怕的连锁反应，如何减低高速公路的事故发生 率、并及时的处理人为或自然状况造成的不利因素是急需解决的问题。 高速公路火灾作为危害高速公路安全的大敌，越来越受到人们的重视。高 速公路一旦出现火情会造成极大的危害，特别是在我国，地形复杂，地域广阔， 整个高速公路的系统设施中包含了许多桥梁、隧道、涵洞等，这些设施通常是 在气候条件复杂的环境罩工作的。随着通车流量的增大，安全防火工作成为突 出的重点。这就更需要可靠性高，易维护，架设方便的公路监测设备来完成安 全管理工作。 传统的火灾自动报警系统装置中一般以电信号作检测信号或传输信号，由 于报警系统中的电信号会给被测环境带来不利影响，在应用中受到限制，不适 合用于石化行业和人型油罐区的火灾报警。电信号容易受到电磁辐射干扰，使 报警系统产生误动作，故不适合用于高压变电场所。 光纤光栅传感器由于是一种无电检测技术，以光缆作为信号传输的载体， 从而做到被测现场无电压、电流等电的信号，实现火灾监测系统的无电检测， 本质安全防爆，并且，光纤光栅传感器自身结构简单，维护方便，可靠性高， 对气候耐受性强，被广泛应用于冶金，建筑，桥梁，环境的监测。近年来，随 着分布式光纤光栅传感器的成熟与完善，更加适合于高速公路的公路，桥梁， 隧道的监测。其多点，连续，长距离的监测的特点能更准确，更简单的实现对 危险点的监测工作，从而减轻事故带来的危害。 本次课题研究的背景就是基于光纤光栅火灾探测技术在高速公路火灾监测 系统中的应用，以达到提高高速公路安全性的目的。 武汉理i ：人学颂- f ：学位论文 1 2 光纤光栅传感器技术简介 七十年代初以来，随着第一代低损耗光纤的研制成功，光纤技术在通信、 传感光学信息处理等方面得到了广泛的应用和迅速的发展。到1 9 7 8 年加拿大渥 太华通信中心的k o h i l l 等人采用驻波写入法制成世界上第一根光纤光栅i l j 。 1 9 8 9 美国联合技术研究中心的g m e l t z 等人实现了光纤布拉格光栅( f b g ) 的u v 侧面写入技术，使光纤光栅的制作技术实现了突破性进展。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于将其应用于各种物理量的传感 1 2 】，于是光纤光栅传感器应运而生【3 1 。光纤光栅传感器，其传输信号是光信号而 非传统的电信号，因此它是一种无电化传感器技术。光纤光栅是利用光纤材料 的光敏性( 外界入射光子和纤芯内锗离子相互作用引起的折射率的永久性变化) 在光纤的纤芯形成的空间桐位光栅1 4 】【5 】。光纤光栅传感器的传感过程是通过外界 参量对布拉格光栅中心波长的改变来获取信息，是一种波长调制型光纤传感器。 因此，可利用布拉格光栅波长漂移来感测外界负载、应变、温度、振动等变化 量的微小改变，制成相应的元器件。 随着研究的不断深入，光纤光栅传感器其总体性能上得到很大提高，具有 以下优剧6 1 ： ( 1 ) 抗电磁干扰、电绝缘性好、本质安全：由于光纤光栅传感器是利用光波获 取和传递信息，而光纤又是电绝缘、本质安全的传输媒质，不怕电磁干扰，也 不影响外界的电磁场； ( 2 ) 耐腐蚀，化学性能稳定：由于制作光纤的材料一石英具有极高的化学稳定 性，因此，光纤光栅传感器极适用于在较恶劣的环境中； ( 3 ) 灵敏度高、响应速度快、动态范围大、测量精度高；重量轻，体积小、耗 电少、几何结构灵活，光路有可绕曲性，有利于狭窄空问的应用； ( 4 ) 测量对象广泛，目前己有多种测量温度、压力、位移、速度、加速度、 液位、流量、振动、水声、电流、电压、磁场、电场、核辐射等各种物理量、 化学量、生物量等的光纤光栅传感器： ( 5 ) 具有传感器复用以及分布式测量功能，一根光纤的作用相当于很多离散 的常规传感器： ( 6 ) 成本低。有些光纤光栅传感器其成本大大低于现有同类传感器；而有些光 纤光栅传感器由于其特殊性能，它和现有仪器结合，将使其大大增值； ( 7 ) 测量结果具有良好的重复性，且传输距离远( 传感器到解调端可达几公 罩) 。 2 武汉理i ：人学硕1 ：? f t 论文 1 3 光纤光栅传感器研究发展动态 1 3 1 光纤光栅传感器研究动态 目前，国内外对于f b g 传感器的研究主要集中在以下几个方面： ( 1 ) f b g 传感器的制作技术。 f b g 技术还处在发展阶段。简单，可控性的制作方法，实现f b g 技术的工 业化，产业化，保证传感器技术指标的可靠度，降低生产成本是f b g 制作技术 的一个关键。 ( 2 ) f b g 传感器的传感机构。 f b g 在现场实施过程中容易折断损坏，不易操作等问题，使得f b g 传感器 增敏封装等技术成为f b g 传感器研究和制作的一个热点。f b g 传感器的封装 其基本含义是利用高性能的材料和灵巧的结构形式，研究开发满足结构实际测 试需要，同时其布设工艺相对简单可靠的智能传感器1 7 l 。通过设计封装的结构， 选用不同的材料，实现温度补偿和应力、温度增敏；充分利用高性能材料的变 形与温度感应特性，间接的改变f b g 传感特性。封装技术的目的不仅要对f b g 传感器起到保护作用，同时要保证结构的应变完全传递到传感器；另外要满足结 构长期监测的目的，在结构服役期内，保证传感器的稳定性和可靠性问题1 8 j 。 因此对于光纤传感器的制作技术是目前研究的一个重点。 另外，在单一参量的测量中，f b g 传感器对应变、温度两者的分离技术也 是f b g 传感器研究的难点。同时，对于多参量同时测量也是f b g 发展的一个 方向f 9 1 。利用光纤应变敏感性| h j 接测奄其它物理量也具有发展潜力。如可以将 f b g 传感器采用其它的设计方法，将其它物理量转换成待测的应变量( 如位移， 加速度，力等) 应用于其它参量的测量中。 ( 3 ) f b g 传感器的解调技术。 目前限制光纤传感器大量应用的主要障碍就是f b g 的解调技术。虽然f b g 信号解调技术的方法很多，但制作成商品的f b g 解调设备非常昂贵。因此研制 出精确度高，动态范围大，廉价的解调设备也是对光纤传感器应用的一个挑战。 1 3 2 光纤光栅传感器发展状况 国际上，美、英、加拿大等西方发达国家以及亚洲的同本、韩国利用其在 光通信领域的优势和巨大资会的投入，处于f b g 传感领域的领先地位。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 3 武汉理i ：人学硕卜学化沦艾 转向多参量、大规模传感网络的工程化、实用化研究和，j r 发【10 1 。掘统计利用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，已有许多中、小 规模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 计划等国家基会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，武汉理工大学、南开大学、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做了各有特色的工作。 虽然取得了一些成绩，但f b g 传感器在国内仍处了二研发阶段，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。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 i 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，生产过程多为手工操作，产品一致 性差，不适合批量生产和自动化封装工艺的需要。 武汉理工大学光纤研究中心历时近2 0 年的时i b j ，在光纤传感技术方面做了 大餐的研究和应用开发工作，发展成为光纤传感技术幽家重点工业性试验基地 和光纤传感与信息处理教育部重点实验室。光纤研究中心自行开发了光纤传感 技术中的关键技术波长解调器：在光纤b r a g g 光栅的封装方面摸索出一套适 用于不同应用领域和不同传感信息的方法；在应用上，将光纤传感技术成功应用 于武汉长江二桥和武汉阳逻长江大桥的长期健康监测、沪蓉西隧道和陕西终南 山隧道的火灾探测，以及镇海炼化、广州石化、金陵石化、武汉石化、国家石 油储备油库等国家大型石化行业储油罐区的火灾探测。在光纤传感技术的研究、 应用和推广等方面取得了很大的成绩。 。 1 4 论文的主要内容 本课题探讨了采用光纤光栅温度传感器进行感温式火灾报警的原理，并对 该光纤光栅火灾报警系统的各个环节作了较详细的论述，论文所做的主要工作 有： 4 武汉理1 ：人学硕t 学位论文 ( 1 ) 介绍了光纤光栅的突出优点和目前国内外光纤光栅传感技术的发展和 应用状况。 ( 2 ) 阐述了光纤光栅传感的基本理论，分析光纤光栅火灾报警系统的组成及 工作流程，并基于可调谐法布里珀罗腔滤波解调原理提出了光纤光栅感温火灾 报警系统解调硬件设计方案。 ( 3 ) 设计高速公路火灾监测系统，分析了系统组成，网络构架，软件层次以 及网络通讯。 ( 4 ) 丌发光纤光栅火灾报警系统的用户界面、完成了数掘库设计、设备驱动 模块和通讯模块。 ( 5 ) 针对高速公路火灾监测系统组成特点，提出了在高速公路中应用和实施 方案。充分展示了光纤光栅火灾系统的安装简便、灵活的优点，以及便于维护 和拓展的特点。 ( 6 ) 对本课题的研究工作进行了阶段性的总结，提出了未来工作的展望。 本文的创新点在于利用光纤光栅传感多通道分布式测景技术对高速公路重 要设施进行火灾监测。该应用方案能够对危险点的温度变化实时监测，并且对 温度超限发出报警。而且由于采用了光纤光栅传感多区波分复用的技术，监测 系统能够对温度异常区域准确定位，这样大大提高了安全消防工作的针对性， 能快速准确的找到火源扑救，从而减轻火灾带来的损失。 5 武汉理i ：人。硕卜学f 节沦文 第2 章光纤光栅火灾报警系统硬件结构设计 随着光纤光栅制作技术的日益成熟，并且光纤光栅具有体积小、抗电磁干 扰、与光纤系统兼容性好、插入损耗低、波长编码不受光源的波动及连接耦合 损耗的影响等优点，使得光纤光栅在光传感领域中的应用越来越受关注。本文 所研究的光纤光栅感温火灾报警系统以光纤作为信号的传输与传感媒体，利用 布拉格光栅的温度敏感性和光的反射原理，实时探测光纤光栅感温点的温度变 化情况，并且在超限时发出声光报警，是一种准分布、差温和定温探测、报警 型的智能系统。该系统信号处理器可同时接收4 路光纤光栅火灾探测器，每个 探测器上有若干探头。 2 1 光纤光栅概述 2 1 1 光纤布拉格光栅的结构 图2 - 1 所示为光纤光栅的结构图，它是通过改变光纤芯区折射率，产生小 的周期性调制而形成的。所谓调制，就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产 生大小起伏的变化。光纤的材料为石英，由芯层和包层组成，通过对芯层掺杂( 通 常是掺锗) ，使芯层折射率咒，比包层折射率咒2 大，从而形成波导，光就可以在 芯层中传播。当芯层折射率受到周期性调制后，即成为布拉格( b r a g g ) 光栅。布 拉格光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率 调制相位相匹配的窄带光( 带宽通常约为0 1 0 5 r i m ) 。这样，光纤光栅就起到了 光波选择反射镜的作用。 包层折射率n 2 b r a g g 光栅 纤芯折射率n l 折射串调制a 图2 - 1 光纤光栅基本结构 6 武汉理i ：人! 硕 ：学位论文 对于这类调谐波长反射现象的解释，首先是山威廉布拉格爵士给出的，因 而这种光纤光栅被称为光纤布拉格光栅( f b g ) ，反射条件就称为布拉格条件。 只有满足布拉格条件的光波彳嗡皂被光纤光栅反射。 所谓相位相匹配是指白拉格波长决定于折射率调制的空间周期人和调制的 幅度大小。光纤光栅的布拉格波长取决于光栅周期人和反向耦合模的有效折射 率n e f f ，任何使这两个参量发生变化的物理过程都将引起光栅布拉格波长的漂 移一这即是光纤光栅传感的基本原理。正是基于这一点，一种新型、基于波长 漂移检测的光纤传感机理被提出并得到广泛应用。 2 1 2 光纤布拉格光栅的光学特性 光纤布拉格光栅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i 日j 选取) ，从光纤的侧面照射形成的。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。用耦合波理论对光纤 布拉格光栅基本光学特性的分析，光纤布拉格光栅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 直 它是在光纤光栅中，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夹一个很小的角度庐。( 见图 2 - 2 1 。 图2 2 光纤布拉格光栅分析图 该射线对布拉格光栅的夹角设为矽，显然+ 0 = 9 0 。，满足布拉格条件的波 长t 口町以证明应满足 九= 2 a n l s i no k(2-1) 武汉理i ：人。硕 ：学f t 论文 或 入b 一2 a nl c o s 妒k ( k = 1 2 。3 ，) ( 2 - - 2 ) 式中i t l c o s 多通常为有效折射率n e f f , 它的大小介于，l j ，以2 之间，即n l = n e f f = t 2 ， 这样上式可写成 如；2 人，l 盯k ( 2 - - 3 ) 式中a 为栅距， 2 峰值反射率厅 研究证明：最大的反射率刀可按下式求出 r = t a n h 2 忸) ( 2 - - 4 ) 式中的为光栅长度，k 是一个与如和n e f f 有关的一个量，是它们的函数， 通常由实验测定 3 反射光谱的带宽彳如 如果反射光的波长是如，那么它有一定带宽，可按下式计算： a 。砖k 2 + ( k l ) 2 2 n 酊l ( 2 5 ) 至此我们给出了光纤布拉格光栅的反射率尺，布拉格波长如和带宽么如等几 个重要参数它们对光栅的应用有重要的意义，应用时要综合考虑。 x h 天 h 九 图2 - 3 光纤光栅传感光学特性 2 1 3 温度、应力对波长的影响 温度、应变和压力的变化会引起光纤光栅的栅距和折射率的变化，从而使 光纤光栅的反射谱和透射谱发生变化1 1 2 】。通过检测光纤光栅反射谱或透射谱的 变化，就可以获得相应的温度、应变或压力信息，这就是用光纤光栅测量温度、 应变和压力的基本原理。由于光纤光栅同时对温度、应变和压力敏感，因此如 何区分温度和应变、压力信号是光纤光栅传感器在实际应用中必须解决的一个 8 武汉理i i 人学硕士学位论文 f u j 题。 输入信号 - _ _ _ - - 一 反射信号 纤芯 传输信号 - - 。 图2 - 4 光纤光栅传感基本原理 f b g 传感器的传感原理如图2 4 。用一宽光谱光源注入光纤，则每个f b g 都反射网一个中心波长为布拉格波长的窄带光波，其布拉格波长为： 九= 2 n 前a ( 2 - 6 ) 其中人是光栅周期，以毋是纤芯的有效折射率。任何对光栅的外部影响如温 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外部影响时的布拉格波长进行 比较，可以测定光栅受影响的程度。由式( 2 6 ) 可知，f b g 波长随n e f f 和如而改 变的，因此命拉格波长对外界力、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： a a b = 2 a a n 酊+ 2 刀酊人 ( 2 7 ) 2 2 光纤光栅感温火灾报警系统总体设计 2 2 1 光纤光栅感温火灾报警系统组成 光纤光栅感温火灾报警系统主要由光纤光栅感温火灾探测器、光纤光栅感 温火灾探测信号处理器组成。光纤光栅感温火灾探测器由感温探测头、传感光 缆、光缆连接器、传输光缆组成，其核心部件是感温探测头。光纤光栅感温火 灾探测信号处理器则由数据采集模块和工控模块组成，数据采集模块和工控模 块通过p c i 0 4 总线接口连接。数据采集模块由调制解调器和信号处理单元等组 成。 9 武汉理l ：人学硕十学位论文 信号 i v g a i 串u 通p c i 0 4 信 y 型 宽带光源 l l 一 号 分路 l 啊ul 信p 0 1 0 4接口 处 器 。接板每 i k 乏 i 理 口 单 调制 l p s 2i - 7 1 3 解调 三 i u s bj ：甚模块 器 。 栅 处理器 一一 数据采集模块 探j | | 图2 - 5 光纤光栅感温火灾报警系统组成框图 在我们设计的报警系统中，需要完成数据的采集、模数转换、分析计算以 及显示等多种任务，我们采用嵌入式计算机p c i 0 4 、数据采集模块、光纤光栅 感温火灾探测器和外设接口来构成一个完整的监测系统。p c i 0 4 是与i b m p c 完全兼容、结构紧凑、功耗低、可靠性高的嵌入式计算机，具有很好的数据处 理、人机对话及软件j i ：发等功能。 2 2 2 系统的工作流程 卜1 口 | 光纤 v 信号处 监控 1 p c i 0 4 l 理单元 刀 调爿 刀 光 计苴机致字信号主扳j 数字信号 i 模拟信号解调光信号火灾 。 ( 单片s t ) v 墨v探潮 8 9 c 5 2 器 图2 - 6 光纤光栅感温火灾报警系统数据流图 系统工作流程为：将多个温度特性完全相同的光纤光栅串接在一根光纤 中，宽带光源所发出的光耦合进光纤，通过y 型光分路器入射到用光纤串接的 光纤光栅感温探头中，利用多区波分复用技术，将每个被测对象的参量变化转 换为光脉冲信号，并通过光纤传送给数据采集模块中的调制解调器。调制解调 器将光脉冲信号转换为电脉冲信号，进行放大整形和线性化处理，并传递被测 参量到信号处理单元。信号处理单元将电脉冲模拟信号转换成数字信号，并将 1 0 武汉理l ：人学硕十位论文 信号传递给工控模块，工控模块完成信号的数据处理、采集控制和通信工作。 光纤光栅感温火灾报警系统采用串行通讯方式同监测计算机相连，监测计算机 实时检测被测参量，并通过局域网将监测信息传送给数据库服务器，管理计算 机群可实现对被监测参量的显示、报警、计量、报表处理等操作，从而实现企 业内部各办公室和值班室共享监测信息。 2 3 光纤光栅解调系统设计 调制解调器是信号处理器数据采集模块的核心部件，完成光电信号的转换 和解码功能。调制解调器为传感器探头提供稳定的宽带光源，实时对光栅返回 的窄带光进行调制解调。 2 3 1 调制解调器设计 如何高精度的实现布拉格光栅波长编码的解调，即检测出f b g 传感器p m 级波长谐振位移，这主要涉及到两个方面：一是要精确测量布拉格波长峰值点并 跟踪峰值点的移动量；二是要把测量到的布拉格波长峰值点的移动量转换为便 于显示的电信号1 1 3 】 1 6 l 。 为了实现光纤传感技术的实用化与产业化，人们已提出了很多种解调方法， 下文采用的解调法是属于滤波法这一类的可调光纤f p 滤波解调法，是目前最 常用，最有发展前景、实用性和稳定性都较好的解调方法之一。 本方案的设计目标是要研究开发适于实际工程应用的解调系统，降低解调 系统的成本，使光纤光栅传感器能够在实际工程应用中得到推广，因此价格是 必须考虑的因素。现阶段可用的可调光纤f p 滤波器通常有2 种，美国公司生 产的f i b e rf a b r y p e r o tt u n b a l ef i l t e r s 和武汉理工大学光纤中心研发的波长选择 器，虽然国外的产品在速度和测鼍范围有一定的优势，但是国产的波长选择器 在满足同等功能的条件下价格上有极火的优势，因此我们选择武汉理工大学光 纤中心研发的波长选择器作为可调光纤f p 滤波器。武汉理工大学光纤中心自 主研发的波长选择器的解调原理是基于可调f - p 滤波器解调光纤光栅，测量的 范围能够达到3 0 n m ，分辨率能达到l p m ，精度为5 p m ，扫描频率为1 h z 。 解调系统总体结构图( 单通道) 如图2 7 所示。光纤光栅解调系统的功能是给 波长选择器施加一个扫描电压，使透过f p 腔的光的波长发生改变。通过探测 器检测透射光强度，当探测器探测到最人光强时给波长选择器施加的电压就对 应着f b g 的反射波长。同时给光纤f p 腔滤波器的压控端加上一个三角形的扫 描电压，则在光纤f p 腔滤波器的输出端即可得到一个与输入光光谱相对应的 1 1 武汉理i ：人7 顾- t ：。学位论文 时间域电信号。再把这些时域信号经过放大电路和比较电路的整形，就得到了 一系列的脉冲信号，在这些脉冲信号中加入一些固定波长和位置的标准脉冲信 号，那么这些脉冲信号中的各个脉冲对于标准脉冲的相对位置就包含了f b g 传 感器反射光的光谱信息。然后把这些脉冲信号和三角波信号传递给信号处理单 兀o 。 图2 7 光纤光栅解调系统原理图 2 3 2 多通道分布式测量实现 在一根传感光纤上制作许多个不同工作波长的布拉格光栅，经3 d b 耦合器 得到反射光，用波长检测系统测出每个光栅的中心波长或波长的偏移量，从而 检测出相应被测物理量。可以采用光纤延迟技术，将许多个相同的小波域分布 组合在一起，组成分布式光纤传感系统1 1 州2 0 1 。 由于宽带光源的谱宽一般为4 0 n m 5 0 r i m ，传感布拉格光栅的谱宽通常为 o 0 7 0 6 n m ，检测外界信号时，布拉格光栅中心波长要漂移1 - 2 n m ，所以为了使 不同f b g 的反射光的谱峰不相互重叠，每个通道内只能接收大约三十个以内的 f b g 传感器。一个大型工程往往需要同时监测上百个位置的信号，这就需要开 发多通道分布式光纤光栅传感系统。 通常有2 种方式来实现多通道分布式f b g 传感系统。 第一，利用光开关来实现多通道分布式f b g 传感系统。该方案也是基于 f - p 滤波器实现单通道f b g 传感系统解调的原理，由于光开关是电控机械光开 关，通过程序控制四通道轮巡检测，相邻通道切换时间一般为1 0 m s ，再加上每 通道数据采集及处理的时间，这样就使同一通道相邻两次检测的时间间隔太长， 系统不能满足四通道并行实时测控的要求。并且，光开光是由机械控制的，切 换次数仅为1 0 0 万次左右，若一秒钟切换一次，光_ 丌= 关的寿命还不到二十天， 这样就会造成不必要的浪费，显然这种方法不适合长期工程监测。 武汉理i ：人学硕f ：学位论文 第_ 二，利用光分路器来实现多通道分布式光纤光栅传感系统解调，克服了 利用光丌关实现多通道分布式解调的缺点，并且实现了四路并行解调，能实时 同步监测j 二百个外界被测信号，解调原理如图2 8 所示。首先，让光源发出的 宽带光通过f p 滤波器，f p 滤波器在扫描电压的作用下，不同的扫描电压对 应不r 日中心波长的窄带光通过f p 滤波器，f p 滤波器的透射光再对各通道的 传感光栅同步扫描。当f p 滤波器透射峰的中心波长与传感光栅反射峰的中心 波长相等时，各p i n 管的光电转换电压最大。在扫描电压的每个周期内，通过 各p i n 管的电压信号都为不同传感光栅反射峰所对应的电压尖峰脉冲序列。这 样就能实现对四个通道光纤光栅进行同时解调1 2 1 j 【2 4 1 。 图2 8 四通道分布式f b g 传感系统并行解调 2 3 3 多区波分复用技术实现 光纤光栅传感波分复用技术的不足是每个光纤上的探头数量不能超过3 0 个，一个大型工程往往需要同时监测上百个位置的信号，除了采用多通道分布 式测量技术外，我们提出了使用全同光纤光栅技术。对于光纤b r a g g 光栅温度 传感器而吉主要以两种参数来反映探测器的特性，一是传感器的中心波长，二 是传感器的温敏系数，所谓“全同光栅”指的是具有相同的中心波长，温度敏 感特性一致的b r a g g 光栅。 这种技术使感温探头的复用数量能根据现场实际使用需要确定，而不受光 源带宽的影响。理论上，如果不考虑光源能量的限制( 这种限制相比波长的限制 更容易提高一些1 ，全同光纤光栅复用数量可以是无限多的。另外，由于全同光 纤光栅系统中只需要解调单一波长，因此解调快速、方便就成为全同光纤光栅 的另一个优点。 利用个同光纤光栅技术制作的光纤光栅火灾报警系统，可以有效地检测被 1 3 武汉理i ：人学硕卜学位论文 测环境的温度变化，系统将整个测量系统当作一个测量点，始终显乃j 的足被测 环境中的最高温度。然而，在某些特殊的场合，我们需要对被测环境进行分区 检测，希望能够对被测环境的温度值分区定位，反映出具体区段的温度情况。 这就对全同光纤光栅火灾报警系统提出了挑战。本课题采用多区波分复用的方 法研制的分区光纤光栅火灾报警系统成功地解决了这一难题。 为了更进一步提高光纤光栅火灾报警系统中光纤光栅复用数量，在光纤光 栅传感复用网络中，对某一个区域采用全同光纤光栅复用，而对另外的区域使 用与上述全同光纡光栅具有不同中心波长的光栅。通过全同光纤光栅复用技术 提高光纤光栅复用数量，再通过波分复用技术使此数量成倍增长。解调时通过 检测光栅波长能够准确区分探测区域位置，并准确分辨光栅所在位置。 这种全同光纤光栅复用技术与波分复用技术进行混合的运用，在需要判断 监测点位置的监测中，克服了单路全同光纤光栅系统监测数据点单一，无法判 断位置的缺点，同时也克服了波分复用技术复用光栅数太少的缺点，使同一根 光纤上复用的光纤光栅数量成倍增长，进一步增加了光栅复用数量，同时也能 区分不同区域的温度和警报信号。图为多区波分复用技术的光纤光栅火灾报警 系统示意图。 全同光督中心波长x l 赢如蝴且2i l 二二茹( 赢” 一一茹厂赢l 4i 一错姗器h 删耕鼽 图2 - 9 多区波分复用技术的光纤光栅火灾报警系统示意图 2 4 信号处理单元设计 信号处理单元的任务是将调制解调器传来的模拟信号转换处理成数字信 号，并通过p c i 0 4 接口将数据输出给工控模块。适用于信号处理的处理器有较 多的选择，单片机、d p s 、a r m 等等，由于解调系统采用的波长选择器的扫描 速度为1 h z ，选用d p s 、a r m 这类高速芯片并不会使系统的解调速度和精度有 1 4 武汉理i ：入学硕卜学何论文 很大的提高，反而会增加成本，凶此采用目前应用极为广泛，价格便宜的单片 机作为信号处理的处理器【2 5 i 【2 8 1 。 本文提出一种通过双口r a m 和可编程逻辑器件实现单片机8 9 c 5 2 和工控 机p c i 0 4 之间实时双向通信的方法。利用双口r a m 实现数据共享，就可实现 数据的高速传输和系统的实时控制。两个c p u 之间的双口r a m 选用美国i d t 公司的i d t 7 1 3 2 。另外在工控机p c i 0 4 与双口r a m 连接方，电路使用了一片 l a t i i c e 公司生产的高密度可编程逻辑器件i s p l 0 3 2 e 来实现双口r a m 译码 片选信号以及i o 地址选择，这样可节省器件成本，减小电路板尺寸，便于系 统功能扩展、修改。 2 4 1 器件选型 ( 1 ) 单片机简介 本文选用a t m e l 公司的a t 8 9 c 5 2 作为核心的处理芯片。a t 8 9 c 5 2 是一个 低电压，高性能c m o s8 位单片机，片内含8 kb y t e s 的可反复擦写的f l a s h 只读 程序存储器和2 5 6b y t e s 的随机存取数据存储器( 洲) ，器件采用a t m e l 公司 的高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准m c s 5 1 指令系统，片内置通用 8 位中央处理器和f l a s h 存储单元