光纤测温系统在地铁区间隧道中的应用.doc

光纤测温系统在地铁区间隧道中的应用刘辉2 刘苏敏2 石晓龙1 王文伟1（1. 合肥科大立安安全技术股份公司 合肥 230088； 2. 中铁第四勘察设计院集团有限公司 武汉 430063）摘要：随着我国城市轨道交通的快速发展，对地铁隧道消防的要求越来越高。针对目前国内外地铁区间隧道中光纤光栅火灾探测系统和分布式光纤火灾探测系统的主要应用情况，本文首先介绍了光纤光栅和分布式光纤测温系统的系统原理；其次通过模拟地铁区间隧道中真实火灾场景，对两种光纤测温系统的温度响应情况进行了实际测量；最后对上述两种光纤测温系统的优劣性进行比较分析，为光纤测温系统在地铁区间隧道中的实际应用提供参考与依据。关键字：地铁区间隧道 光纤光栅 分布式光纤 火灾Application of Optical Fiber Temperature Measurement System in Metro Running TunnelLiu hui2 Liu Sumin2 Shi Xiaolong1 Wang Wenwei1 Hu hu1 Chen Yangjuan1（1.Hefei KDLian Safety Technology CO.LTD Hefei 230088； 2.China Railway Siyuan Survey And Desing Group CO.LTD Wuhan 430063）Abstract: Along with the rapid development of urban rail traffic, the tunnel fire protection has to meet more and more strict demands. Aiming at the major applications of optical fiber Bragg grating fire detection system and distributed optical fiber fire detection system in subway tunnel at home and abroad, this paper firstly introduced theories of optical fiber Bragg grating fire detection system and distributed optical fiber fire detection system. Secondly, through the simulation of real subway tunnel fire scenario, response properties of the two kinds of optical fiber detection systems were measured. Finally, superiorities of the above two kinds of optical fiber temperature measurement systems were compared and analyzed. The paper provided a reference basis for actual application of the two kinds of optical fiber detection systems in subway tunnels.Key words: Metro running tunnel;Optical fiber grating;distributed optical fiber;Fire_第一作者：刘辉，1971年，男，高级工程师，西南交通大学铁道电气化专业，轨道交通火灾自动报警及环境与设备监控First author: Liu hui, Engineer, China Railway Siyuan Survey And Desing Group CO.LTD,Wuhan 430063通讯作者：石晓龙；电话(86) 551-5328119-8306；传真: (86) 551 -5313580; 电子邮箱：通讯地址：合肥市高新区科大立安公司消防技术研究所，邮编230088 1 引言地铁区间隧道环境复杂，具有隧道距离长、检测点多等特点1，对由动力电缆、机电设备等引起的火灾以及其他外因引起的火灾预警较难2。在光纤测温系统中，光纤既是传输媒体又是传感媒体，同时由于光纤价格低廉，又可长距离铺设，所以，如在隧道中沿配电电缆、机电设备等易发生火灾的地方铺设光纤，利用能描述地下空间温度场的光纤测温系统，对温度参数进行连续监测、精确定位，根据空间温度场变化的具体情况，确定是否有火灾隐患存在并及时预报，为地铁安全运行提供先进可靠、经济实用的火灾预警检测系统，以实现全线车站联网监控和信息化管理，并全面提升运行安全，具有显著的社会综合效益。本文介绍了两种目前应用最广泛的光纤测温系统光纤光栅测温系统和分布式光纤测温系统的原理，并将其安装敷设在模拟地铁区间隧道中，进行火灾探测实验，为光纤测温系统在地铁区间隧道中的实际应用提供参考与依据，并对这两种系统的性能进行了比较。2 光纤测温系统的基本原理由于地铁隧道环境特殊，所以安装火灾自动报警装置会受到多种因素的制约。而光纤有很多独特的优点，如抗电磁干扰能力强、尺寸小、重量轻、结构简单、复用能力强、传输距离远、耐腐蚀、高灵敏度等。因此被广泛应用在隧道火灾监测中。分布式光纤测温系统和光纤光栅测温系统是目前国内外轨道交通火灾报警的最主要的两套系统。2.1 分布式光纤测温原理分布式光纤测温系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感器系统3。它利用同一根光纤作为温度信息的传感和传导介质，利用光纤后向拉曼(Raman)散射光谱的温度效应测量光纤所在的温度场信息，利用光纤的光时域反射(OTDR)技术对测量点进行定位。反斯托克斯光传感光纤斯托克斯光激光器定向耦合器分光光电转换光电转换双路高速放大器计算机驱动图1分布式光纤测温系统原理图如图1所示，激光脉冲由光纤始端处注入,脉冲光大部分能传到传感光纤末端而消失。当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，脉冲光子与光纤材料分子热振动会相互作用，产生不同于入射光的拉曼散射光，光纤测温的机理是依据后向拉曼散射光谱的温度效应。长波长的光为斯托克斯光，短波长的为反斯托克斯光。而反斯托克斯光对温度响应更为敏感。因此光纤所处空间各点温度场调制了光纤中背向拉曼散射中的反斯托克斯光的强度，经波分复用器和光电检测器采集带有温度信息的背向拉曼散射光电信号，再经信号处理、解调后，将温度信息实时地从噪声中提取出来并进行显示。2.2 光纤光栅感温原理光纤光栅感温火灾报警系统将传统波分复用技术和全同光纤光栅复用技术相结合，使用波分复用与全同光纤光栅混合复用方法 4。系统采用光纤光栅作为温度敏感元件，对波长信号进行数字式测量，具有极高的灵敏度。光纤光栅传感器是系统的核心部件之一，它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，使一段约2mm的光纤纤芯的折射率发生永久性改变，形成布喇格光栅结构。探头对环境温度非常敏感，微小的温度变化都会导致探头反射光波长的漂移。反射光波长的漂移量通过信号处理器来检测。信号处理器是系统的另外一个核心部件，它采用先进的可调法布里-珀罗腔技术进行波长检测，能检测出1的温度变化。当信号处理器检测到光纤光栅的反射波长出现异常，会发送报警信号给火灾报警控制器。宽带光源3dB耦合器器光电探测器波长解码器A/D转换器计算机反射光1，2，3.图2 光纤光栅测温系统原理图如图2所示，分布式光纤光栅测温系统的组成部分有：宽带光源、3dB光纤耦合器、光纤光栅、光电探测器、波长移动解码器、A/D转换器、数据处理计算机。从光源发出的光束经3dB光纤耦合器进入光纤光栅，每个光栅的工作波长相互分开，经3dB光纤耦合器取出的反射光被光电探测器探测到波长及其变化，就可以得到解调数据，再经过处理，就能得到对应各个光栅处环境的实际温度。3 火灾实验研究3.1 系统安装及火灾工况设计我们分别将光纤光栅测温系统和分布式光纤测温系统安装在一段长15m、宽7.6m、高7.8m的模拟地铁区间隧道中，具体结构如图3所示。模拟隧道采取纵向通风方式，其内部安装两台射流风机。距模拟隧道顶部0.2m左右纵向布置钢绞线。 图3 地铁区间隧道模型系统安装如图4所示，将光纤光栅温度传感器以2.5m的间隔捆绑在钢绞线上。感温光纤也与传感器一起并排捆绑在钢绞线上。具体的光纤光栅温度传感器的安装方式参照DB42/ 348-2006光纤光栅感温火灾报警系统设计、施工及验收规范5，分布式光纤则按照DB43/T480-2009线型光纤感温火灾探测系统设计、施工及验收规范6安装敷设。根据前人的研究结果，区间隧道内列车火灾功率约为5MW。本实验主要针对早期区间隧道火灾探测设计，因此选取11m290#汽油作为模拟火源，火灾功率为1.5-1.8MW左右。图4 实验工况示意图3.2 实验结果在实验中，沿纵向共设计了7根温度传感器和一根感温光纤，通过探测器的温度采集，各传感器和感温光纤各点的温度达到最大值时的结果如图所示。光纤光栅测温系统采集到的温度最高点为火源正上方的第4根传感器，为63.5。而隧道内其他各点传感器也均有不同程度的升高。分布式光纤测温系统所探测到的最高温升为64.4，位置也为火源正上方。其他各个探测点温度也有不同程度的升高。图5 隧道内探测器温度分布从实验结果可以得出，光纤光栅测温系统和分布式光纤测温系统在隧道中火灾发生时，相同位置的温度的测量基本一致。而光纤光栅测温系统的测量精度由传感器安装敷设的间距决定的，实际工程应用中光纤光栅的安装间距为5m，因此定位精度也为5m。分布式光纤测温系统的定位精度则为1m，由系统本身决定。4 两种测温系统的比较鉴于地铁严峻的安全形势，光纤感温监测系统已在深圳、上海、杭州、成都、沈阳等地的地铁中应用，实现了地铁火灾监测的全覆盖，消灭了地铁的安全死角。 目前分布式光纤感温探测系统和光纤光栅感温探测系统在隧道火灾探测方面均有大量的应用。而分布式光纤感温探测系统和光纤光栅探测系统的特点比较如表1所示。表1两种测温系统特点的比较测温技术分布式光纤光纤光栅传感信号类型光强波长检测方式光强检测波长扫描计算方法光强测量为相对测量，单次检出信号微弱,须多次累加平均保证测量精度每次扫描检测到的波长值，调用预存的标定值即可直接计算得到温度测量时间/s102030定位精度/m1由光栅安装距离决定损耗敏感度敏感不敏感传输距离/km21220注：损耗包括光源衰减、光纤接头、弯曲等损耗。从表1中可以看出，分布式光纤感温探测系统属于光强检测，对光源和解调系统要求较高，但是测量时间相比光栅光纤感温探测系统快一倍，而且其定位精度为1m，相比一般光纤光栅5m左右的敷设间距具有很大优势。随着近几年的发展，分布式光纤感温探测系统在传输距离方面也有了较大提高，和光纤光栅感温探测系统相比差距已经不大。因此在各类隧道的火灾探测系统选型中，分布式光纤感温探测系统具有一定的优势。5 结语光纤测温系统测量准确，工作稳定，安全程度高，目前已经是是地铁区间隧道火灾安全监测的重要子系统，为隧道安全运营提供重要的保障。除此以外，光纤光栅测温系统和分布式光纤测温系统在石化行业大型油罐和电力行业高电压场所进行温度测量和报警也具有独特的优点。随着技术的进一步完善，光纤测温系统将全面走向市场，将在更多领域得到应用。参考文献1 毛保华. 城市轨道交通M. 北京：科学出版社，2