光纤光栅隧道火灾监测系统解决方案

1、光纤光栅隧道火灾监测系统解决方案2008-09-21目 录一、概况2二、行业现状及产品技术分析32.1隧道火灾自动报警技术种类32.2分布式光纤温度探测技术和双波长火灾探测技术分析42.3隧道火灾探测最佳方式62.4关于光纤光栅传感技术7三、功能说明7四、光纤光栅传感技术原理8五、主要产品技术规格105.1 光纤光栅感温火灾探测器i Smart-TMS105.2 光纤光栅信号处理器i Smart111512六、工程方案145.1 系统拓扑结构145.2 光缆走线方法155.3 系统软件15一、概况近几年来，我国公路和城市交通隧道里程延长较快，给隧道的消防安全带来挑战。国内外交通隧道事故造成的危

2、害引起了各国对隧道消防安全问题的高度重视。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（包括路面车辆和地铁列车），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。已有研究结果表明：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。此外，隧道通风将产生特定的影响。一般的测试都显示，在大于2ms的纵向风时，一辆汽车或列车火焰向

3、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。因为隧道内空间狭长，能见度通常较低，加上入洞时的“黑洞”效应隧道内成为事故多发地段，并引发各种各样的火灾，并且由于隧道空间结构上的“管装性”，往往极小的火情也会诱发大的火灾。因此隧道内应贯彻“预防为主，防消结合”的方针，采取有效的防火措施，防止和减少火灾的危害。因此，对于测温型的火灾探测器，基于升温梯度的差温报警是隧道消防首选的报警方式，其次才是定温预警和报警。现有的各种火灾探测方案中，因为安全性、长距离传输、可靠性等原因，无法很好地解决这一行业的火灾探测问题。光纤光栅火灾探测器是目前国际上新

4、一代光纤火灾探测器，具有本质安全防爆、抗强电磁干扰、电绝缘性好、防雷击、高精度、重量轻体积小，能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个光纤光栅进行分布式测量等优点。因此，光纤光栅火灾探测器受到了世界范围内的广泛重视，并正在广泛应用。目前，交通隧道火灾消防还没有统一的行业标准，传统的测温技术均有一定的局限性，但不管采用什么技术，只要及时准确发现火灾，进行预报警，这样才能达到最大限度的减少火灾损失，这样的技术才是我们真正追求的火灾报警技术。陕西久事达信息技术有限公司是国内光纤光栅传感领域的主要系统集成商，代理紫珊光电的光纤光栅传感产品，紫珊光电在光纤光栅传感领域的研究处于国际先进、国内领先水平

5、，拥有全套生产制备光纤光栅的先进设备和技术，并开发生产了多种光纤光栅系列产品，已在多项重大工程中得到应用。紫珊光电技术有限公司提供的 i Smart 系列光纤光栅温度监测系统，采用光纤光栅作为传感探头，信息采集与处理使用多通道、高速、集中光电处理主机，工控主机位于控制中心，控制室外现场只布设光纤光栅和光缆，大大提高了系统可靠性，全套系统能够很好满足隧道火灾进行在线温度监测的要求，是现代消防报警的理想高科技产品。紫珊光电根据设计单位提供的光纤光栅感温火灾探测系统规格书同时按以下规范拟定了光纤光栅感温火灾探测系统技术方案。·工业自动化仪表工程及验收规范 GBJ93-86·自动化

6、仪表安装工程质量检验评定标准 GB131-90·高速公路监控系统地图版装置等十四项 JT/t 601-612 - 2004·火灾自动报警系统设计规范 GB50116-98·火灾自动报警系统施工及验收规范 GB50100-92我公司产品于2004年5月份取得了国家仪器仪表防爆安全监督检验站的防爆合格证，2004年9月份通过了沈阳消防科研所的验收。二、行业现状及产品技术分析2.1隧道火灾自动报警技术种类隧道火灾自动报警技术种类主要包括两大类，一类是感温技术，一类是感光技术，感烟技术几乎不被考虑。感温技术主要是探测火灾位置周围温度场的异常来判断火灾情况，感光技术主要是通

7、过判断火灾发生后探测火源的光谱来判断火灾情况。感温技术和感光技术各有其特点，火灾初期，如果感温技术能及时准确探测火灾险情那无疑是最好的技术，传统的感温技术对初期的火灾状况反应不是太敏感，往往是心有余而力不足，只有当火灾燃烧的比较充分时才会有反应。而感光技术主要是在火灾充分燃烧，烟雾比较少的情况下可以判断火灾，在火灾初期也是不太会有反应的。传统的感温技术主要有两类，一类是感温电缆技术（主要是热敏合金线技术），另一类是感温光缆技术（分布式光纤温度探测技术）。而感光技术主要是目前市场上采用的双波长火焰探测技术。感温电缆技术过去在隧道中应用比较多，但由于是电信号传输，实际使用中无法排除各类电磁干扰，无

8、论是差温技术还是定温技术都很难达到实际效果，而且误报率高，现在已经基本不被采用。2.2分布式光纤温度探测技术和双波长火灾探测技术分析分布式光纤温度探测技术和双波长火灾探测技术都在目前的交通隧道中有应用，但是两种技术优缺点都十分明显，下面，主要就这两种技术的特点做一简单分析。2.2.1分布式光纤温度探测技术：分布式光纤温度监控系统的原理主要依据是光纤的光时域反射(OTDR ) 原理以及光纤的后向喇曼散射光(ram an scattering) 温度效应，当一个光脉冲从光纤的一端射人光纤时, 这个光脉冲会沿着光纤向前传播。因光纤内壁类似镜面, 故光脉冲在传播中每一点都会产生反射, 反射之中有一小部

9、分的反射光, 其方向正好与入射光的方向相反。这种后向反射光的强度与光线中的反射点的温度有一定的关系。反射点的温度(光纤所处的环境温度) 越高, 反射光的强度也越大。也就是说, 后向反射光的强度可以反映出反射点的温度。利用这个现象, 若能测量出后向反射光的强度, 就可以计算出反射点的温度, 这就是利用光纤测量温度的基本原理。分布式光纤温度探测技术的主要优点如下：光纤温度探测，属于无电检测技术，有很好的抗电磁干扰能力；分布式测量，在一定的分辨率范围内，可以连续判断温度分布状况；长距离探测，有2千米和4千米长度探测技术，少数有8千米探测技术；施工方便，维护简单。分布式光纤温度探测技术从结构上来讲会有

10、所不同，但是基本的工作原理都是相同的。虽然分布式光纤温度探测技术可以对电缆沿线的温度分布进行监测，但是由于数据采集的时间间隔不可能无限小，因此设备不可能对沿线的任意点都进行温度监测，而是有一定的分辨度限制（215m），并且基于排除干扰和程序算法的原因，光纤本体必须在大于分辨度的连续长度上温度保持一致的情况下，程序的算法才能对这一区域的平均温度进行计算。换言之，如果光纤本体的某一点（或某一小面积区域）所处温度发生明显改变 ，拉曼散射的固有算法将会剔除掉此区域的异常温度，计算得出光纤在分辨率长度内的平均温度（异常点除外），而无法显示此异常温度。同时，分布式光纤温度探测技术由于采用光纤本体作为温度传

11、感器，其温度响应时间必然受到光纤分辨率以及纤体厚度的影响，反应时间过长，且无法真正实现差温监测。同时对光纤线路的附设条件也有严格的要求，过度的弯曲和挤压都会严重地影响测温精度。作为长期在线监测设备，分布式光纤温度探测技术的测温仪还有一个特点就是设备核心元件易损耗，由于设备是根据非常微弱的向回传递的散射光强度进行计算的，因此为了能够使散射光的强度足够触发检测单元，必须加大入射光的强度，所以拉曼散射测温仪都必须使用大功率激光发射装置，其入射光强度达数十毫瓦。这样的大功率激光发射装置的正常使用寿命一般都不会太长，连续运行两三年以后就不得不更换，大功率激光发射装置国内没有类似的替代品，只能从国外进口，

12、而单独购买该元件的价格往往十分昂贵。由于以上原因，它的缺点很明显：如精度低，反应速度慢，误报率高，难以实现温升和差温检测，光源功率大，光信号指标经常漂移，光纤本体受外力影响大，光源寿命短，不易维修，维修周期长，价格昂贵。实际使用中对初期火灾的探测能力很弱。2.2.2双波长火焰探测技术火焰燃烧通常伴随有红外辐射，红外火焰探测器是通过监测特定的红外辐射信息来判断火焰的存在。双红外火焰探测器运用了多红外传感技术，使用两个具有窄带滤波的不同波长的红外传感器，其中一只传感器工作在反映火焰信息的中心波长，另外一只传感器监视环境中的其他红外辐射，结合火焰的闪烁特征，通过特定的微处理器和专用的数学算法模型进行

13、运算分析，使得只有符合火焰特征的辐射频谱才会被确认为火警，而其他的干扰因素 形成的假火警信号则会被排除，这就是双波长火焰探测技术原理。优点：探测器可捕捉火焰特有的燃烧变化频率，捕捉火灾特有的光谱分布特性，通过对一般照明用环境光的光谱和车辆火灾或汽油火灾时检测器的相对光谱比较，判断检测火灾。 缺点：1.火灾燃烧充分，烟雾比较少的情况下才会准确报警（实际隧道火灾通常是浓烟状态），贻误报警时间。2.非无电检测技术，无法排除各类电磁干扰，包括雷电、照明、风机、通讯、广播、汽车发动机在内的各类电磁干扰均会影响火焰探测工作状态。3. 工业现场中通常存在其他干扰红外辐射源，如加热器、白炽灯、卤素灯、发热物体

14、、太阳光等，这些非火焰产生的红外辐射容易引起红外火焰探测器的误报警。 4. 适用于无烟液体和气体火灾以及产生烟的明火火灾探测，诸如含碳材料的明火燃烧（木材、塑料、酒精、油类产品、气体等）,不适用于对某些化学物质（如磷、钠、镁、硫、氢等物质）燃烧的探测。5.探测窗受灰尘、潮气、化学气体污染，影响探测效果。6.容易受到人为损坏，维护工作量大。7.性价比低。2.3隧道火灾探测最佳方式根据公路隧道的结构和火灾的特点，我们认为如果在火灾发生初期就能发现并采取相关措施，采用温度探测方式无疑是最好的方式，而双波长火焰探测技术在时间上来讲已经比较迟了，当然尽管温度探测是比较好的方式，但是温度探测技术的优劣是影

15、响温度探测效果特别是火灾初期探测效果好坏的关键。隧道温度火灾探测技术并非完全是定温探测技术，最主要的是在火灾初期的温度变化探测技术，只要把火灾发生初期的温度变化趋势准确探测出来就是最好的火灾探测技术，只有这样我们才能达到最好的防灾减灾效果，这也是国内外同行一直追求的目标。尽管上述分布式光纤温度探测技术和感温电缆技术也在追求这一目标，但是由于技术方面先天性的缺陷，要实现这一目标的确有很大的难度。 随着温度测试技术的不断进步和发展，特别是随着光通信技术在传感领域里的不断发展，温度精确测试技术得到前所未有的进步，这种先进技术开始在消防领域开始得到应用，因此在实现火灾发生初期准确探测温度变化趋势的技术

16、有了真正的突破，这就是基于波分复用技术的光纤光栅传感技术。2.4关于光纤光栅传感技术光纤光栅传感技术是目前国际最先进的传感技术，而温度传感技术是光栅传感技术的一项典型应用。目前，光纤光栅技术主要分两大流派，但两大流派在性能方面的差异非常大，一类是以上海紫珊光电技术公司为代表的独立波长解调技术的光纤光栅传感技术，使用1550nm波段，包括美国MOI公司在内的国内外主要公司均以开发和生产这种独立波长光纤光栅传感器，各公司光纤光栅传感器可以互换使用，是目前国际主流技术。另一类是少数院校公司生产的全同波长光纤光栅传感技术，该技术使用1310nm波段，是早期学校做光栅实验的技术，适合做小范围测试实验，不

17、适合从事大规模工程应用，传感器和其它任何公司产品无法互换使用。 1550nm波段光纤光栅传感技术是独立波长波分复用技术，高精度、高灵敏度、完全无电检测，距离定位精度高等众多优点。而1310nm波段光栅传感技术的传感器由于波段资源少大都采用全同波长技术，导致在实际工程应用中相互干扰，灵敏度低，精度差，不报警、误报警现象比较严重，从而影响用户对光纤光栅技术产生怀疑等现象。三、功能说明1、 系统实时在线显示每个传感器周围的环境温度，并实时记录每个探测区域温度变化趋势。2、 系统通过精确测试每个传感器周围的温度变化来及时反应火灾状况，确保在火灾初期准确发现火灾事实，并进行准确的火灾定位。3、 系统首先

18、采用温差测量技术、升温变化梯度测量技术相结合的方式，迅速探测火灾初期的温度变化，并及时予警；待温度继续升高到某设定的报警温度时立即再次报警。4、 为提高差温测量的准确性，系统每24-25米设为一差温测量分区，各传感器测量的当前温度和它所在的分区平均温度差作为温差报警的依据；同时也可作为火灾定位分区。5、 每个传感器能对自己的工作状态具备实时自检的能力，确保工作状态的正常，一旦有工作状态异常会及时报告，确保不产生误报和漏报现象。6、 系统软件自动进行数据转换，用户直接得到温度值和报警状态；7、 各隧道信号处理器需要及时将隧道中光纤光栅温度探测器探测的温度分布数值、报警状态等信号传输至管理中心；8

19、、 隧道变电站以及管理中心均可直观组态画面的看到当前隧道温度分布曲线、温度报警状态等等信息。9、 因故障原因监控分中心对隧道火灾报警子系统不能进行通信或控制情况下，在隧道变电站的火灾报警控制器处具有完全本地监视和操作控制功能；10、 光纤光栅信号处理器实时自检，实时校准,保证系统的可靠性和正确性，避免系统误报警。11、 系统具有火警优先功能，发现有故障存在时，也将故障信息传到监控分中心；12、 系统配置多种标准的工业接口，如Modbus、OPC、I/O等，确保系统和其他设备联动或数据整合；四、光纤光栅传感技术原理光纤光栅技术于1978年问世，它本质是一段纤芯折射率周期性变化的光纤，长度一般只有

20、10mm左右。如图1所示，当一束宽光谱光（如图中的入射光谱）经过光纤Bragg光栅时，被光栅反射回一单色光B（如图中的反射光谱），相当于一个窄带的反射镜。反射光的中心波长B与光栅的折射率变化周期和纤芯有效折射率neff有关。当光纤光栅周围的温度发生变化时，将导致光栅周期和有效纤芯折射率neff产生变化，从而产生光栅Bragg信号的波长漂移B，通过监测Bragg波长B的变化情况，即可获得测点上光纤光栅周围温度的变化状况。在不受应变的情况下，光纤光栅波长漂移B与温度的关系如下：其中： 光纤的热膨胀系数，一般为0.55×10-6/； 光纤光栅的热光系数，常温下约6.3×10-6/

21、；T 温度变化所以，光纤光栅Bragg波长的变化与环境温度的变化呈线性变化关系（如图2），约10pm/，通过检测光纤光栅Bragg波长，就可以测得环境温度。 图1 光纤光栅示意图 图2 光纤光栅波长与温度(应变)的示意图 光纤光栅温度监测系统主要包括传感部分、传输光纤和光纤光栅解调仪三大部分，如图3所示。由于光纤光栅可以制作成不同的中心波长，因此多个光栅可以方便地串接在同一条光路上形成分布式温度测量系统。图3 光纤光栅分布式温度传感系统示意图光纤光栅信号处理器内置超辐射宽带光源，通过光机模块将光源耦合到现场光纤光栅传感器，现场光纤光栅传感器所反射的各中心波长再次反射回光机模块，光机模块将反射信

22、号送入波长检测单元，在波长检测单元中通过FP扫描技术感知各传感器反射的中心波长值，比较各传感器中心波长的变化量推算被测物理量。光纤光栅信号处理器最后将被测物理量数值输出并显示。光纤光栅传感器的特点特别适合于建筑、桥梁、大坝、公路、隧道等大型建筑物应变、温度、振动等多参量的实时监测。一般桥梁、公路、隧道的测试点到仪表监控测室都有几百米至几千米的距离，传统传感器的信号无法传输到如此远，其传感器测试点一般要增加现场仪表，而且每个传感器都需要两根导线引出，系统结构复杂，抗干扰能力差，可靠性不高，不适合长期实时监测。而光纤光栅传感器能克服这些缺点，每根单芯光纤可串连几个至几十个传感器，且可引出到几十公里

23、外进行异地监测；多根光纤连接到同一台解调仪上的不同通道上，组成分布式传感网络，解调仪对传感器进行同步实时监测、分析；不同种类的光纤光栅传感器（如应变、温度、位移、加速度等）可连接到同一台解调仪上进行实时的综合监测与分析。因此，光纤光栅传感器受到了世界范围内的广泛重视，并正在广泛应用。紫珊光电在光纤光栅传感领域的研究处于国际先进、国内领先水平，拥有全套生产制备光纤光栅的先进设备和技术，并开发生产了多种光纤光栅传感系列产品，已在多项重大工程中得到应用。紫珊光电提供的i Smart1115大容量慢速信号解调仪系列用于石化、电力、隧道等行业进行温度监测；紫珊光电提供的高速信号解调仪FONA系列则是专门

24、应用于建筑健康监测、科研院校等领域的应用需求。五、主要产品技术规格5.1 光纤光栅感温火灾探测器i Smart-TMS光纤光栅感温火灾探测器（光纤光栅温度探测器） i Smart-TMS适用于长期安装在建筑物或其他混凝土建筑物里，如地基、桥梁、隧道、大坝、铁路、石油、公路等，进行结构物内部的温度测量。图4 光纤光栅感温火灾探测器光纤光栅传感器具有以下优点：l 不受电磁场的干扰，电绝缘性好，耐潮湿耐化学侵蚀等恶劣环境；l 质量轻，体积小，对结构影响小，易于布置；l 既可以实现点测量，也可以通过串接的方式，实现多点分布式测量；l 检出量是波长信息，因此不受接头损耗、光路损耗等因素的影响，对环境干扰

25、不敏感；l 单位长度上信号衰减小，可实现长距离测点集中监控；l 灵敏度高，精度高；l 波长移动与温度有良好的线性关系。表1 光纤光栅感温火灾探测器参数项 目参 数量 程-30120分辨率0.1响应时间<18 s精 度±2规格尺寸（直径×长度）8×80mm光缆传输距离>20km感温探头布设间距8m最大弯曲半径300mm5.2 光纤光栅信号处理器i Smart1115光纤光栅信号处理器i Smart1115是传感系统中的核心部件， 也是光学探测的数据转换部件。光纤光栅信号处理器可以显示每点的 温度情况，也可以将数据传送到监控中心的消防报警主机上进行数据分析

26、、查询、保存等等。光纤光栅信号处理器实时自检，实时校准,保证系统的可靠性和正确性，最大程度杜绝误报警。基于升温梯度的差温报警技术，实现在火灾初期阶段及时报警。图5 光纤光栅信号处理器i Smart1115前面板光纤光栅信号处理器i Smart1115具有以下优点：l 仪器软件可显示每个火灾探测器的当前温度，形象显示隧道的温度场分布曲线；l 可输出每一个火灾探测器的温度； l 仪器实时校准，确保准确性，杜绝误报警；l 仪器实时自检，任何链路故障或仪器内部故障能及时响应，链路断纤定位指示；l 可精确定位报警, 火灾预警告/报警/故障定位到每个火灾探测器；l 通过各点光纤光栅探测器温度的变化特性（如

27、：3/min）或相邻温差（如：5）等技术，确保及时报警；l 丰富的输出信号接口功能，当前信号接口有：多路报警开关量信号输出端子、一路自检报警开关信号、RS232/RS485通讯接口（或者网口进行数据输出）、Modbus或者OPC工业接口，确保数据和系统其他设备共享；l 各隧道信号处理器温度分布数据和报警状态信息实时传送到管理中心。表2 光纤光栅信号处理器参数系统指标参 数通道数8 64波长范围40 nmC-Band分辨率1pm重复性3pm （典型）扫描频率1Hz 连接形式FC/APC或其他电源供电220V AC工作电流<2 A软件界面温度显示方式每点显示报警温度设定范围用户可任意设定（默认60/85）响应时间<2s输出信号接口多路报警/自检开关量信号输出端子RS232/RS