光纤传感器在火灾报警中的应用

光纤传感器在火灾报警中的应用王聪20801195第一章摘要随着经济建设的快速发展，新能源、新材料、新设备的广泛开发利用，火灾给人类带来损失反而增加。为了抗拒火灾带来的危害，就需要发展反应更快、可靠性更高的火灾探测报警技术。温度传感是光纤传感器最主要和最直接的应用之一，本文从温度传感理论模型的角度，分别研究了分布反馈式光纤温度监控系统和光纤光栅温度传感器原理及特点，详述了这一新技术在火灾报警应用中的优点和技术特点，并进一步的在光纤光栅温度传感器原理得基础上给出了火灾报警系统的系统组成和设计实例分析。分析表明，利用光纤传感器进行温度探测与其他方法相比显示出巨大的优越性，它的出现为易燃易爆和强电磁场等场所的火灾探测提供了新的有效的技术途径。关键词：温度探测、温度传感器、分布反馈式光纤温度监控系统、光纤光栅温度传感器第二章引言光纤传感技术是20世纪70年代伴随光通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术。光纤传感器以其高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可弯曲、体积小、结构简单以及与光纤传输线路相容等独特优点，受到世界各国广泛关注。利用光纤传感器进行温度探测与其他方法相比显示出巨大的优越性，应用了光纤传感器的火灾报警系统是一种新型的火灾报警系统，它的出现为易燃易爆和强电磁场等场所火灾探测提供了新的有效的技术途径，并被越来越多的应用到各种环境的火灾报警中。第三章分布反馈式光纤温度监控系统的原理及特点3．1原理光纤分布式温度监测系统[3]是光纤分布式传感技术的典型应用，是基于光纤本身的散射现象来进行温度测量的。当某一波长的脉冲光导入光纤后，从光纤返回三种随时间变化的散射光：瑞利散射（Rayleign）、拉曼散射（Rama）、布里渊散射（Brillou）。其中，瑞利散射光与入射光的频率相同，是由光纤材料折射率的变化引起的;而拉曼散射和布里渊散射两种散射光分别是由光振子和声振子引起的非顺应性散射，与入射光的频率不同。利用这三种散射光，可以分别设计出三种不同的光纤分布式温度测量系统。其中，采用基于拉曼散射光的分布式温度测量系统比较简单实用。光纤分布式温度监测系统利用光纤本身作为温度传感器，在沿光纤分布的路径上同时得到被测物理量的一维空间连续的时间和空间分布信息，可对温度变化的异常点进行精确定位和实时监测。其系统原理框图如图（3-1）所示。图（3-1）光纤分布式温度监测系统原理框图激光光源向传感光纤注入激光脉冲，光在光纤中传输时会产生散射现象，即在光纤中产生四面八方各方向的散射光，其中一部分向后传输的后向散射光可沿光纤传回到光入射端。这部分后向散射光中的拉曼散射光与温度密切相关。后向散射光经定向耦合器由光电检测管进行光电变换后，送入信号处理单元处理，通过比较拉曼散射光的斯托克斯和反斯托克斯光带，以及计算激光光脉冲的运行时间，就可以确定每一个测温点的温度和位置测温点的位置（即该点与测量原点之间的光纤长度）可由发射的光脉冲与返回光信号的时间间隔以及光纤中的光速计算得到：光纤长度L＝（C／n）×Δt/2（3-1）式中C为真空中光速，n为光纤群折射率，C／n即是光纤中的光速；Δt为初始发射脉冲与返回光信号的时间间隔；因为光传输经过往返双程，故计算光纤长度时乘以系数1/2。通过检测拉曼散射产生的斯托克斯光(Stokes)与反斯托克斯光(anti-Stokes)功率的比值可反映出光纤的温度变化特性。其关系式如下：4()exp()()hcvsRTkTsa（3-2）式中：s为斯托克斯光的波长；sa为返斯托克斯光的波长；h为普朗克常数；c为光在真空中的速度；v为入射光的频率；k为玻尔兹曼常数；T为纤芯的绝对温度。由此可见测量斯托克斯光与反斯托克斯光的比值将得到光纤媒质温度的绝对数值。系统通过对温度信息和位置信息的分析，就可以得出以一条温度-位置的实时曲线图，如图（3-2）所示。当某一点的温度值超过所设的限定值时，即可由控制电脑发出警报信息控制相关装置动作，消除隐患。图（3-2）温度-距离实时曲线图3．2特点分布反馈式光纤温度监控系统有如下性能特点［2］：a.探测器的本质安全特，探测器的温度传感和信号传输均在一根光纤内以光信号形式实现，探测器不带电，具有本质安全特性。b.长距离、高密度、可定位多点温度探测报警。c.能够实现有效的感温探测报警。系统能够对探测器所分布空间的温度场变化进行动态实时监测，只是位置和温度值。d.探测器具有火灾报警后可自动复位，当探测器所布现场温度回落时如果探测器没有严重烧损，探测器无需处理，可重复使用。第四章光纤光栅温度传感器原理及特点4．1原理光纤光栅是近十年发展起来的一种新型传感技术，被广泛应用于温度、压力、流量、液位等参数的测量，具有良好的应用前景。光纤光栅是利用激光加工手段在光纤芯内刻制间距为∧的若干条纹，形成一个光栅元件。当一束宽带光源通过光纤传输时，由于光纤光栅的存在，某一特定波长的光线将不能通过而被反射回来，其他波长的光线则能顺利通过。光纤光栅传感器的基本工作原理见图（4-1）：反射光的中心波长λ和光纤栅距∧之间的关系如公式［1］（4-1）所示：λ=2Neff∧(4-1)式中：Neff光纤光栅的有效折射率，∧为光纤光栅的周期栅距。对于特定的栅距∧，反射的波长λ非常稳定。当栅距发生变化时，反射的波长随之而变。由此得出两条结论：a.通过改变制造工艺可以生产出反射不同波长的光纤光栅传感器。b.若一个光纤光栅传感器由于外界环境的变化而使栅距发生变化，则反射波长也会随之而变。图（4-1）光纤光栅传感器检测原理当温度参数发生变化时，由于光纤光栅传感器的热胀冷缩效应，光栅的周期条纹间距会发生变化。当我们精确地检测出反射光的波长以及它的偏移Δλ，就可以感知光纤光栅传感器所处位置的温度及变化。4．2特点光纤光栅传感技术除了具有普通光纤传感技术的防爆、抗腐蚀、抗电磁干扰无电传输等优点外，还有一些优于其它光纤传感技术的特点：a.光纤光栅传感器可靠性高，寿命长，能进行长期安全监测。b.光纤传输信号适合远距离在线监测和传输，易于组网。c.数字编码和数字传送，易于实现分布式自动化在线监测。d.响应时间快，精度高，灵敏度高，分辨率高。e.结构简单易于施工布设。f.应用范围广泛第五章火灾报警系统设计实例5．1光纤光栅多点监测系统一个完整的光纤光栅多点监测系统由四部分组成：a.宽带光源，它用于产生宽带光并传输到光纤上去。b.传感器，这是光纤光栅系统的核心部分。由测量用光纤光栅、增敏元件、无电元件等部分组成，实际使用时检测现场可以安装多个探头（具体数量根据使用需要确定）。它们之间用光纤相互串接起来，采用特殊结构与光缆连接。c.信号处理器，将反射波长转化为被测量的温度数值，当系统工作时，监测各点的温度为1T、2T、3T…nT。如果传感探头2S处温度产生偏移T的变化，则反映2S处温度2T的反射光波将产生偏移，显示温度相应改变2T。若温度变化超过设定值，则发出报警信号。光纤光栅多点监测系统见图（5-1）图（5-1）光纤光栅多点检测系统5．2光纤光栅火灾探测监控的实际应用5．2．1系统设计传感器的探头采用砷化镓晶体[4]。它被制作成三角形棱镜，粘在两根光纤的末端，如图（5-2）所示。宽带光源发出的光，由其中一根光纤传输到砷化镓敏感元件上经过砷化镓棱镜作用后被另一根光纤接收。由于砷化镓晶体具有高的折射率，因此，在棱镜的两个斜面上发生全内反射。因为不需要涂层，棱镜可以设计得很小，其直径为250。火灾报警系统的结构如图（5-3）所示：图（5-2）光纤温度探头的结构图（5-3）系统整体结构系统的工作过程是：从宽带光源发出的光，从一根光纤进入，传输到砷化镓探头经吸收和反射作用后，由另一根光纤输出。光纤输出的光进入探测器，光探测器将光信号转变为电信号（弱电流）。并在探测器后加一低噪声前置放大器，将弱电流进行放大，以便检测。为更好地抑制噪声，提高后续信号处理的信噪比，所以在前置放大器后加一低通滤波器，滤除噪声。在低通滤波器后输出的是放大后的电流信号，将此模拟信号通过A/D（模/数）转换器转换为数字信号，然后微处理机基于一定的算法对此数字信号进行处理，转变为相应的温度值，并给出温度显示及越限报警阈值。显示检测的温度及温度越限报警。5．2．2软件设计数据终端的软件界面分为整体报警监测界面、温度监控查询界面、报警设定界面和参数标定界面等。在整体报警监测界面中可实现对整个实验隧道的温度监测和报警，包括差温报警和定温报警。当系统监测到某点或某区域的温度连续若干秒中的升温速率均超过设定值时，产生差温报警信号；当系统监测到某点或某区域的温度值超过定温设定值时，也产生报警信号，具体报警参数都可在报警设定界面中修改。参数标定界面主要设定计算温度时所需的参数,温度监控查询界面可查询各点的实时温度值。第六章结论光纤温度传感器是一种新型的温度传感器，它具有抗电磁扰、耐高压、耐腐蚀、防爆防燃、体积小、重量轻等优点。利用光纤传感器进行温度探测与其他方法相比显示出巨大的优越性，它的出现为易燃易爆和强电磁场等场所火灾探测提供了新的有效的技术途径，这项技术必将越来越多的应用到各种环境的火灾报警中。第七章参考文献［1］常菲，光纤光栅传感技术在火灾报警系统中的应用，建筑电气［Ｊ］，2007年第12期［2］孙立新，火灾报警系统发展趋势，安徽电子信息职业技术学院学报［Ｍ］，2008年第2期第7卷［3］郑晓军，火灾报警中的光纤分布式温度监测系统，理论与研究［Ｊ］[4]陈艳，王海燕，张朋，王宁，简述光纤温度传感器的原理及应用，TechnologyandApplication［Ａ］，1006-883X(2008)12-0023-05