公路隧道光纖光柵感溫火災報警系統

摘要：隧道是高速公路建設的關鍵部分，在隧道中進行實時、準確的火情監測對保障公共財產安全和人身安全有著十分重要的意義。本文從光纖光柵感溫系統原理出發，著重分析了系統結構以及在實際高速公路隧道中的應用。

關鍵詞：高速公路 火災 光纖光柵 傳感器 報警系統 光敏特性 折射率 波長

0 引言

高速公路正成為今日社會的經濟命脈，公路隧道更是其咽喉重地。大量的人員及貨物夜以繼日的通過它們運送到各地，其高負荷運行使其系統易損壞，任何細小的事故都將導致嚴重的后果。火災，是公路隧道以及地下鐵路隧道所面臨的高度危險之一。現代化交通系統的迅速發展，大大增加了隧道火災的潛在危險。(例如：隧道長度的不斷增加，雙向行車道，高危險性的貨物，隧道內由于大交通流量而日益增加的火災荷載等等因素。鑒于隧道內環境特殊，火災一旦發生，往往會一發不可收拾；并且由于缺乏逃生設施及救護人員，加之司機與乘客驚慌失措，很可能造成重大傷亡。

隧道的火災特點：發生在隧道中的火災，多數是開放性火災，它帶有濃煙，其熱輻射率為數兆瓦級，在數分鐘內便可形成火災。經廣泛的試驗(包括路面車輛和地鐵列車)，一起火災通常在8-10分鐘完全形成。對于大型貨運卡車，大約為20-30分鐘。當有燃料泄漏并形成坑/池時，火災在1-3分鐘內完全形成。“隧道火災”實例的測試顯示，在大約5分鐘之后，車輛火災的溫度升至大約200攝氏度。在這些發現的基礎上，我們得出如下結果：當隧道中發生一起嚴重的火災，在最先的4分鐘內，在火災點上方的熱空氣層可以探測到溫度每分鐘上升大于50攝氏度。隧道通風將產生特定的影響。一般的測試都顯示，在大于2m/s的縱向風時，一輛汽車或列車火焰向上飄動，頂部的溫度僅達到60攝氏度。并且，在距火災發生地20米遠的地點，頂部溫度將降到50攝氏度以下。因此，在高速氣流時熱幅射的升溫梯度是唯一的報警相關標準。在有消防通風系統時，為確保排煙空氣流速必須增加至大于3m/s。另一方面，這增加了5個單位的燃燒速率，并且對隧道頂部的熱空氣層將更具破壞性。一些更先進的通風系統，在火災發生時，從隧道火災發生位置的頂部排煙。為此應只開啟火災發生位置的通風口，并關閉新風系統。

為了確保火災報警的可靠且無誤報，火災探測系統應能記錄開放式火災的輻射區域，這是極其重要的。此外由于表面熱幅射所傳遞的熱量要比熱氣體的熱對流交換所傳遞的快一些，所以火災探測系統應能迅速探測溫度變化，在隧道中進行實時、準確的火情監測對保障公共財產安全和人身安全有著十分重要的意義。

光纖光柵傳感技術是近幾年發展起來的新一代傳感技術，它采用對波長信號的數字式測量方法，具有極高的測量精度和抗干擾能力，已應用于許多領域的安全監測，滿足了實際工程的需要，并在石化、電力、交通等領域得到了大規模應用。

1 光纖光柵感溫火災報警系統的原理

我們經過物理實驗得知諸如溫度、壓力和張力等對玻璃纖維會造成影響，并且能夠局部地改變光纖中的光線傳導特性，從而光線在傳導中會產生散射，并會在石英玻璃纖維中衰減，外部物理影響的位置就能夠被確定，這樣光纖就能夠作為一種線性的傳感器。

光纖感溫探測系統是一套利用光纖作為線性感溫探測器的高新技術，其基本原理是利用光纖中石英分子鍵會受溫度上升而產生晶格振動。這種振動會導致在光纖中傳輸的光產生散射(喇曼散射及R.aylei曲散射)，而散射量的大小可以直接反應溫度的高低。因此光纖感溫探測系統可以將環境溫度以連續的線性方式表示出來。光纖感溫探測系統的另一個嶄新的技術是可以準確地定位溫度變化的確切位置。系統通過OTDK、OFDR(光時域及光頻域反射測量法)及連續FFT(快速傅立葉變換)對訊息進行外理，將微小的時空差別以頻率方式體現出來實現精確定位，從而構成一套精密的光纖線性感溫探測系統。而在光纖光柵感溫火災報警系統中，它是利用光纖芯層材料的光敏特性，通過紫外準分子激光器采用掩模曝光的方法使一段光纖（約8mm）纖芯的折射率發生永久性改變，折射率的改變呈周期性分布，形成布喇格光柵結構，如圖1所示。

光纖芯層原來的折射率為n2，被紫外光照射過的部分的折射率變為n2’，折射率的分布周期d就是光纖光柵的柵距；當寬帶光通過光纖光柵時，滿足布喇格條件的波長被光柵反射回來，其余波長的光透射，反射光波長隨光柵柵距d的改變而改變。由于光柵柵距d對環境溫度非常敏感，因此，通過檢測反射波長的變化可以計算出環境溫度的改變量。

反射光波長的改變量通過信號處理器來檢測，它是系統中的另外一個核心部件。系統中的信號處理器采用可調法布里－珀羅腔技術進行波長檢測。當信號處理器檢測到光纖光柵的反射波長出現異常，它會發送一個報警信號給火災報警控制器，火災報警控制器再發出采取措施的信號，如圖2所示。

隧道的火災監測和報警系統中，按照國家相關規范，要分區進行，一般50-100米為一個監測報警區域，這個區域某個監測點處發生火災，整個區域的火警系統必須啟動。波分復用與全同光纖光柵混合復用的方法如圖3所示，系統將隧道分為多個監測區，不同監測區域以全同光柵的波長λ1，λ2…λn進行區分，每個區域的長度為50－100米，所有的區域共享一套解調與計算機控制系統。λ1，λ2…λn中每一個波長對應的監測區內有許多監測點，同一監測區的所有監測點采用全同光柵，通常100米的監測區布設10～15個監測點，這些監測點上的光纖光柵的反射波長都等于該區域的對應波長。如果系統檢測到λi波長產生了移動，就表明它所監測的隧道區域發生了火警。通過這種混合復用的方法，大大增加了系統的測量距離和測量點數，使之能夠應用到長距離的隧道工程中去。

2 光纖光柵感溫火災報警系統的組成

光纖光柵感溫火災報警系統主要由以下五個部分組成：

光纖光柵感溫探測器

傳輸光纜及光纜接線盒

信號處理器

火災報警控制器

手動報警按鈕

2.1 光纖光柵感溫探測器

光纖光柵感溫探測器由連接光纜和探頭組成，其中探頭部分由不銹鋼連接管、導熱感溫管、光纖光柵等部分組成，如圖4所示。外界溫度發生變化時，會導致光纖光柵的周期發生變化，所以其反射回去的波長也相應產生偏移，這個偏移量被信號處理器獲得，計算出溫度的變化量。

光纖光柵探測器的適用的溫度范圍很廣，在－40℃到120℃之間均能正常工作。探測器探頭的結構參數如下：

直徑 使用環境溫度 抗拉 彎曲半徑

7mm－40℃～120℃ 100N 250mm

系統中光纖光柵探測器的探頭分為檢測探頭和自檢探頭兩種：

①檢測探頭

其主要作用是檢測現場環境溫度，實時傳遞火災報警信息給信號處理器。在隧道現場，檢測探頭被連接光纜串接懸吊敷設于隧道頂部。

檢測探頭之間相互串接，形成線型結構，單個通道中按波長不同分為不同的監測分區。每個監測區域按一定的間隔布置全同光柵探頭，這樣，任一探測器附近的溫度發生變化，都會被信號處理器獲得，并通過波長的不同確定溫度變化發生的分區位置。

②自檢探頭

其主要作用是隨時檢測現場所有檢測探頭是否正常工作，有效防止斷纖、系統出現誤報警等現象，保證設備可靠運行。自檢探頭串接于檢測光纜的尾端。

2.2 傳輸光纜及光纜接線盒

2.2.1 傳輸光纜

傳輸光纜將隧道控制室內信號處理器和隧道內光纖光柵探測器連接在一起，用來傳輸光信號。

光纜規格如下：

光纜直徑 使用環境溫度 承壓重量最小彎曲半徑

10mm－40℃～120℃700Bar 33kg/km250mm

2.2.2 光纜接線盒

光纜接線盒用來保護光纖接頭的熔合點和光纖連接法蘭。光路上的這些連接點是比較脆弱的部分，一定要用合適的接線盒來保護，使之能在惡劣環境下正常工作。

2.3 信號處理器

信號處理儀器內部有調制解調器、信號轉換處理電路、報警參數設置模塊、報警顯示模塊。

信號處理器為光纖光柵感溫探測器提供穩定的寬帶光源，同時對檢測光柵返回的光信號進行解調。信號通過轉換處理電路進行解調，處理成最終的實測溫度值，溫度值由信號處理器通過RS232/RS485通訊端口輸出給上位機，并在上位機上顯示。

信號處理器自身可進行光報警，還輸出火災報警四路觸點信號和感溫探測器自檢探頭四路觸點信號；通過RS232/RS485端口和火災報警控制器連接，可實現分區溫度顯示、分區報警和各光路故障報警。

2.4 火災報警控制器

火災報警控制器接受信號處理器和手動報警按鈕的信號，顯示各個監測區的溫度，在溫度達到設定的報警時啟動報警程序。

①控制器容量：

a最大容量為242個地址編碼點。

b可外接64臺火災顯示盤；聯網時可接32臺其它類型控制器。

c 64路手動消防啟動盤。

d最大可配置14個多線制控制點。

②線制

a控制器與探測器間采用無極性信號二總線連接。

b多線制控制點與模塊之間采用無極性二線連接。

c與彩色CRT系統通過RS232標準接口連接，最大連接長度不宜超過15m。

③電源

交流220V±10％。

④功耗

控制器監控功耗：<20W。

控制器最大功耗：<60W。

2.5 手動報警按鈕

手動報警按鈕用于現場人員發現火警后向火災報警控制器發送報警信號，當人工確認發生火災后，按下此鈕，即可向火災報警控制器發送報警信號，控制器接受到報警信號后，顯示出報警按鈕的編號或位置并發出警報。

手動報警按鈕的接線直接連接到火災報警控制器總線上。手動報警按鈕采用明裝和暗裝的方式均可。

3 光纖光柵感溫火災報警系統在實際中的應用

在實際工程使用中，光纖感溫探測系統光纖控制主機設置于地鐵站臺或公路(鐵路)隧道的消防控制室內，引出一路光纖監控整個隧道，探測距離可達4000m。主機提供RS232及數字信號接口，可通過COM接口或Modem將信號傳送至OTS-PC監控系統，遂道中光纖線纜傳感器安裝在遂道頂部，居中布置，光纖外套上有每米的長度標識，可方便與遂道長度對照。光纖采用高強度尼龍夾固定，尼龍夾的設置建議每米一個(參考值為1m～2m)，光纖允許有一定的彎曲，但彎曲半徑不小于60mm。采用光纖線纜傳感器，報警區間長度可任意定義，一般可按100m區間定位。發生火災時，不僅能按報警區間給出火災報警信號。同時可以實時顯示報警溫度曲線。線纜故障時能即時發出故障信號。另外設置手動報警按鈕，用于輔助報警手段，每隔50m安裝一只，安裝在隧道洞壁1.5m高處，以便于安裝維修。

4 結束語

隨著高速公路建設規模的不斷擴大和消防安全意識不斷增強，光纖光柵感溫火災報警系統技術必將得到進一步推廣應用，成為消防安全報警領域中新的增長點。