高速公路隧道火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)工作原理研究

張澤民

【摘 要】本文列舉出高速公路隧道常用的幾種火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，分析了不同火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的探測(cè)原理與基本工作原理，并闡述了幾類火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的各自特點(diǎn)。

【關(guān)鍵詞】線型感溫電纜火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng) 感溫光纖火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng) 光纖光柵火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng) 雙波長火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng) 圖像檢測(cè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

【中圖分類號(hào)】U412.36+6【文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼】A【文章編號(hào)】1672-5158（2013）07-0282-02

一、線型感溫電纜火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

在高速公路建設(shè)的早期，高速公路隧道內(nèi)使用較多的是線型感溫電纜火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。線型感溫電纜作為該系統(tǒng)的探測(cè)器，它的內(nèi)部是兩根纏繞的彈性鋼絲，每根鋼絲外面都包有一層由熱敏絕緣材料制成的包帶。正常狀態(tài)下，由于絕緣包帶的存在，兩根鋼絲處于斷開狀態(tài)，當(dāng)周邊環(huán)境溫度上升時(shí)，熱敏絕緣材料的阻值將不斷降低，當(dāng)達(dá)到一定值時(shí)，兩根鋼絲的絕緣狀態(tài)發(fā)生變化，也就產(chǎn)生了報(bào)警信號(hào)（圖1）。

總之，線型感溫電纜火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的基本原理就是通過測(cè)量鋼絲間的阻值來確定外部環(huán)境的溫度值。由于兩根鋼絲間的阻值隨著溫度的變化而產(chǎn)生變化，因此可以設(shè)置不同的閾值，如60℃、100℃等。當(dāng)測(cè)量的阻值達(dá)到設(shè)置的閾值所對(duì)應(yīng)的阻值時(shí)，系統(tǒng)則產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，并將報(bào)警信號(hào)上傳至監(jiān)控中心主機(jī)，這就是線型感溫電纜火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的定溫報(bào)警模式。線型感溫電纜火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的差定溫報(bào)警則是指升溫的速率超過系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值，如10℃/分鐘，則系統(tǒng)也會(huì)產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)。

線型感溫電纜火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)早期在高速公路隧道曾得到較為廣泛的應(yīng)用，但由于受設(shè)備材質(zhì)影響，熱敏材料在老化后阻值降低，導(dǎo)致在未達(dá)到固定閾值的情況下，鋼絲間也會(huì)短路或產(chǎn)生報(bào)警信號(hào)，因此使用年限較短，且后期穩(wěn)定性下降，誤報(bào)率較高。現(xiàn)在線型感溫電纜火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主要使用在商場(chǎng)、超市、廠房、倉庫等場(chǎng)所。

二、感溫光纖火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

感溫光纖火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是利用光的拉曼散射的原理，由于激光在光纖中傳輸能夠產(chǎn)生背向散射，在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，它在光纖中傳輸?shù)耐瑫r(shí)不斷產(chǎn)生背向拉曼散射，即反斯托克斯光和斯托克斯光，其中背向反斯托克斯光的強(qiáng)度會(huì)受到所在光纖散射點(diǎn)的溫度影響而有所改變。依據(jù)背向反斯托克斯光強(qiáng)度的解調(diào)，產(chǎn)生了拉曼型光纖測(cè)溫系統(tǒng)（圖2）。

感溫光纖報(bào)警系統(tǒng)是通過將散射回來的拉曼光波經(jīng)波分復(fù)用、光電轉(zhuǎn)換、放大、解調(diào)后，送入信號(hào)處理系統(tǒng)進(jìn)行處理，便可將溫度信號(hào)實(shí)時(shí)顯示出來；并且由光纖中光波的傳輸速度和背向光回波的時(shí)間對(duì)這些信息進(jìn)行計(jì)算，達(dá)到定位的目的。該系統(tǒng)以光纖作為探測(cè)元件，每10秒種即可通過數(shù)千個(gè)溫度點(diǎn)對(duì)長達(dá)數(shù)千米的光纜進(jìn)行測(cè)量，并獲得一個(gè)精確的溫度分布。當(dāng)溫度達(dá)到系統(tǒng)設(shè)定的閾值時(shí)，則對(duì)系統(tǒng)主機(jī)發(fā)送報(bào)警信號(hào)。感溫光纖火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的原理圖如（圖3）所示：

三、光纖光柵火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

光纖光柵是光纖光柵感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的核心部件之一，它是利用光纖芯層材料的光敏特性，通過紫外準(zhǔn)分子激光器采用掩模曝光的方法，用一段光纖（約8mm）纖芯的折射率發(fā)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(jié)構(gòu)，如（圖4）所示。

光纖芯層的折射率為n2，被紫外光照射過的部分的折射率變?yōu)閚2′，折射率的分布周期d就是光纖光柵的柵距；當(dāng)寬帶光通過光纖光柵時(shí)，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，反射光波長隨光柵間的柵距d的改變而改變。由于光柵間的柵距d對(duì)環(huán)境溫度非常敏感，因此，通過檢測(cè)反射波長的變化可以計(jì)算出環(huán)境溫度的改變量。

光纖光柵火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與感溫光纖火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的不同之處在于：感溫光纖火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)以光纖作為感溫元件，是連續(xù)的線型的火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)。光纖光柵火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)以光柵器件作為感溫元件，是點(diǎn)式的火災(zāi)探測(cè)系統(tǒng)。

四、雙波長火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

雙波長火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)實(shí)則是一種火焰探測(cè)系統(tǒng)。由于火災(zāi)時(shí)的火焰所輻射的光的分光分布特點(diǎn)是在紅外線領(lǐng)域有很強(qiáng)的放射強(qiáng)度，而自然光或者環(huán)境光（各種人工照明光）的分光分布特點(diǎn)則是在可視光領(lǐng)域有很強(qiáng)的放射強(qiáng)度。雙波長火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的探測(cè)器光學(xué)檢測(cè)元件將一般照明用環(huán)境光波的輸入相對(duì)光譜和車輛火災(zāi)或汽油火災(zāi)時(shí)檢測(cè)到的光波的輸入相對(duì)光譜進(jìn)行比較，即通過光電轉(zhuǎn)換、電子濾波、比較器比較，作為判斷火災(zāi)發(fā)生的要素。

根據(jù)雙波長火焰探測(cè)器的“光學(xué)上的相對(duì)靈敏度特性”，探測(cè)器可檢測(cè)出二個(gè)火災(zāi)的特征波長，分別用α和β表示。對(duì)應(yīng)于波長的光能量相對(duì)輸入值，它分別用Pα和Pβ表示，如圖曲線1所示，對(duì)于環(huán)境光來說Pα-Pβ<0。而對(duì)汽油火災(zāi)或者車輛火災(zāi)而言，如圖曲線2所示，對(duì)火焰的輸入

値Pα-Pβ>0。利用此特性，使用在不同波長領(lǐng)域所具有靈敏度的2種檢出單元，分別射入的光的輸入值的差Pα-Pβ>T（T：火災(zāi)閾值）時(shí)，則探測(cè)器判斷發(fā)生火災(zāi)，并發(fā)出報(bào)警信號(hào)（圖5）。

雙波長火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)除了以光波長作為最主要探測(cè)參量外，一般還有一個(gè)火災(zāi)參量可作為參考，即火焰燃燒頻率。火災(zāi)時(shí)的火焰所輻射的光有規(guī)律地變動(dòng)，利用這種“閃爍現(xiàn)象”，通過探測(cè)器的電子頻寬濾波器可以探測(cè)出火焰特有的頻率（1Hz～15Hz），以此也可作為判斷火災(zāi)發(fā)生的一個(gè)要素。

雙波長火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)與上述幾種火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的區(qū)別在于：雙波長火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)是通過探測(cè)火焰來判定火災(zāi)的一種報(bào)警系統(tǒng)，它無法實(shí)時(shí)反映現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境的溫度分布，而其他幾種火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)則是通過對(duì)溫度的探測(cè)來判定火災(zāi)的報(bào)警系統(tǒng)，除了探測(cè)火災(zāi)外，還能探測(cè)出非火災(zāi)導(dǎo)致的現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境溫度的變化。而在對(duì)火焰的判定上，雙波長火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的準(zhǔn)確性與靈敏度則更勝一籌。

五、圖像檢測(cè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)

這是一種較為新興的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，它主要建立在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上。

圖像檢測(cè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)通過紅外、可見光多頻攝像機(jī)等采集火災(zāi)事件早期過熱、火災(zāi)初期的煙霧或火焰圖像，之后通過圖像處理器中的視頻分析軟件，辨識(shí)出過熱和火災(zāi)并進(jìn)行告警，同時(shí)還能輸出復(fù)合后的圖像信息，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h(yuǎn)端的監(jiān)控中心。

火災(zāi)的發(fā)生一般要經(jīng)歷：過熱且陰燃無煙階段，陰燃且發(fā)出可見煙階段，火焰、可見煙并存階段。與常規(guī)探測(cè)器需要煙霧擴(kuò)散或熱量輻射到探測(cè)器本身且達(dá)到一定程度才能進(jìn)行報(bào)警不同，圖像檢測(cè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)將會(huì)在第一時(shí)間捕捉火災(zāi)發(fā)展過程中出現(xiàn)的過熱、可見煙和火焰，并進(jìn)行分析和報(bào)警。

圖像檢測(cè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于該系統(tǒng)可以直接將火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)的視頻圖像進(jìn)行反饋，讓監(jiān)控人員和消防隊(duì)等相關(guān)單位可以在遠(yuǎn)距離外就能掌控火災(zāi)發(fā)生發(fā)展的細(xì)節(jié)，為火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)可視化、快速反應(yīng)提供了良好的解決方案。該系統(tǒng)的缺陷則是對(duì)攝像機(jī)本身的要求比較高，且單個(gè)攝像機(jī)的探測(cè)范圍較小，一般探測(cè)攝像機(jī)的分布間隔不得超過100米，另外攝像機(jī)的探測(cè)易受到物品遮擋的影響而導(dǎo)致探測(cè)準(zhǔn)確性下降。

六、結(jié)束語

通過對(duì)各類火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)工作原理的研究與分析，可以得出如下結(jié)論：不論是哪種火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，火災(zāi)探測(cè)的基本原理就是用一種敏感元件對(duì)火災(zāi)氣體、煙霧、溫度和火焰等火災(zāi)信息作出有效反應(yīng)，并通過對(duì)火災(zāi)信息參量的測(cè)量、分析、比較，來判斷被測(cè)區(qū)域是否有火災(zāi)存在。

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