風載環境下隧道光纖光柵火災探測器響應和報警特性

姜學鵬，陳 姝，周 健

(1.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081；2.北京工業大學建筑工程學院，北京 100022；3.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

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風載環境下隧道光纖光柵火災探測器響應和報警特性

姜學鵬1,2，陳 姝1，周 健3，*

(1.武漢科技大學資源與環境工程學院，湖北 武漢 430081；2.北京工業大學建筑工程學院，北京 100022；3.招商局重慶交通科研設計院有限公司，重慶 400067)

為研究風載環境下的隧道線性感溫光纖光柵火災探測器的響應特點及響應閾值設定對報警結果的影響，以全尺寸隧道為實驗平臺，設計2種光纖光柵(FBG)火災探測器的火災實驗場景，分析2種不同風載作用下報警閾值對報警響應時間的影響及風載對探測器響應速率的影響。實驗結果顯示：1)報警閾值從10 °C/min減小到3 °C/min時，低風速(0.4 m/s)下的報警響應時間縮短了24 s，而在高風速(5 m/s)情況下，報警響應時間僅縮短了4 s，表明在低風速情況下，FBG火災探測器的響應更靈敏；2)風速對火災煙氣的擴散影響顯著，位于下風向的光纖探測器響應速率明顯高于上風向的光纖探測器響應速率，可由此作為推算煙氣移動速度、到達位置及火災時風載速度的一種方法。

光纖光柵；隧道火災；隧道風載；溫度響應特性

0 引言

火災探測報警技術在隧道建設中得到廣泛應用，其中光纖傳感技術因以光為傳感信號，具備無電檢測、不受電磁干擾、可耐高溫、無零漂、精度高、體積微小、一根光纖可串接多個光柵等優勢，在很多領域取代了傳統的電測溫度報警技術[1-3]。

數學的科學性和嚴密性要求學生學習數學要一絲不茍，在教學訓練中應培養學生良好習慣，對于小學生來說，培養良好習慣主要是不間斷地反復訓練來實現。通過嚴格訓練使學生形成對待任何工作都認真負責的態度，獨立思考、勇于克服困難的精神，敢于正視錯誤、改正錯誤的優良品德。正確、積極地引導，從一點一滴抓起，既注意循序漸進，又貫穿始終，如在進行計算能力訓練時，先要求學生認真審題，在計算時要求學生一一步一-回頭，自覺進行檢查，做錯時及時糾正，自覺分析錯誤原因，養成認真計算的良好習慣。

作為光纖傳感的一種，光纖光柵傳感采用絕對波長編碼檢測，傳感光源的功率波動對信號無影響等優勢，更加得到科研學者和工程技術人員的重視[4-7]。國內高新技術企業還制定了光纖火災報警的相關國家標準[8-9]，各種新的、高精度的溫度探測器也得到不斷研發[10-12]。在光纖光柵溫度探測器的研制、標定過程中，往往只重視其溫度靈敏度、響應時間、測量范圍等。報警閥值設置過低，則導致報警系統誤報率增高；而報警閥值設置過高，則導致報警響應時間延長，不利于火災工況下的防災救援工作快速開展。在實際隧道內往往伴隨著顯著的風載，在縱向風載的作用下，探測器附近火災煙氣所帶熱能減少，不利于探測器的迅速升溫并報警。因此，原來設定的溫度報警閾值將在縱向風速的作用下影響探測器的報警行為特性，且目前尚無可靠的實驗或理論研究工作顯示光纖光柵感溫火災報警系統的預設閾值與火災報警速度之間的關系。

本文擬通過在隧道現場開展實地研究，得到在不同風載作用下報警溫度閾值設定對報警時間的影響特性，以及風載作用對FBG探測器的響應特性的影響，研究結果可為掌握更加合理的探測器布置方法、定位精度及報警設置提供科學依據。

二是民生水利建設提速升級。農田水利萬宗工程、千宗治洪治澇保安工程、千里海堤加固達標工程和村村通自來水工程建設扎實推進。19個中央財政小型農田水利重點縣、88個省級小農水示范鎮建設基本完成；中央和省級共42個小農水重點縣建設順利推進；117座重點小 （1）型、312宗重點小（2）型病險水庫除險加固基本完工，79宗近期中小河流治理試點項目建設基本完工，68個山洪災害防治縣級非工程措施投入使用；15宗千里海堤加固達標工程開工建設；6個村村通自來水工程示范縣建設完成投資1.8億元，進展態勢良好；新增農村飲水安全工程建設完成94%的投資量，年底前將全面完成建設任務。

1 實驗工況設置

試驗過程中，FBG解調器實時記錄下探測器的波長，以傳感器感受到溫度突然上升的時刻為煙氣到達傳感器所在位置的時刻，即可以繪制火災煙氣到達時間和到達位置的曲線。火災發生位置在1#探測器右側的17 m處(見圖9)，5#傳感器首先探測到溫度突然升高。隨著時間的推移，煙氣向火源的上風向與下風向蔓延，相繼達到4#、6#、7#、1#傳感器處，13#探測器以后的7個探測器溫度上升結果不明顯，未列出相關數據。根據探測器5 m的間隔，可由此計算出煙氣移動的速度。經計算，煙氣向下風的飄移速度為0.91 m/s，向上風的飄移速度為0.57 m/s，如圖10所示。當煙氣擴散至1#探測器后，煙氣飄移速度下降到0.37 m/s，如圖9所示。可見，風載明顯改變了著火點的向上向下風向的飄移速度，從而改變了位于著火點上風向和下風向探測器的響應時間順序。

圖1 全尺寸隧道火災試驗圖

圖2 試驗隧道的結構示意圖(單位：mm)

圖3 火災試驗油盆

序號火源功率/MW火源位置縱向風速/(m/s)FBG探測器個數FBG探測器間距/m111#與2#間0.4610211#與2#間5.0610314#與5#間0.7205417#與8#間0.7205

圖4 FBG探測器在隧道中的布設示意圖(單位：m)

圖5 FBG串縱向布置示意圖(單位：m)

2 分析與討論

2.1 風載對FBG探測器溫度響應時間的影響

由風機產生5 m/s的縱向風，FBG解調器以1 Hz的頻率記錄所有探測器測量的溫度隨著時間的變化曲線如圖6所示。從圖6可以看出：隨著時間的推移，離火源最近的1#和2#探測器溫度變化并不明顯，而位于下風側45～55 m處的3#和4#探測器溫度上升較為明顯，65 m處的5#探測器溫升也明顯高于1#和2#探測器。溫度上升最大點處并不在距離火源附近的2探測器處，其位置偏差超過10 m，該結論可為風載明顯的隧道報警顯示的著火區域糾正提供重要參考。

圖6 不同位置的探測器的升溫梯度隨時間的變化曲線

Fig.6 Curves of temperature gradients of fire detectors at different positions vs.time

2)在低風速0.4 m/s下，當報警閾值從10 °C/min減小到3 °C/min時，報警時間會從31 s減少到7 s，縮短了24 s；而在高風速5 m/s情況下，報警響應時間會有所延長，同樣的閾值調整會使報警響應時間從43 s減小到39 s，僅縮短了4 s。

圖7 風速0.4 m/s時，預設的閾值對系統報警響應時間的影響曲線

Fig.7 Curve showing influence of preset threshold on fire alarm response time of detector under wind velocity of 0.4 m/s

圖8 風速5 m/s時，預設的閾值對系統報警響應時間的影響曲線

Fig.8 Curve showing influence of preset threshold on fire alarm response time of detector under wind velocity of 5 m/s

2.2 風載條件對FBG探測器感煙速度特性的影響

圖1為某全尺寸隧道試驗圖，圖2為試驗隧道結構示意圖。其中隧道主體寬12.75 m，高6.7 m，置于隧道口的風機可提供不同速度的縱向風。試驗用油盆火來模擬火源(見圖3)，火源盆放置于隧道地面，火源燃料為汽油，火災熱釋放率為1 MW。2種實驗場景下的工況設置如表1所示。圖4和圖5分別為2種試驗場景下FBG探測器的不同布置方式示意圖。

圖9 0.7 m/s的風載作用下，FBG探測器的溫度梯度響應曲線

Fig.9 Temperature gradient response curves of FBG detector under wind velocity of 0.7 m/s

圖10 根據圖9數據推算的上下風方向煙氣位置和時間的關系

Fig.10 Relationship between smoke diffusing time and reaching position

1)在風速為5 m/s時，火災溫度最高點的位置向下風向移動了10 m以上。

圖11 報警探測器的各個探頭的溫度梯度響應曲線

Fig.11 Temperature gradient response curves of every probe of alarm detector

通過全尺寸試驗研究了隧道風載對FBG火災探測器的響應時間先后及溫升速率的影響，以及風載條件下探測器報警閾值的設定對報警時間的影響，得到了以下結論并提出相應建議。

3 結論與建議

位于下風向的10#探測器最先響應，且溫升速率較大，此次測試結果與前一次有良好的契合度，表明隧道內風載對傳感器響應速率的影響應當引起重視。結合試驗結果，根據煙氣到達的位置和時間的關系曲線可得到上下風方向上煙氣飄移的速度，可由此推算出火災時隧道內氣流的移動速度、到達的位置及火災時的風速，同時還可以對濃煙的覆蓋范圍做出監測。

在同樣的探測器布置情況下，改變火源位置，將其放置在7#和8#探測器之間的下方，再次進行試驗，得到如圖11所示的溫度梯度響應曲線。

對不同風速下報警閥值對觸發報警響應時間的影響試驗結果如下：以簡單的報警判斷模式將升溫梯度是否達到或超過報警閾值作為判據，依據所記錄的溫度梯度和點火后達到此溫度梯度所用的時間可以得到系統達到設定報警閾值-時間曲線。在低風速(0.4 m/s)下，閾值從10 °C/min減小到3 °C/min時，報警響應時間會從點火后的31 s減少到7 s(如圖7所示)，報警時間縮短24 s；而在高風速(5 m/s)情況下，報警響應時間會有所延長，同樣的閾值調整會使得報警響應時間從43 s減小到39 s(如圖8所示)，報警僅縮短了4 s。分析認為：低風速時熱煙氣分層較穩定，熱煙氣與冷空氣預混強度相對較弱，熱煙氣直接在熱浮力作用下上升到隧道頂部；而在高風速下熱煙氣層化強度減弱，與冷空氣的摻混加強導致熱煙氣溫度相對低風速情況偏低，使報警器對于高風速下的煙氣敏感度降低，致使報警響應時間延長。

Y=-900.6228+0.032337X 1+0.043653X 2-51.58683X 3-25.54347X 4-10.13060X 5+4.818238X 6

3)在風速為0.7 m/s時，煙氣向下風飄移的速度為0.91 m/s，向上風飄移的速度為0.57 m/s，風載明顯改變了煙氣的飄移速度，進而改變了位于著火點上風向和下風向探測器的報警響應速率。

由上述數據可知，各國都需注重從閱讀興趣角度改善學習者的閱讀狀況，工作中還需特別關注和研究男生和社會經濟狀況較差學生的特點和求知需求，為其制訂專有的閱讀教學方案，以便更有針對性地促進其閱讀和綜合素養的全面進步。

4)本文通過在現場實驗研究實際隧道中FBG探測器的響應特性，研究結果可為掌握更加合理的探測器布置方法、定位精度及報警設置提供科學依據。

5)本文只是定性地研究了風載、閾值設定等對實際報警響應產生的影響，在今后的研究過程中可通過開展大量的現場實驗定量地分析該問題。

[1] 張嵩,王劍.光纖光柵傳感技術在隧道火災監控中的應用[J]．激光與紅外,2010,40(2):178-180.(ZHANG Song,WANG Jian.Application in the tunnel fire monitoring of fiber Bragg grating sensor technology[J].Laser & Infrared,2010,40(2):178-180.(in Chinese))

[2] 甘維兵,張翠.基于波分復用和全同光柵技術的隧道火災監測系統[J]．傳感器世界,2008,14(10):26-29.(GAN Weibing,ZHANG Cui.The tunnel fire alarm monitoring system based on wavelength division multiplex and the identical fiber Bragg grating[J].Sensor World,2008,14(10):26-29.(in Chinese))

[3] 張楊,陳啟軍．常用隧道火災探測器原理、應用及研究動態[J]．地下空間與工程學報,2006,2(2):311-314．(ZHANG Yang,CHEN Qijun．Principles application and future development of conventional tunnel fire detectors[J].Chinese Journal of Underground Space and Engineering,2006,2(2):311-314.(in Chinese))

[4] 姜德生,何偉．光纖光柵傳感器的應用概況[J]．光電子·激光,2002,13(4):420-430.(JIANG Desheng,HE Wei.Review of applications for fiber Bragg grating sensors[J].Journal of Optoelectronics Laser,2002,13(4):420-430.(in Chinese))

[5] Lin Yungbin,Chang Kuochun,Chern Jennchuan,et al.Packaging methods of fiber-Bragg grating sensors in civil structure applications[J].IEEE Sensors Journal,2005,5(3):419-424.

[6] 丁宏軍,范典,姚浩偉．基于線型感溫火災探測器的電纜隧道火災實驗[J]．光學精密工程,2013,21(9):2225-2230.(DING Hongjun,FAN Dian,YAO Haowei.Cable tunnel fire experiments based on linear temperature sensing fire detectors[J].Optics and Precision Engineering,2013,21(9):2225-2230.(in Chinese))

[7] XIONG Li,ZHANG Dongsheng,LI Litong,et al.EFPI-FBG hybrid sensor for simultaneous measurement of high temperature and large strain[J].Chinese Optics Letters,2014(12):29-33.

[8] 線型光纖感溫火災探測器:GB/T 21197—2007[S]．北京：中國標準出版社,2007.(Line type optical fiber heat detectors:GB/T 21197—2007[S]．Beijing：Standards Press of China,2007．(in Chinese))

[9] 線型感溫火災探測器:GB 16280—2005[S].北京：中國標準出版社,2005.(Line type heat fire detectors:GB 16280—2005[S].Beijing:Standards Press of China,2005.(in Chinese))

[10] LI Jianzhi,SUN Baochen.Theory analysis of novel fiber Bragg grating temperature compensated method based on thermal stress [J].High Power Laser and Particle Beams,2015(2):84-90.

[11] 詹亞歌,蔡海文,向世清.高分辨率光纖光柵溫度傳感器的研究[J].中國激光,2005,32(1):83-86.(ZHAN Yage,CAI Haiwen,XIANG Shiqing.Study of high resolution fiber Bragg grating temperature sensor[J].Chinese Journal of Lasers,2005,32(1):83-86.(in Chinese))

[12] 王宏亮,宋娟,馮德全，等.應用于特殊環境的光纖光柵溫度壓力傳感器[J].光學精密工程,2011,19(3):545-551.(WANG Hongliang,SONG Juan,FENG Dequan，et al.High temperature-pressure FBG sensor applied to special environments[J].Optics and Precision Engineering,2011,19(3):545-551.(in Chinese))

Study of Response and Alarm Characteristics of Fiber Bragg Grating Fire Detector in Tunnel with Wind Load

JIANG Xuepeng1,2,CHEN Shu1,ZHOU Jian3，*

(1.SchoolofResourceandEnvironmentalEngineering,WuhanUniversityofScienceandTechnology,Wuhan430081,Hubei,China; 2.CollegeofArchitectureandCivilEngineering,BeijingUniversityofTechnology,Beijing100022,China; 3.ChinaMerchantsChongqingCommunicationsResearch&DesignInstituteCo.,Ltd.,Chongqing400067,China)

The fire testing actions with 2 kinds of fiber Bragg grating detectors are carried out in a full-scale tunnel testing platform; and then the influence of fire alarm thresholds under wind load on alarm response time and that of wind load on response velocity of fire detector are analyzed.The testing results show that:1) The alarm time of fire detector is reduced by 24 s under low wind velocity of 0.4 m/s; and the alarm time of fire detector is reduced by 4 s under high wind velocity of 5 m/s when the fire alarm threshold reduces from 10 ℃/min to 3 ℃/min.It is proved that the fiber Bragg grating detector under low wind velocity is more sensitive.2) The influence of wind velocity on smoke diffusion is significant.The response velocity of the detector at downwind direction is much larger than that at upwind direction,according to which,the diffusing velocity and reaching place of smoke and wind load velocity when fire can be calculated.

fiber Bragg grating; tunnel fire; tunnel wind load; temperature response characteristics

2016-06-05;

2016-07-04

國家山區公路工程技術研究中心開放基金(gsgzj-2012-03)；湖北省自然科學基金計劃面上項目 (2015CFB200)；湖北省教育廳科學研究計劃重點項目(D20151207)；中國博士后科學基金資助項目(2013M540830)；北京市博士后科研活動經費資助項目(2013ZZ-02)

姜學鵬(1976—)，男，山東平度人，2008年畢業于中南大學，消防工程專業，博士，副教授，現從事地下空間通風排煙技術研究工作。E-mail：jxp5276@126.com。*通訊作者：周健，E-mail:zhoujian1@cmhk.com。

10.3973/j.issn.1672-741X.2016.10.006

U 45

A

1672-741X(2016)10-1202-05