光纖光柵在高速公路隧道火災報警系統中的應用

卜 俊 濤

(山西省交通信息通信公司，山西 太原 030006)

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光纖光柵在高速公路隧道火災報警系統中的應用

卜 俊 濤

(山西省交通信息通信公司，山西 太原 030006)

介紹了光纖光柵傳感器的基本結構及工作原理，分析了光纖光柵在實際應用中的優劣勢，并闡述了光纖光柵在高速公路隧道火災報警系統中的應用技術，促進了光纖光柵火災報警監控系統的推廣應用。

光纖光柵，傳感器，隧道，火災報警系統

光纖光柵傳感器顧名思義以光纖作為主要數據傳輸媒介，它所傳輸的是載體光波，能夠快速精確感知和傳輸被測量的外界信號，并借助光纖Bragg光柵的波長漂移功能來實時測量外界的濕度、溫度、液位、壓力、流量等等能夠引起波長產生變化的指標因素。從傳輸光的特性來看，光纖光柵傳感器明顯更加敏感，它突破了傳統電類傳感器的局限性，在對波長測量的自校能力、抗電磁干擾能力、抗腐蝕能力、抗燃防爆能力方面都有所加強，更重要的是它靈敏度極高，且測量應用范圍廣，體積小，非常易于在工程中實施安裝和維護。

1 光纖光柵傳感器的工作原理

1.1 光纖光柵的基本結構

本文所提到的光纖光柵是光纖Bragg光柵，它歷史悠久且應用廣泛，見圖1。

該種光纖光柵通過改變光纖芯區折射率來產生周期性調制，最終形成，所以它的光纖中應該包含了纖芯和包層，又由于n2(纖芯折射率)>n1(包層折射率)而最終形成波導，讓光能夠在光纖纖芯中順利傳播，從而形成光纖Bragg光柵。光纖Bragg光柵對入射光源是具有選擇性的，如果入射光不符合匹配條件，則僅能反射相當少一部分光進入光柵?？紤]到光纖光柵中的Bragg波長是由光柵周期Λ和反向耦合的有效折射率neff所共同決定的，所以當光柵周期與有效折射率發生物理改變而進行波長漂移時，光纖光柵傳感這一功能也就形成了。

1.2 光纖光柵在實際應用中的優勢與劣勢

1)優勢。首先，光纖光柵具有極強的抗干擾能力，而且與普通傳輸光纖相比不會影響到光波的頻率特性，且忽略了光纖的非線性效應。比如在光源強度起伏、光纖微彎效應能夠引起隨機起伏時，光纖光柵傳感系統的可靠性與穩定性都更高。其次，它的傳感器探頭結構十分簡單且尺寸較小，能夠適用于任何場合，而且它也可以埋設在復合材料與大型建筑物內部，對結構的完整性、安全性、載荷疲勞與損傷程度等等都能進行長時間持續的監測。再者，它的測量結果具有較好的重復性，且工藝十分成熟，可以實現規模量產化。

2)劣勢。光纖光柵傳感在應用系統中必須采用寬帶大功率光源，因為只有這樣才能提升系統的信噪比，實現可靠信號檢測，這就提升了對它的應用成本。另外，由于它采用了波長漂移的表現形式，所以想要提高檢測靈敏度與分辨率就必須采用高性能單色儀與光譜儀，這樣也會增加系統造價，降低其使用性價比。上述兩個問題都應該成為今后光纖光柵進行成本優化改良的重要關鍵。

2 高速公路隧道中的光纖光柵火災報警系統設計及應用

2.1 高速公路隧道中火災監控系統的結構組成

光纖光柵傳感器是高速公路火災監控系統的主要組成部分，其他設備還包括了解調儀、聯動報警裝置、傳輸光纜、計算機網絡系統等等，見圖2。

當火災發生時，光纖光柵感溫火災報警監控系統就能感受到這一溫度變化的巨大異常，通過監測設備持續觀察顯示溫度變化并在適當情況下報警。光纖光柵傳感器的監測設備相當敏感，可以通過波長的變化來時刻感知溫度，并實時采集數據，然后將所采集到的數據轉化為溫度值，通過TCP/IP來實現數據傳輸。當溫度值超過某一門限后，單位時間內的串口就會發聲發光顯示報警信號，根據火災的現場狀況和級別來分級報警，相當智能化。

2.2 傳感器在隧道中的布設

為了能夠精確感知公路隧道中任何一處的火災事故，對隧道中傳感器的布設就顯得尤其重要，例如布設的位置、距離等等。本文采用復用技術在高速公路隧道中的應用探討光纖光柵的傳感器布設技術。

1)復用技術。所謂復用技術還分為空分復用、時分復用、波長頻率復用、相干復用等等。一般來說在高速公路隧道中所采用的都是波分復用(WDM)。波分復用技術還分為多點波分復用與多區域波分復用。多點波分復用雖然布點上優勢明顯，但是它的復用容量卻相當有限，只能在一根光纖上串接不同波長的光纖光柵傳感器，然后將波長值與監測點的位置對應銜接。相比較而言，多區域波分復用技術就能彌補多點波分復用的不足，它在復用容量上更充足，可以實現對大段高速公路隧道的分區域性火災報警。所以兩種技術共同組成了波分復用，使得光纖光柵實現了整個高速公路隧道段的火災報警全同步化，并通過組網技術實現了資源信息共享。

2)傳感器的安裝。在公路隧道中，基于波分復用技術來合理安裝光纖Bragg光柵感溫傳感器探測頭相當重要，其關鍵要點就是安裝位置間隔距離。傳感器探測頭的分布不能過密也不能太稀疏，過密會導致信號處理量系統成本的增加，而分布稀疏又達不到火災探測的靈敏度和精確效果。所以一般來說，如果500 m<隧道長度<10 000 m，傳感器探測頭的安裝間距應該在7 m距離以內。而如果隧道長度大于10 000 m時，則探測頭的安裝間距應該在8 m距離以內。在探測頭的頂部要用鋼絞線將其固定成直線狀，然后用掛鉤將每個探測頭之間的鋼絞線銜接在一起，使得整條隧道內的所有傳感器探測頭都以光纜直線形態分布，并確保它們不會影響到隧道內車輛的正常通行以及其他設施的正常工作。如果是長隧道或者隧道群，光纖Bragg光柵感溫傳感器探測頭在感知信號過程中就需要運用到光纜進行遠程信號的實時傳輸。另外，如果隧道是雙排車道，則要考慮設置雙排傳感器探測頭，即雙排鋪設。但也并不排除在某些工程設計中，隧道頂部正中央僅采用單排鋪設一根光纖光柵的設計。保持它們的行距在5 m左右，而每一排的傳感器探測頭之間則保持8 m左右的間距。從縱向角度來看，傳感器探測頭之間的縱向距離則要保持在4 m左右[2]。

3 光纖光柵火災預警監控系統在實際公路隧道中的應用

3.1 某高速公路設置光纖光柵火災預警監控系統的要求與原則

以某長度為5 km的高速公路隧道為例，它的原始火災報警設備已經無法實現遠程實時自動報警，而且設備呈現老化狀態，對故障感知已不靈敏，需要安裝光纖Bragg光柵火災報警監控系統來滿足現有項目的工程開發需求。此次設備安裝的基本要求是能夠滿足24 h的實時隧道內溫度監測，在發現溫度異常時發出聲光報警信號，同時要能對各個監測點的所有溫度進行實時記錄存儲，確保報警數據的準確性，能夠實現前后數據的對比參考。另一方面，新設備的安裝也要符合可靠性、先進性、高性價比與開放性等原則。

3.2 實施應用

該隧道的超限溫度定義為90 ℃，一旦溫度超過70 ℃就會自動報警，超過60 ℃時開啟二級火災報警，而超過50 ℃則為一級火災報警。該監控系統擬建與解調儀、PC網絡端以及工控機等等基于數據通信TCP/IP實現連接，進而提升整個系統對于隧道中溫度變化的反應靈敏度。

當監控系統開始運行時，如果發生火災報警，系統就會自動進入PC端主界面，如果是超限報警，所有區域按鈕則全部會變為深紅色。而火災報警時，所有區域按鈕則又變為深紅色。一二級火災報警時，按鈕呈橙色，正常溫度時按鈕則為綠色。

當報警區域按鈕被點擊后，就會直接跳入系統區域界面，也可以在文本對話框中輸入數字進行區域選擇查詢。而在控制區的第二區域發生火災報警時，操作人員也能夠同時看到兩區域的火災報警光柵參數。在平時安全狀態下，可以進入監控系統對火災報警歷史進行查詢，當點擊火災報警歷史記錄按鈕時，系統界面就會顯示近期內所有的火災報警記錄，操作人員甚至可以選擇時間點來進行分類查詢[3]。

4 結語

光纖Bragg光柵火災報警監控系統是基于傳統系統技術之上的全新無電信號檢測系統，它通過對光纖光柵傳感原理及感溫原理的研究進行制作、軟件處理、數據檢測和傳輸，實現了以串口為主的火災事故報警監控技術。它良好的完成了高速公路隧道內的所有火災預警任務，在工作性、穩定性和精確性都達到了現代公路交通的安全標準，值得被廣泛推廣應用。

[1] 鄭云橋.光纖光柵高速公路火災監測系統設計與應用研究[D].武漢：武漢理工大學,2009：4-18.

[2] 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.

[3] 程 偉.基于光纖光柵的公路隧道火災報警監控系統的研究[D].哈爾濱：黑龍江大學,2012:16-19.

The application of FBG in highway tunnel fire alarm system

Bu Juntao

(ShanxiTransportationInformationCommunicationCorporation,Taiyuan030006,China)

This paper introduced the basic structure and working principle of FBG sensor, analyzed the advantages and disadvantages of FBG in practical application, and elaborated the application technology of FBG in highway tunnel fire alarm system, promoted the application of FBG fire alarm system.

FBG, sensor, tunnel, fire alarm system

1009-6825(2016)11-0200-02

2016-02-01

卜俊濤(1984- )，男，助理工程師

U458

A