光纤光栅在高速公路隧道火灾报警系统中的应用研究

常国伟

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

0 引言

光纤光栅感温火灾检测报警系统是一种新型的温度探测报警系统。它采用当今世界上最先进的光纤光栅传感技术，具有安全防爆、抗电磁干扰、防雷击、监测精度高的特点，适应于各种恶劣环境下的温度传感，广泛应用于高速公路长隧道等场所的火灾报警。双波长火焰探测器主要是利用火灾中辐射光的特定波长及火焰闪烁频率判定火灾，不受隧道内风速影响，响应速度快且不受隧道距离长短的影响，主要适用于高速公路特长隧道等场所。

以某高速公路为例，路段内隧道多，尤其是长隧道多、距离长，而隧道火灾由于其建筑结构复杂，环境相对密闭，火灾时温度较高，扩展速度快，火灾报警和防护成为隧道安全的重中之重。同时考虑到点型感温、感烟火灾探测器、线型感温电缆、火焰探测器、光纤拉曼感温火灾探测器等火灾报警系统的局限性，或由于不适合长距离传输，或由于隧道环境的影响，易产生误报，或由于产品成本太高、维护困难等原因，该路段内长隧道火灾报警系统设计中，采用了光纤光栅感温火灾检测报警系统。

1 光纤光栅传感技术

1.1 光纤光栅传感技术原理

光纤由里向外分为纤芯、包层、涂覆层3部分，利用特殊的紫外光照射工艺加工方法，对特定部位的光纤纤芯进行紫外照射，使得该区域光纤纤芯的折射率沿纤轴方向发生周期性的永久变化，从而制成特定中心波长的光纤光栅，这种光栅如一道道栅门，一个波长的光通过这排栅门，就会分解成很多波长较短的光，不能通过栅门的光就被反射回来，由火灾探测主机所接受。当光栅温度发生变化时光栅的条文周期会发生变化，所反射的布拉格波长也会发生相应的变化，经处理器解调后就可测得相应的温度。光纤光栅作用相当于一个有选择的光谱反射镜，其最主要的功能是能将入射光中满足布拉格条件的某一特定波长的光部分或全部反射。

1.2 光纤光栅传感技术特点

光纤光栅传感技术不仅具有普通光纤传感技术的防爆、防腐蚀、抗干扰的优点，而且还具有以下特点：

a)从系统安装来看 探测光缆悬挂于隧道顶部，与下方传输光缆连接，安装工作比较简单，主机放在洞外设备间，不易被污染和干扰。在隧道中，光纤光栅感温火灾探测器体积小、重量轻、易于安装，一般安装在隧道顶端中部的支架钢绞线上，距顶部120 mm。

b)从报警位置来看 光纤光栅感温火灾报警系统的探测光缆从头到尾连续布设在隧道顶部，可检测到隧道内所有位置的温度变化情况，没有报警死角。

c)从对隧道温度变化监测来看 光纤光栅系统属感温型设备，可对火灾前期的高温烟雾及隧道内温度的异常变化做出预警，提示监控人员对温度变化位置进行巡查。是一种高精度、高灵敏度的传感器，可以快速精确地探测传感器周围温度和温度场的变化情况。

d)从使用维护费用来看 系统成本远低于双波长类。探测光缆的寿命在30年以上，且主机检测的信号是光栅反射光，不需要很强的光，因此使用的是低功率LED光源，寿命在20年以上。后期维护费用很低。

e)从报警速度来看 光纤光栅感温系统直接接收火灾报警点反射回来的报警波长，各个通道每个报警点都是同时工作，不论远端近端，反射回来的波长经过火灾报警主机的接收马上可以显示数据。在实际应用中报警时间较快，可迅速捕捉火灾初期信息，并在小于20 s的时间内及时报警。

f)从定位精度来看 光纤光栅感温火灾报警系统在隧道内的探测器，每隔几米就会内置一个光栅感温探头，外部用金属管包饰，因此在每个点的位置，主机只要解析到每个点的反射波长编码，可以迅速准确判断火灾发生的具体位置和距离，那么探测点的位置可以说是不差分毫，定位准确，同时为精确启动消防联动设备提供准确信息。

g)从误报情况来看 光纤光栅感温火灾报警系统探测点波长直接对应主机编码，形成物理上的一一对应关系，主机接收信号只需要解析，不需要复杂的运算，工作机理简单，不易出现误报。

2 光纤光栅在高速公路隧道火灾报警系统中的方案实施

2.1 系统方案设计

光纤光栅感温火灾检测报警系统由检测探头、自检探头、信号处理器、光纤接续盒、传输光缆、钢绞线及挂钩、其他连接及安装附件等构成。光纤光栅探测单元获取物理变化量，以光波长为载体，通过光纤传输系统传至信号处理部件，由信号处理部件对光信号进行解调分析，获取被测物理量的数据。

以高速公路中的某长隧道火灾报警系统设计为例，光纤光栅火灾检测报警系统构成如图1所示。

图1 隧道光纤光栅火灾检测报警系统构成图

该长隧道为双洞单向双车道高速公路隧道，左线2 876 m，右线2 853 m，共配置14条400 m光纤光栅感温火灾探测器、2条100 m光纤光栅感温火灾探测器、2台八通道信号处理器。系统于2013年11月完成安装，12月完成火灾报警系统的调试，获得监理和业主的一致好评，目前处于正常运行状态。

在隧道左右洞顶部敷设了光纤光栅感温光纤，报警信号通过通信系统传到隧道监控室和监控中心，同时还在隧道内以总线的方式每50 m设置了1个手动报警按钮，并连接到火灾报警控制器上。当隧道内某处发生火灾时，由火灾报警系统检测到火灾发生的位置并将此位置信息由光端机及通信光缆上传至隧道管理站内的交通监控软件系统进行报警，当交通监控软件接收到由火灾报警系统发送的火灾报警信息后，会立即提示监控管理人员人工确认此报警信息，并通过隧道管理站内的监控软件对隧道内的报警主机进行操作。隧道内的火灾报警控制器还与就近的本地控制器相连，将本地控制器与隧道管理站通信的通道做为火灾信息上传的备用通道。火灾报警信息得到人工确认后，系统将自动进入火灾报警监控联运控制状态，已满足隧道火灾报警需要。隧道内人员发现火警后通过手动报警按钮向火灾报警控制器发送报警信号，火灾控制器接收到报警信号后，显示出报警按钮的编号或位置并发出警报。

2.2 安装方式

a)探测器部分 探测器通常安装在隧道顶部中间，据拱顶的距离保持10～15 cm。首先用固定支架将钢索固定，采用膨胀螺栓将支架按在隧道顶部中间处，并将钢索固定；然后将探测器线缆用线夹固定在钢索上，每根探测器线缆安装完毕后，将探测器尾纤沿隧道壁通过预留预埋的保护管穿至隧道侧面底部光纤接续盒，与传输光缆进行熔接。

b)信号处理器 光纤光栅感温火灾探测信号处理器通常安装在隧道变电所内仪表控制柜上。

c)火灾报警控制器部分 火灾报警控制器设置在隧道洞口变电所内，主要接收来自信号处理器的温度、报警及故障信号，并提交报警及故障的位置等信息，将这些信号通过光端机及通信光缆传送至隧道管理站内的火灾报警计算机并接受其控制。

d)手动报警按钮部分 手动报警按钮安装在隧道侧面，每间隔50 m设置1处，距电缆沟高1.2 m，通过阻燃双绞铜线串接起来，并连接至隧道洞口变电所内的火灾报警控制器，采用明装和暗装的方式均可。

3 结论

光纤光栅感温火灾检测报警系统采用一种新型的无电传感技术，具有灵敏度和精度高、性能稳定可靠、耐腐蚀、便于组网等特点，广泛应用于高速公路隧道中，易于实现隧道内火灾报警自动化和网络化。同时由于信号可以长距离传输，因此可以实现对公路长距离隧道等场所的温度进行监测，通过探测单元对其绝对温度值或温度变化量的实时监测，及时进行报警或者预警，减少火灾带来的损失。