光纤光栅在高速公路隧道火灾报警系统中的应用

卜 俊 涛

(山西省交通信息通信公司，山西 太原 030006)



光纤光栅在高速公路隧道火灾报警系统中的应用

卜 俊 涛

(山西省交通信息通信公司，山西 太原 030006)

介绍了光纤光栅传感器的基本结构及工作原理，分析了光纤光栅在实际应用中的优劣势，并阐述了光纤光栅在高速公路隧道火灾报警系统中的应用技术，促进了光纤光栅火灾报警监控系统的推广应用。

光纤光栅，传感器，隧道，火灾报警系统

光纤光栅传感器顾名思义以光纤作为主要数据传输媒介，它所传输的是载体光波，能够快速精确感知和传输被测量的外界信号，并借助光纤Bragg光栅的波长漂移功能来实时测量外界的湿度、温度、液位、压力、流量等等能够引起波长产生变化的指标因素。从传输光的特性来看，光纤光栅传感器明显更加敏感，它突破了传统电类传感器的局限性，在对波长测量的自校能力、抗电磁干扰能力、抗腐蚀能力、抗燃防爆能力方面都有所加强，更重要的是它灵敏度极高，且测量应用范围广，体积小，非常易于在工程中实施安装和维护。

1 光纤光栅传感器的工作原理

1.1 光纤光栅的基本结构

本文所提到的光纤光栅是光纤Bragg光栅，它历史悠久且应用广泛，见图1。

该种光纤光栅通过改变光纤芯区折射率来产生周期性调制，最终形成，所以它的光纤中应该包含了纤芯和包层，又由于n2(纤芯折射率)>n1(包层折射率)而最终形成波导，让光能够在光纤纤芯中顺利传播，从而形成光纤Bragg光栅。光纤Bragg光栅对入射光源是具有选择性的，如果入射光不符合匹配条件，则仅能反射相当少一部分光进入光栅。考虑到光纤光栅中的Bragg波长是由光栅周期Λ和反向耦合的有效折射率neff所共同决定的，所以当光栅周期与有效折射率发生物理改变而进行波长漂移时，光纤光栅传感这一功能也就形成了。

1.2 光纤光栅在实际应用中的优势与劣势

1)优势。首先，光纤光栅具有极强的抗干扰能力，而且与普通传输光纤相比不会影响到光波的频率特性，且忽略了光纤的非线性效应。比如在光源强度起伏、光纤微弯效应能够引起随机起伏时，光纤光栅传感系统的可靠性与稳定性都更高。其次，它的传感器探头结构十分简单且尺寸较小，能够适用于任何场合，而且它也可以埋设在复合材料与大型建筑物内部，对结构的完整性、安全性、载荷疲劳与损伤程度等等都能进行长时间持续的监测。再者，它的测量结果具有较好的重复性，且工艺十分成熟，可以实现规模量产化。

2)劣势。光纤光栅传感在应用系统中必须采用宽带大功率光源，因为只有这样才能提升系统的信噪比，实现可靠信号检测，这就提升了对它的应用成本。另外，由于它采用了波长漂移的表现形式，所以想要提高检测灵敏度与分辨率就必须采用高性能单色仪与光谱仪，这样也会增加系统造价，降低其使用性价比。上述两个问题都应该成为今后光纤光栅进行成本优化改良的重要关键。

2 高速公路隧道中的光纤光栅火灾报警系统设计及应用

2.1 高速公路隧道中火灾监控系统的结构组成

光纤光栅传感器是高速公路火灾监控系统的主要组成部分，其他设备还包括了解调仪、联动报警装置、传输光缆、计算机网络系统等等，见图2。

当火灾发生时，光纤光栅感温火灾报警监控系统就能感受到这一温度变化的巨大异常，通过监测设备持续观察显示温度变化并在适当情况下报警。光纤光栅传感器的监测设备相当敏感，可以通过波长的变化来时刻感知温度，并实时采集数据，然后将所采集到的数据转化为温度值，通过TCP/IP来实现数据传输。当温度值超过某一门限后，单位时间内的串口就会发声发光显示报警信号，根据火灾的现场状况和级别来分级报警，相当智能化。

2.2 传感器在隧道中的布设

为了能够精确感知公路隧道中任何一处的火灾事故，对隧道中传感器的布设就显得尤其重要，例如布设的位置、距离等等。本文采用复用技术在高速公路隧道中的应用探讨光纤光栅的传感器布设技术。

1)复用技术。所谓复用技术还分为空分复用、时分复用、波长频率复用、相干复用等等。一般来说在高速公路隧道中所采用的都是波分复用(WDM)。波分复用技术还分为多点波分复用与多区域波分复用。多点波分复用虽然布点上优势明显，但是它的复用容量却相当有限，只能在一根光纤上串接不同波长的光纤光栅传感器，然后将波长值与监测点的位置对应衔接。相比较而言，多区域波分复用技术就能弥补多点波分复用的不足，它在复用容量上更充足，可以实现对大段高速公路隧道的分区域性火灾报警。所以两种技术共同组成了波分复用，使得光纤光栅实现了整个高速公路隧道段的火灾报警全同步化，并通过组网技术实现了资源信息共享。

2)传感器的安装。在公路隧道中，基于波分复用技术来合理安装光纤Bragg光栅感温传感器探测头相当重要，其关键要点就是安装位置间隔距离。传感器探测头的分布不能过密也不能太稀疏，过密会导致信号处理量系统成本的增加，而分布稀疏又达不到火灾探测的灵敏度和精确效果。所以一般来说，如果500 m<隧道长度<10 000 m，传感器探测头的安装间距应该在7 m距离以内。而如果隧道长度大于10 000 m时，则探测头的安装间距应该在8 m距离以内。在探测头的顶部要用钢绞线将其固定成直线状，然后用挂钩将每个探测头之间的钢绞线衔接在一起，使得整条隧道内的所有传感器探测头都以光缆直线形态分布，并确保它们不会影响到隧道内车辆的正常通行以及其他设施的正常工作。如果是长隧道或者隧道群，光纤Bragg光栅感温传感器探测头在感知信号过程中就需要运用到光缆进行远程信号的实时传输。另外，如果隧道是双排车道，则要考虑设置双排传感器探测头，即双排铺设。但也并不排除在某些工程设计中，隧道顶部正中央仅采用单排铺设一根光纤光栅的设计。保持它们的行距在5 m左右，而每一排的传感器探测头之间则保持8 m左右的间距。从纵向角度来看，传感器探测头之间的纵向距离则要保持在4 m左右[2]。

3 光纤光栅火灾预警监控系统在实际公路隧道中的应用

3.1 某高速公路设置光纤光栅火灾预警监控系统的要求与原则

以某长度为5 km的高速公路隧道为例，它的原始火灾报警设备已经无法实现远程实时自动报警，而且设备呈现老化状态，对故障感知已不灵敏，需要安装光纤Bragg光栅火灾报警监控系统来满足现有项目的工程开发需求。此次设备安装的基本要求是能够满足24 h的实时隧道内温度监测，在发现温度异常时发出声光报警信号，同时要能对各个监测点的所有温度进行实时记录存储，确保报警数据的准确性，能够实现前后数据的对比参考。另一方面，新设备的安装也要符合可靠性、先进性、高性价比与开放性等原则。

3.2 实施应用

该隧道的超限温度定义为90 ℃，一旦温度超过70 ℃就会自动报警，超过60 ℃时开启二级火灾报警，而超过50 ℃则为一级火灾报警。该监控系统拟建与解调仪、PC网络端以及工控机等等基于数据通信TCP/IP实现连接，进而提升整个系统对于隧道中温度变化的反应灵敏度。

当监控系统开始运行时，如果发生火灾报警，系统就会自动进入PC端主界面，如果是超限报警，所有区域按钮则全部会变为深红色。而火灾报警时，所有区域按钮则又变为深红色。一二级火灾报警时，按钮呈橙色，正常温度时按钮则为绿色。

当报警区域按钮被点击后，就会直接跳入系统区域界面，也可以在文本对话框中输入数字进行区域选择查询。而在控制区的第二区域发生火灾报警时，操作人员也能够同时看到两区域的火灾报警光栅参数。在平时安全状态下，可以进入监控系统对火灾报警历史进行查询，当点击火灾报警历史记录按钮时，系统界面就会显示近期内所有的火灾报警记录，操作人员甚至可以选择时间点来进行分类查询[3]。

4 结语

光纤Bragg光栅火灾报警监控系统是基于传统系统技术之上的全新无电信号检测系统，它通过对光纤光栅传感原理及感温原理的研究进行制作、软件处理、数据检测和传输，实现了以串口为主的火灾事故报警监控技术。它良好的完成了高速公路隧道内的所有火灾预警任务，在工作性、稳定性和精确性都达到了现代公路交通的安全标准，值得被广泛推广应用。

[1] 郑云桥.光纤光栅高速公路火灾监测系统设计与应用研究[D].武汉：武汉理工大学,2009：4-18.

[2] 姜德生,何 伟.光纤光栅传感器的应用概况[J].光电子·激光,2002,13(4):420-430.

[3] 程 伟.基于光纤光栅的公路隧道火灾报警监控系统的研究[D].哈尔滨：黑龙江大学,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

卜俊涛(1984- )，男，助理工程師

U458

A