光纖布拉格光柵傳感技術(shù)在隧道火災(zāi)監(jiān)測中的應(yīng)用研究*

付 華，謝 森，徐耀松，陳子春

(1．遼寧工程技術(shù)大學(xué)電氣與控制工程學(xué)院，遼寧葫蘆島125105;2．開灤集團(tuán)公司，河北唐山063018)

隧道中包含了多種危險源，正常運行往往受到交通事故、火災(zāi)、爆炸事故、化學(xué)品泄漏事故等的威脅，其中隧道火災(zāi)是制約公路隧道安全通行的高度危險源之一[1]。一旦發(fā)生火災(zāi)，會造成巨大的人員傷亡和經(jīng)濟(jì)損失。因此及時準(zhǔn)確探測隧道內(nèi)火災(zāi)事故的發(fā)生并進(jìn)行預(yù)警，迅速采取滅火措施、防止火勢蔓延是隧道安全運行的重要組成部分。早期運用感溫火災(zāi)探測技術(shù)的感溫電纜，大部分采用電類傳感原理，存在易受電磁干擾、信號不能遠(yuǎn)傳、系統(tǒng)可靠度低等問題，基本被隧道火災(zāi)自動報警系統(tǒng)所淘汰。

隨著光纖光柵傳感技術(shù)的不斷成熟，它的研制應(yīng)用已經(jīng)受到普遍關(guān)注。其中，光纖光柵的封裝[2－4]、安裝技術(shù)及傳感光信號的解調(diào)技術(shù)[5－7]已經(jīng)占據(jù)研究的主導(dǎo)地位。光纖光柵用于傳感領(lǐng)域具有耐久性好、抗電磁干擾、與強(qiáng)度信息無關(guān)、可遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c[8]。目前，使用頻率最高的是光纖Bragg(布拉格)光柵傳感器。它的傳感信號為波長調(diào)制，測量信號克服了光強(qiáng)起伏、光纖彎曲損耗、測量儀器老化的干擾，防止了一般干涉型傳感器中相位測量不清晰和對固定參考點的需要，且能方便使用波分復(fù)用技術(shù)在一根光纖中串接多個布拉格光柵實現(xiàn)分布式測量[9]。可見光纖傳感技術(shù)在隧道火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用價值。

本文提出一種基于環(huán)氧樹脂封裝而成的光纖布拉格光柵傳感器對隧道火災(zāi)報警系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測，分析了光纖布拉格光柵傳感器的基本原理及溫度傳感特性，通過利用光纖光柵多區(qū)波分復(fù)用技術(shù)，進(jìn)行現(xiàn)場模擬監(jiān)測實驗，實現(xiàn)了對隧道火災(zāi)精確、迅速地監(jiān)測報警。

1 光纖布拉格光柵溫度傳感特性

1．1 光纖布拉格光柵(FBG)溫度傳感原理

光纖布拉格光柵(FBG)芯中折射率呈固定的周期性調(diào)制分布。用寬帶光源入射光纖布拉格光柵的一端來使有效折射率發(fā)生周期變化，而光折射率改變后的每一小段光纖只會反射布拉格波長的光波，其它波長的光波只有很微弱的部分被反射回來。當(dāng)光柵外界溫度發(fā)生改變時，檢測Bragg波長的漂移量，便可獲得待測溫度的變化情況[10]。

光纖光柵的Bragg波長為

式中λb是布拉格波長，即反射波長;n是光纖纖芯的有效折射率，而Λ是光柵之間的間隔長度，稱為光柵周期。

不考慮波導(dǎo)效應(yīng)，將波長對溫度T取導(dǎo)數(shù)，得出的結(jié)果再除以波長得:

式(2)可表示為

可見，令裸光纖光柵溫度靈敏度系數(shù)為K=ζ+α，則式(3)可化為

式(5)即表示布拉格波長變化與溫度變化的關(guān)系。石英光纖的，K≈7．5×10－6℃，ζ≈7．0×10－6℃，估算出常溫下光纖布拉格光柵的K≈7．5×10－6℃。通常溫度靈敏度由于材料的不同而差別很大，當(dāng)溫度變化不大時，一般認(rèn)為K是一個常數(shù)，由此布拉格波長的變化和溫度變化間具有很好的線性關(guān)系。

1．2 基于改進(jìn)封裝技術(shù)的光纖Bragg光柵

SiO2光纖布拉格光柵由于其傳感靈敏度高，可用在許多傳統(tǒng)傳感器使用的場合。但是制作在普通單模通信光纖上的FBG由于SiO2材料的特性，受外界環(huán)境影響大。要使FBG作為傳感器應(yīng)用在工程場合，就需要對傳感器的封裝進(jìn)行研究。

光纖光柵的毛細(xì)鋼管封裝結(jié)構(gòu)如圖1所示，即將光纖光柵用環(huán)氧樹脂封裝在毛細(xì)鋼管內(nèi)[11]。

圖1 光纖光柵毛細(xì)鋼管封裝結(jié)構(gòu)示意圖

其制作方法步驟如圖2所示:將鋼管套在附近的傳輸光纖上，把環(huán)氧樹脂直線涂在實驗平板上，光纖光柵平直放入環(huán)氧樹脂中間，用鑷子夾住毛細(xì)鋼管將其推向光纖光柵。

光纖布拉格光柵用環(huán)氧樹脂封裝在毛細(xì)鋼管內(nèi)，可以在不改變FBG應(yīng)變靈敏度系數(shù)的同時，提高其溫度靈敏度系數(shù)。

圖2 FBG毛細(xì)鋼管封裝方法流程圖

在毛細(xì)鋼管封裝過程中要力圖保證光纖光柵平直并位于毛細(xì)鋼管的軸線上，使光柵處于管的正中部位。注入環(huán)氧樹脂時，要適當(dāng)加熱，保證管內(nèi)充滿密實，并減小形成氣泡的可能性。

1．3 基于改進(jìn)封裝光纖光柵的溫度傳感特性實驗

為了檢驗毛細(xì)鋼管封裝光纖光柵后其波長溫度特性的溫度靈敏度、線性度[12]以及重復(fù)性，進(jìn)行了溫度傳感特性實驗。采用的毛細(xì)鋼管外徑為1．2 mm，內(nèi)徑0．9 mm，長度為80 mm，鋼質(zhì)為不銹鋼。將毛細(xì)鋼管封裝光纖光柵放入恒溫箱中，試驗溫度范圍設(shè)置為20～100℃，每隔10℃測試一次。記錄兩根封裝后的FBG和一根裸柵在溫度恒定情況下的波長變化率和溫度值，它們的關(guān)系曲線如圖3所示。

其中FBG1、FBG2為封裝后的光纖布拉格光柵，F(xiàn)BG3為裸光柵。

圖3 裸柵FBG和封裝后FBG溫度傳感特性曲線

改變溫控箱溫度的同時，可以重復(fù)測量封裝后光柵的中心波長隨溫度變化的數(shù)值，如表1所示。

表1 封裝后光柵中心波長隨溫度變化數(shù)據(jù)

從溫度實驗得到的波長增量與溫度變化關(guān)系曲線以及重復(fù)測量封裝后光柵的中心波長隨溫度變化的數(shù)值可以看出，毛細(xì)鋼管封裝光纖光柵溫度傳感的線性度、重復(fù)性很好，兩個毛細(xì)鋼管封裝光纖光柵FBG1、FBG2的溫度靈敏度系數(shù)的平均值為:KT封=(16．05+17．03)×10－6/=16．54×10－6/℃，裸光柵FBG3的溫度靈敏度系數(shù)的平均值為:KT裸=6．44×10－6/℃。可見，毛細(xì)鋼管封裝后的光纖光柵的溫度傳感靈敏度約是裸光柵的2．57倍，可以有效保護(hù)光纖光柵，起到了溫度增敏的作用，為隧道火災(zāi)報警提供及時、準(zhǔn)確的信息。

2 隧道光纖光柵火災(zāi)報警系統(tǒng)

環(huán)氧樹脂封裝后的光纖布拉格光柵用于隧道光纖布拉格光柵火災(zāi)報警監(jiān)測系統(tǒng)，主要是針對所監(jiān)測目標(biāo)溫度的異常升高進(jìn)行實時測量，顯示溫度變化并進(jìn)行報警。該報警監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由隧道的光纖光柵火災(zāi)探測器和控制室的信號處理器等相關(guān)設(shè)備組成。光纖光柵感溫探頭分別布設(shè)在各個探測點上，傳輸光纖傳輸探測信號給信號處理器，信號處理器通過解調(diào)[13]光纖光柵的反射波長計算出溫度測量結(jié)果，若檢測到的溫度高于設(shè)定值，信號處理器會發(fā)出報警信號給火災(zāi)報警控制器，控制器采取進(jìn)一步措施達(dá)到最終滅火效果。

圖4 隧道火災(zāi)報警監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

隧道火災(zāi)常常出現(xiàn)煙氣濃度大、溫度高、起火原因復(fù)雜多變、可發(fā)生著火點的移動等特殊情況，火災(zāi)報警監(jiān)測系統(tǒng)應(yīng)該對隧道環(huán)境進(jìn)行全方位24 h監(jiān)測，對火災(zāi)位置采取有效定位，使隧道在無人干預(yù)的環(huán)境下完成自動監(jiān)測。本文采用多區(qū)波分復(fù)用技術(shù)[14]，該技術(shù)根據(jù)現(xiàn)有隧道火災(zāi)報警技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)對防火分區(qū)的規(guī)定開展設(shè)計，在同一個防火分區(qū)采用布拉格中心反射波長相同的光纖光柵傳感器，在不同的防火分區(qū)采用布拉格中心反射波長不同的光纖光柵傳感器。每個監(jiān)測區(qū)域按一定的間隔分布全同光柵探頭，這樣，任一探測器附近的溫度發(fā)生變化，都會被信號處理器獲得，并通過波長的不同確定溫度變化發(fā)生的分區(qū)位置，若溫度變化超過了設(shè)定值，系統(tǒng)就會報警。這種多區(qū)波分復(fù)用的方法，大大增加了系統(tǒng)的測量距離和測量點數(shù)，使之能夠應(yīng)用到更長距離的監(jiān)控場所，準(zhǔn)確地完成火災(zāi)報警監(jiān)測。

3 隧道火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)實驗研究

為及時、準(zhǔn)確地對隧道火災(zāi)溫度進(jìn)行監(jiān)測[15]，本文將隧道中的監(jiān)測區(qū)域分為4個防火分區(qū)，每個分區(qū)長度為100 m，均勻分布10個光纖光柵傳感器，每個之間間隔10m。4個防火分區(qū)共用一根光纖光柵感溫火災(zāi)探測器，在400 m范圍內(nèi)形成40個監(jiān)測點，采用四個波長，并通過一根400 m長的傳輸光纜對隧道傳感系統(tǒng)進(jìn)行監(jiān)測。布拉格中心反射波長識別系統(tǒng)采用美國Micron optics公司產(chǎn)生的光纖光柵解調(diào)儀FBG－IS，儀器的掃描頻率為50 Hz，工作波長范圍為1 530 nm～1 570 nm，其波長精度為1 pm。解調(diào)器計算各點波長變化值并確定隧道內(nèi)各位置的溫度，根據(jù)設(shè)定溫度報警值發(fā)出報警信號，通過網(wǎng)絡(luò)、RS232或RS485對數(shù)據(jù)終端進(jìn)行通信，數(shù)據(jù)終端用軟件實現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，通過各點的波長變化值計算溫度并將其記錄入數(shù)據(jù)庫[16]。一旦溫度變化超過了設(shè)定值，系統(tǒng)會自動報警，采取淋水、開動風(fēng)機(jī)等措施進(jìn)行降溫，起到一定的防范作用。圖5給出了起火后100 m區(qū)域探測器各探測點在40 s內(nèi)監(jiān)測的溫度場空間分布，每隔10 s記錄一次曲線。圖6顯示了滅火后100 m區(qū)域探測器在40 s內(nèi)監(jiān)測的溫度場空間分布。實驗中整個光纖光柵探測器由25個光柵串接而成，相鄰兩個布拉格光柵中間用4 m的光纖連接。

圖5 隧道在點火后40 s內(nèi)溫度場隨距離的分布曲線

圖6 隧道在滅火后40 s內(nèi)溫度場隨距離的分布曲線

由實驗曲線圖5可以看出，點火40 s后短時間內(nèi)溫度上升速度比較平穩(wěn)，即使溫度超過報警值，現(xiàn)場也可以通過自動控制裝置進(jìn)行降溫。其后，每隔10 s溫度上升速度加快，在40 s時出現(xiàn)了最高溫度109．7℃，發(fā)出報警信號，此時采取滅火措施。根據(jù)曲線圖6，滅火后40 s內(nèi)，最高溫度明顯下降，由于最高溫探測點周圍有煙氣彌漫，導(dǎo)致周圍的各探測點監(jiān)測溫度逐步升高。

圖7是隧道中布設(shè)的4個防火分區(qū)中分別各取1個光纖光柵傳感器在100 min內(nèi)測量的溫度變化趨勢如圖7所示。可以看出，在相同的時間內(nèi)，各個防火分區(qū)中的溫度變化不一樣。溫度傳感器1和溫度傳感器2所在的位置溫度都比較正常，即使溫度傳感器1的溫度超過了它的報警值，通過現(xiàn)場自動報警裝置，能對其進(jìn)行自動降溫。溫度傳感器3和溫度傳感器4所在的位置溫度已經(jīng)發(fā)生了很大的變化，有的已經(jīng)達(dá)到不可思議的值，這種情況報警系統(tǒng)會自動觸發(fā)，提醒大家采取相應(yīng)措施。

圖7 4個不同防火分區(qū)光纖Bragg光柵溫度傳感器在100 min內(nèi)的溫度變化值

4 結(jié)論

本文針對裸光纖布拉格光柵(FBG)脆弱易折斷的特點，提出將光纖光柵用環(huán)氧樹脂封裝在毛細(xì)鋼管內(nèi)的解決方法。根據(jù)光纖布拉格光柵溫度傳感特性實驗，適當(dāng)改變溫度，使管式封裝的光纖光柵與毛細(xì)鋼管之間形成拉力，提高了封裝布拉格光柵的溫度靈敏度系數(shù)。為了縮短隧道火災(zāi)報警時間，設(shè)計了隧道火災(zāi)報警系統(tǒng)，將封裝后的光纖布拉格光柵探測器用于隧道火災(zāi)監(jiān)測中，采用多區(qū)波分復(fù)用的方法，解決了系統(tǒng)復(fù)用容量有限的問題。該系統(tǒng)能及時消除安全隱患，保證隧道安全通行。最后對隧道火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)進(jìn)行了實驗研究，分別分析了點火和滅火后隧道內(nèi)溫度場隨空間分布情況，驗證了整套火災(zāi)監(jiān)測系統(tǒng)能夠及時、準(zhǔn)確地預(yù)警，并且顯示隧道內(nèi)部溫度，可根據(jù)具體情況提出相應(yīng)的滅火方案，這是所用火災(zāi)探測器相對于其它火災(zāi)探測器的優(yōu)越之處。

[1]康曉龍，王偉，趙耀華，等．公路隧道火災(zāi)事故調(diào)研與對策分析[J]．中國安全科學(xué)學(xué)報，2007，17(5):110－116．

[2]胡玉瑞，唐源宏，李川．光纖Bragg光柵流量傳感器[J]．傳感技術(shù)學(xué)報，2010，23(4):471－474．

[3]周國鵬．光纖布喇格光柵(FBG)傳感封裝技術(shù)的研究[J]．壓電與聲光，2010，32(4):532－538．

[4]范典．光纖光柵金屬化封裝及傳感特性試驗研究[J]．傳感技術(shù)學(xué)報，2006，19(4):1234－1237．

[5]李志全，李亞萍，朱丹丹，等．基于濾波法的光纖光柵傳感解調(diào)方案[J]．應(yīng)用光學(xué)，2006，27(4):327－331．

[6]YU Youlong，ZHAO Hongxia．A Novel Demodulation Scheme for FiberBragg Grating SensorSystem [J]．IEEE Photonics Technology Letters，2005，17(1):166－168．

[7]余有龍，趙紅霞，劉盛春，等．光纖光柵傳感系統(tǒng)有源時域解調(diào)技術(shù)[J]．中國激光，2004，31(8):984－987．

[8]周智，武湛君，田石柱，等．光纖布喇格光柵溫度傳感特性的研究[J]．壓電與聲光，2002，24(6):430－433．

[9]ZHOU Zude，JIANG Desheng，LIU Qian．Digital Monitoring and Health Diagnosis for Mechanical Equipment Operation Safety Based on Fiber Bragg Grating Sensor[J]．Frontiers of Mechanical Engineering in China，2009，1:5－8．

[10]常新龍，何相勇，周家丹，等．FBG傳感器在復(fù)合材料固化監(jiān)測中的應(yīng)用[J]．傳感技術(shù)學(xué)報，2010，23(5):748－752．

[11]王鵬，趙洪，劉杰，等．光纖光柵無應(yīng)力毛細(xì)鋼管封裝及溫度特性實驗[J]．光電子·激光，2012，23(3):434－437．

[12]丁鋒，王粉艷，王云建，等．一種光纖光柵振動與溫度同時區(qū)分測量的解調(diào)方法[J]．傳感技術(shù)學(xué)報，2012，25(4):510－514．

[13]黃景堂，黃旭光，趙華偉．陣列波導(dǎo)光柵解調(diào)的準(zhǔn)分布式光纖光柵傳感器[J]．光學(xué)學(xué)報，2008，28(11):2067－2070．

[14]王玉寶，蘭海軍．基于光纖布拉格光柵波/時分復(fù)用傳感網(wǎng)絡(luò)研究[J]．光學(xué)學(xué)報，2010，30(8):2196－2201．

[15]陳冬梅．光纖光柵分布式傳感系統(tǒng)及其在煤礦安全監(jiān)測中的應(yīng)用[D]．濟(jì)南:山東大學(xué)，2006．

[16]孫麗，任亮，李宏男．光纖光柵溫度傳感器在地源熱泵中的應(yīng)用[J]．大連理工大學(xué)學(xué)報，2006，46(6):891－895．