高速公路隧道火災(zāi)報警系統(tǒng)工作原理研究

張澤民

【摘 要】本文列舉出高速公路隧道常用的幾種火災(zāi)報警系統(tǒng)，分析了不同火災(zāi)報警系統(tǒng)的探測原理與基本工作原理，并闡述了幾類火災(zāi)報警系統(tǒng)的各自特點。

【關(guān)鍵詞】線型感溫電纜火災(zāi)報警系統(tǒng) 感溫光纖火災(zāi)報警系統(tǒng) 光纖光柵火災(zāi)報警系統(tǒng) 雙波長火災(zāi)報警系統(tǒng) 圖像檢測火災(zāi)報警系統(tǒng)

【中圖分類號】U412.36+6【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0282-02

一、線型感溫電纜火災(zāi)報警系統(tǒng)

在高速公路建設(shè)的早期，高速公路隧道內(nèi)使用較多的是線型感溫電纜火災(zāi)報警系統(tǒng)。線型感溫電纜作為該系統(tǒng)的探測器，它的內(nèi)部是兩根纏繞的彈性鋼絲，每根鋼絲外面都包有一層由熱敏絕緣材料制成的包帶。正常狀態(tài)下，由于絕緣包帶的存在，兩根鋼絲處于斷開狀態(tài)，當(dāng)周邊環(huán)境溫度上升時，熱敏絕緣材料的阻值將不斷降低，當(dāng)達到一定值時，兩根鋼絲的絕緣狀態(tài)發(fā)生變化，也就產(chǎn)生了報警信號（圖1）。

總之，線型感溫電纜火災(zāi)報警系統(tǒng)的基本原理就是通過測量鋼絲間的阻值來確定外部環(huán)境的溫度值。由于兩根鋼絲間的阻值隨著溫度的變化而產(chǎn)生變化，因此可以設(shè)置不同的閾值，如60℃、100℃等。當(dāng)測量的阻值達到設(shè)置的閾值所對應(yīng)的阻值時，系統(tǒng)則產(chǎn)生報警信號，并將報警信號上傳至監(jiān)控中心主機，這就是線型感溫電纜火災(zāi)報警系統(tǒng)的定溫報警模式。線型感溫電纜火災(zāi)報警系統(tǒng)的差定溫報警則是指升溫的速率超過系統(tǒng)的預(yù)設(shè)值，如10℃/分鐘，則系統(tǒng)也會產(chǎn)生報警信號。

線型感溫電纜火災(zāi)報警系統(tǒng)早期在高速公路隧道曾得到較為廣泛的應(yīng)用，但由于受設(shè)備材質(zhì)影響，熱敏材料在老化后阻值降低，導(dǎo)致在未達到固定閾值的情況下，鋼絲間也會短路或產(chǎn)生報警信號，因此使用年限較短，且后期穩(wěn)定性下降，誤報率較高。現(xiàn)在線型感溫電纜火災(zāi)報警系統(tǒng)主要使用在商場、超市、廠房、倉庫等場所。

二、感溫光纖火災(zāi)報警系統(tǒng)

感溫光纖火災(zāi)報警系統(tǒng)是利用光的拉曼散射的原理，由于激光在光纖中傳輸能夠產(chǎn)生背向散射，在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，它在光纖中傳輸?shù)耐瑫r不斷產(chǎn)生背向拉曼散射，即反斯托克斯光和斯托克斯光，其中背向反斯托克斯光的強度會受到所在光纖散射點的溫度影響而有所改變。依據(jù)背向反斯托克斯光強度的解調(diào)，產(chǎn)生了拉曼型光纖測溫系統(tǒng)（圖2）。

感溫光纖報警系統(tǒng)是通過將散射回來的拉曼光波經(jīng)波分復(fù)用、光電轉(zhuǎn)換、放大、解調(diào)后，送入信號處理系統(tǒng)進行處理，便可將溫度信號實時顯示出來；并且由光纖中光波的傳輸速度和背向光回波的時間對這些信息進行計算，達到定位的目的。該系統(tǒng)以光纖作為探測元件，每10秒種即可通過數(shù)千個溫度點對長達數(shù)千米的光纜進行測量，并獲得一個精確的溫度分布。當(dāng)溫度達到系統(tǒng)設(shè)定的閾值時，則對系統(tǒng)主機發(fā)送報警信號。感溫光纖火災(zāi)報警系統(tǒng)的原理圖如（圖3）所示：

三、光纖光柵火災(zāi)報警系統(tǒng)

光纖光柵是光纖光柵感溫火災(zāi)報警系統(tǒng)中的核心部件之一，它是利用光纖芯層材料的光敏特性，通過紫外準分子激光器采用掩模曝光的方法，用一段光纖（約8mm）纖芯的折射率發(fā)生永久性改變，折射率的改變呈周期性分布，形成布喇格光柵結(jié)構(gòu)，如（圖4）所示。

光纖芯層的折射率為n2，被紫外光照射過的部分的折射率變?yōu)閚2′，折射率的分布周期d就是光纖光柵的柵距；當(dāng)寬帶光通過光纖光柵時，滿足布喇格條件的波長被光柵反射回來，其余波長的光透射，反射光波長隨光柵間的柵距d的改變而改變。由于光柵間的柵距d對環(huán)境溫度非常敏感，因此，通過檢測反射波長的變化可以計算出環(huán)境溫度的改變量。

光纖光柵火災(zāi)報警系統(tǒng)與感溫光纖火災(zāi)報警系統(tǒng)的不同之處在于：感溫光纖火災(zāi)報警系統(tǒng)以光纖作為感溫元件，是連續(xù)的線型的火災(zāi)探測系統(tǒng)。光纖光柵火災(zāi)報警系統(tǒng)以光柵器件作為感溫元件，是點式的火災(zāi)探測系統(tǒng)。

四、雙波長火災(zāi)報警系統(tǒng)

雙波長火災(zāi)報警系統(tǒng)實則是一種火焰探測系統(tǒng)。由于火災(zāi)時的火焰所輻射的光的分光分布特點是在紅外線領(lǐng)域有很強的放射強度，而自然光或者環(huán)境光（各種人工照明光）的分光分布特點則是在可視光領(lǐng)域有很強的放射強度。雙波長火災(zāi)報警系統(tǒng)的探測器光學(xué)檢測元件將一般照明用環(huán)境光波的輸入相對光譜和車輛火災(zāi)或汽油火災(zāi)時檢測到的光波的輸入相對光譜進行比較，即通過光電轉(zhuǎn)換、電子濾波、比較器比較，作為判斷火災(zāi)發(fā)生的要素。

根據(jù)雙波長火焰探測器的“光學(xué)上的相對靈敏度特性”，探測器可檢測出二個火災(zāi)的特征波長，分別用α和β表示。對應(yīng)于波長的光能量相對輸入值，它分別用Pα和Pβ表示，如圖曲線1所示，對于環(huán)境光來說Pα-Pβ<0。而對汽油火災(zāi)或者車輛火災(zāi)而言，如圖曲線2所示，對火焰的輸入

値Pα-Pβ>0。利用此特性，使用在不同波長領(lǐng)域所具有靈敏度的2種檢出單元，分別射入的光的輸入值的差Pα-Pβ>T（T：火災(zāi)閾值）時，則探測器判斷發(fā)生火災(zāi)，并發(fā)出報警信號（圖5）。

雙波長火災(zāi)報警系統(tǒng)除了以光波長作為最主要探測參量外，一般還有一個火災(zāi)參量可作為參考，即火焰燃燒頻率。火災(zāi)時的火焰所輻射的光有規(guī)律地變動，利用這種“閃爍現(xiàn)象”，通過探測器的電子頻寬濾波器可以探測出火焰特有的頻率（1Hz～15Hz），以此也可作為判斷火災(zāi)發(fā)生的一個要素。

雙波長火災(zāi)報警系統(tǒng)與上述幾種火災(zāi)報警系統(tǒng)的區(qū)別在于：雙波長火災(zāi)報警系統(tǒng)是通過探測火焰來判定火災(zāi)的一種報警系統(tǒng)，它無法實時反映現(xiàn)場環(huán)境的溫度分布，而其他幾種火災(zāi)報警系統(tǒng)則是通過對溫度的探測來判定火災(zāi)的報警系統(tǒng)，除了探測火災(zāi)外，還能探測出非火災(zāi)導(dǎo)致的現(xiàn)場環(huán)境溫度的變化。而在對火焰的判定上，雙波長火災(zāi)報警系統(tǒng)的準確性與靈敏度則更勝一籌。

五、圖像檢測火災(zāi)報警系統(tǒng)

這是一種較為新興的火災(zāi)報警系統(tǒng)，它主要建立在視頻監(jiān)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)上。

圖像檢測火災(zāi)報警系統(tǒng)通過紅外、可見光多頻攝像機等采集火災(zāi)事件早期過熱、火災(zāi)初期的煙霧或火焰圖像，之后通過圖像處理器中的視頻分析軟件，辨識出過熱和火災(zāi)并進行告警，同時還能輸出復(fù)合后的圖像信息，通過網(wǎng)絡(luò)傳輸?shù)竭h端的監(jiān)控中心。

火災(zāi)的發(fā)生一般要經(jīng)歷：過熱且陰燃無煙階段，陰燃且發(fā)出可見煙階段，火焰、可見煙并存階段。與常規(guī)探測器需要煙霧擴散或熱量輻射到探測器本身且達到一定程度才能進行報警不同，圖像檢測火災(zāi)報警系統(tǒng)將會在第一時間捕捉火災(zāi)發(fā)展過程中出現(xiàn)的過熱、可見煙和火焰，并進行分析和報警。

圖像檢測火災(zāi)報警系統(tǒng)的優(yōu)點在于該系統(tǒng)可以直接將火災(zāi)現(xiàn)場的視頻圖像進行反饋，讓監(jiān)控人員和消防隊等相關(guān)單位可以在遠距離外就能掌控火災(zāi)發(fā)生發(fā)展的細節(jié)，為火災(zāi)報警系統(tǒng)可視化、快速反應(yīng)提供了良好的解決方案。該系統(tǒng)的缺陷則是對攝像機本身的要求比較高，且單個攝像機的探測范圍較小，一般探測攝像機的分布間隔不得超過100米，另外攝像機的探測易受到物品遮擋的影響而導(dǎo)致探測準確性下降。

六、結(jié)束語

通過對各類火災(zāi)報警系統(tǒng)工作原理的研究與分析，可以得出如下結(jié)論：不論是哪種火災(zāi)報警系統(tǒng)，火災(zāi)探測的基本原理就是用一種敏感元件對火災(zāi)氣體、煙霧、溫度和火焰等火災(zāi)信息作出有效反應(yīng)，并通過對火災(zāi)信息參量的測量、分析、比較，來判斷被測區(qū)域是否有火災(zāi)存在。

參考文獻

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