人防工程環境溫度光纖光柵監測系統設計

廖連山 趙 楊

(1.廣東和諧人防工程設計有限公司，廣東惠州 516000;2.廣東中安合創人防科技有限公司，廣東惠州 516000)

人防工程是指為保障戰時人員與物資掩蔽、人民防空指揮、醫療救護而單獨修建的地下防護建筑，以及結合地面建筑修建的戰時可用于防空的地下室。人防工程多位于繁華地帶，有顯著的戰備效益、社會效益和經濟效益。人防工程屬于地下隱蔽結構，在服役過程中，特別是戰時期間，其安全狀態尤為重要［1，2］。環境溫度監測是人防工程重要的監測參量，當前的人防工程環境溫度監測多采用電學類工業化溫度傳感器，雖然該類型傳感器單體價格便宜，但是其耐久性差，易受電磁場干擾和不耐潮濕，且其電信號傳輸距離有限，而對于整個溫控系統集成而言，系統集成線路多，相對比較復雜。光纖光柵布拉格傳感技術(Optic Fiber Bragg Grating，FBG)是近30年來發展最為迅速的高精度光纖傳感手段。光纖光柵傳感器具有抗電磁場干擾、耐久性好、溫度和應變靈敏度高等優點，同時光纖光柵傳感器還具有波分復用功能，在一根光纖上串聯多個光纖光柵，實現了準分布式高精度測試，極大簡化了光纖傳感網絡的復雜性。目前光纖光柵傳感器已經在航空航天、航海、土木工程、復合材料以及消防等領域得到了廣泛而成功的應用［3-6］。本文結合光纖光柵傳感技術，提出了基于光纖光柵傳感技術的人防工程環境溫度監測系統的設計方案，利用波分復用技術實現了多點測溫復用同一根傳輸光纖，給出了詳細的光纖光柵溫控網絡設計方法，應用這套系統能夠實現無人值守，提供溫度監測精度和擴展信號傳輸距離。

圖1 人防工程環境溫度光纖光柵監測系統

1 光纖光柵傳感技術原理

光纖光柵在波導介質中的折射率是沿軸向周期性分布，用寬帶光源從光纖光柵的一端入射，滿足布拉格條件波長的光功率在反射譜中形成波峰，在透射譜中形成中心波長波谷，理論與實驗研究結果表明，光纖光柵纖芯有效折射率和纖芯折射率調制周期受外界應力和溫度調制，同時對溫度和應變敏感:Δλ=KTΔT+CεΔε。從上式可以看出，光纖光柵中心波長同時對溫度和應變敏感，并成良好的線性關系，其中KT，Cε分別為溫度靈敏度系數(10 pm/℃)和應變靈敏度系數(1.2 pm/με)。

圖2 某人防工程溫控系統集成示意圖

圖3 24個月室內環境溫度監測情況

2 人防工程環境溫度光纖光柵監測系統

圖1為人防工程環境溫度光纖光柵監測系統示意圖。人防工程分為(n+2)層，每一層溫控傳感器用傳輸光纜相連接，統一由光纖光柵解調設備進行各個光纖光柵中心波長的采集，然后通過光纜傳輸到溫控遠程監測系統。圖中的第i層為人防工程中的某一層，各個光纖光柵溫度傳感器通過波分復用功能復用在一根傳輸光纖上。圖2為某人防工程光纖光柵傳感系統布設示意圖，其中第一層布設了10個光纖光柵溫度傳感器，第二層布設了15個光纖光柵溫度傳感器、最下面一層布設了12個光纖光柵溫度傳感器，光纖光柵溫度傳感器的中心波長在1 520 nm～1 560 nm之間。圖3為該人防工程第一層某個位置的溫度和光纖光柵中心波長監測情況，監測時間為2年，每個月采集一次數據。因地下人防工程屬于相對比較封閉結構，室內溫度主要靠中央空調系統控制和通風井，室溫相對比較穩定。從監測結果可以看出，一層該測點位置的溫度基本在25℃，只有每年的4月，11月溫度相對比較低，主要是因為季節轉變，沒有開空調期間，室內溫度主要受外界影響。

3 結語

基于光纖光柵傳感測溫技術和波分復用技術，設計了人防工程光纖光柵溫控系統，并應用到某人防工程項目。光纖光柵溫度傳感器對人防工程的環境溫度進行了長期監測，監測結果表明:光纖光柵溫度傳感器測試結果與人防工程環境溫度吻合。

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