分布式光纖在公路隧道火災監控中的應用研究

周永剛

摘要 文章研究了一種基于光纖光柵傳感器的新型火災報警系統，以確定其在公路隧道火災報警中的應用潛力。該系統已經過實驗測試，并成功應用于國內多條公路隧道。結果表明，新型火災報警系統具有定時報警和快速上升報警的能力;根據最高溫度的位置可以快速精準地確定火災地點;同時可以得到隧道內的溫度分布和溫度發展規律。

關鍵詞 公路隧道;分布式光纖;火災監控;現場試驗

中圖分類號 U453.8 文獻標識碼 A 文章編號 2096-8949（2022）05-0058-03

0 引言

公路隧道火災是公路安全中最嚴重的安全問題之一，火災往往造成巨大的損失。傳統的火災報警技術包括煙霧探測器、火焰探測器、氣體探測器和基于電子的熱探測器等，在建筑、工廠等領域都發揮著重要的作用。但公路隧道由于其自身功能與結構的限制，限制了常規火災報警系統在公路隧道中的應用[1-3]。常見的原因如下所示：

（1）隧道內煙氣濃度較高，限制了感煙探測器的應用。

（2）存在灰塵、煙霧、油污等嚴重污染，影響光探測器的可靠性和靈敏度。

（3）火災報警系統的維護是一個非常困難的問題。如果在隧道內維修火災報警系統，公路將面臨中斷問題，由此帶來的經濟損失將不可估量。

（4）溫度范圍寬泛。在以年為尺度的時間單位內，環境溫度會有一定的波動，波動范圍很廣，因此系統應具備定溫報警和升速報警功能，并可根據環境溫度自動設置報警的溫度閾值[4-6]。

因此，公路隧道火災報警系統仍面臨惡劣環境的挑戰。光纖由于具有不受各種干擾發射、耐腐蝕、壽命長等特點，在各種環境中被廣泛應用于信息的傳輸。光纖傳感器（FBG）還具有抗干擾能力強、體積小、靈敏度高、多路復用等優點，將其應用于公路隧道火災報警系統。基于拉曼散射的理論，分布式光纖溫度傳感器被認為21世紀最具有前景的新式傳感器。光纖布拉格光柵（FBG）傳感器技術最早發明于20世紀90年代。FBG用于傳感的主要優勢有：

（1）長距離、大范圍監測。

（2）分布式不漏監。

（3）耐腐蝕、抗電磁干擾，長期穩定好。

（4）多參量測量技術。通過一根光纜，采用不同調制解調技術，可以實現對應變、溫度以及震動等多變量感測。

（5）絕緣、無須現場供電。

（6）系統成本低，易于集成。

（7）測試精度高，定位精準。

該文研究了一種基于光纖光柵傳感器的新型火災報警系統，以確定其在公路隧道火災報警中的應用潛力。對報警系統進行了實驗測試，并論述了其部分應用情況。

1 原理與技術

1.1 光纖光柵溫度傳感原理

FBG傳感器的基本原理已被一些論文和書籍介紹。光纖布拉格光柵是一種波長相關的濾波器/反射器，它通過在光纖的核心引入周期性折射率結構而形成。在光纖中注入光譜寬頻帶光源，光柵根據折射率變化周期反射布拉格波長處的窄帶光譜成分。當FBG周圍溫度升高或降低時，由于熱脹冷縮效應，周期也會升高或降低。所以反射光的波長是相應改變的。大量研究表明，FBG反射光波長的變化，即布拉格波長，與溫度變化具有良好的線性關系。因此，可以通過檢測反射光的波長偏移來精確地獲得光纖光柵上的溫度。

在實際應用中，光纖光柵封裝在傳感器頭部。許多光纖光柵傳感器由一根普通光纖連接。這些傳感器可以設置在光纖上的任何一點。一般來說，測量的溫度在50～150 ℃之間，這僅受光纖的耐久性或傳感器的包裝材料的限制。與傳統的熱探測器相比，FBG傳感器對溫度波動的響應更快，因為它的尺寸很小，通常小于1 cm。由于溫度信息是由光波長獲取的，而光波長在傳輸過程中是不可能改變的，光能量會隨著光纜長度、光纖彎曲程度和光源的波動而變化，因此FBG傳感器具有更高的溫度測量精度。研制一種基于FBG傳感器的火源監測系統，在測量位置精度與溫度精度方面具有無與倫比的優勢與抗干擾能力。

1.2 基于光纖光柵傳感器技術的公路隧道火災報警系統

FBG傳感器作為火災報警系統的一種有吸引力的替代方案，已在一些石化工廠中得到應用，但該技術在公路隧道火災報警系統中應用還存在一些困難。

首先，光源波長帶寬的限制與所需的光纖光柵傳感器數量龐大之間存在沖突。眾所周知，光纖光柵在波長1 550 nm附近的溫度靈敏度為0.01 nm/CC，傳感器中每個光纖光柵的3 dB帶寬通常為0.2 nm。如果溫度增加，波長會發生1 nm的偏移。另一方面，當溫度下降100 ℃時，波長也會向相反的方向偏移1 nm。因此，每個傳感器將使用2 nm的波長資源，這是同一傳感光纜中其他傳感器無法共享的。但光源的波長帶寬一般為60 nm，單個FBG傳感器至少需要2 nm，因此一根光纖電纜最多只能串聯30個FBG傳感器。然而，隧道往往很長，需要很多傳感器才能采集到隧道沿線的所有溫度信息。所需的傳感器數量通常超過100個，在一些較長的隧道中可能達到數百個。如何在高速公路火災報警系統中增加多路復用光纖光柵傳感器的數量是當前最重要的問題。

其次，對反射波長進行解調，將波長轉換為溫度信息。但是用于波長解調的設備通常非常昂貴。如果有一些解調器設備，火災報警系統的成本將非常高。如何降低解調器和火災報警系統的成本是一個亟待解決的問題。

高速公路隧道FBG傳感器火災報警系統結構如圖1所示。它包括光纖光柵傳感器、傳輸光纖、解調器、火災報警系統控制器和監控報警系統的用戶界面。整個系統只有FBG傳感器位于隧道內，另一部分可以集成在隧道外的控制室中，系統也可以由遠程計算機訪問。

在圖1中，根據公路隧道火災報警系統國家設計規范，將隧道按照從50～100 m的長度劃分為幾個測量分區。FBG傳感器反射的一個波長對應一個測量的子區域，在子區域設置10～20個相同的FBG傳感器。所有的子區域都用不同的布拉格波長λ1，λ2…λn來區分，如圖2所示。例如，在布拉格波長為λ2的子區域中，有許多FBG傳感器，可將其復用的數量設置為20個，但其布拉格波長是相同的。一旦任一傳感器在該分區的溫度發生變化，布拉格波長λ2也會相應變化。對于整個火災報警系統的多個子區域，如果有30個測量子區域，則有600個光纖光柵傳感器與30個不同波長復用。當一束廣譜光束發射到一個子區域的每個FBG傳感器上時，光源的部分波長和功率被反射，另一部分被傳輸到下一個子區域。反射光的波長標志著某一分區。所以沿著光纖的任何分區都可以檢測到溫度，反射布拉格波長的位移可以表示溫度的變化。對于某一布拉格波長，位移速率對應溫度的變化率，位移長度對應變化尺度。通過測量移頻和移標，可以實現速度上升報警和定溫報警。

在上面討論的技術中，火災的位置可以指向一個確定的分區，但分區中的位置不能指向。為了找到準確的火點和每個傳感器，發明了編碼FBG傳感器技術。

2 公路隧道火災報警系統的實驗與應用

2.1 現場試驗

為了驗證上述觀點，該文進行了公路隧道火災報警實驗。實驗裝置如圖1所示。由于實驗測量長度為60 m，所以沒有測量分區，使用了13個傳感器。

在該實驗系統中，公路隧道為真實運營隧道，隧道尺寸為：寬9.8 m，高7.14 m，長100 m。13個不同布拉格波長的光纖光柵傳感器每隔5 m通過光纖連接在一起，設置在隧道頂部，但距離隧道頂部0.5 m。因此，光纖光柵傳感器距離地面約6.6 m。初始條件為：32 ℃，空氣自然對流。火災報警系統門限設置：定溫報警45 ℃，升速報警0.2 ℃/s。

試驗步驟如下：

（1）安裝和調試火災報警系統。

（2）通過火災報警系統，每隔10 s記錄隧道內溫度分布。

（3）30 s后撲滅了大火，但記錄時間又持續了30 s。

公路隧道的實驗場景和照片如圖3所示。火災發生在距離隧道入口20 m處，位于傳感器下方。坐標的原點應該在隧道的入口處。傳感器安裝在0 m、5 m、10 m、15 m、20 m等位置。火焰的高度約為2 m。燃燒了30 s后，火被撲滅了。然后，大量濃煙升起到隧道的頂部，沿著隧道蔓延。

試驗結果表明，火場上方傳感器首先在10 s處發出報警信號，該傳感器位于火場上方20 m處。20 m附近的其他傳感器也會在60 s內觸發報警信號，表示溫度或上升速率已經達到閾值。同時，系統軟件可以獲得大量的溫度數據，如圖4和圖5所示。

圖4為在60 s內火區部分測點的溫度，圖5為每隔10 s得到的隧道溫度分布。從圖4中可以看出，傳感器在20 m處的溫度在30 s內迅速上升，之后下降，火災被抑制。25 m和30 m的傳感器的溫度在30 s后仍會上升，這是因為火焰熄滅后，熾熱的濃煙會將傳感器加熱。由于空氣對流，靠近入口的15 m處傳感器的溫度只緩慢上升。在圖5中，可以清楚地看到火點在20 m。30 s后，最高溫度下降，但其他點的溫度因煙霧而升高。

綜上所述，新的火災報警系統能夠實現固定溫度報警和快速升溫報警;根據最高溫度的位置可以很容易地確定火災地點;同時可以得到隧道內的溫度分布和溫度發展規律。由于熱煙擴散到附近的傳感器，滅火后溫度不會立即下降，而是緩慢上升。

2.2 實際應用

基于上述理論和實驗，研制了基于光纖光柵傳感器的公路隧道火災報警系統，并應用于國內多條公路隧道的火災監測。實際報警系統與上述實驗系統的唯一區別是前者有一些分區，后者沒有分區。根據現場安裝反饋和使用體驗，與傳統的火災報警系統相比，如果安裝正確，新型的火災報警系統通常可以自動觸發報警信號，而且不需要定期維護和測試。火災的位置和發展可以以較高的測溫精度直觀地確定。

3 結論

該文介紹了一種基于光纖光柵傳感技術的公路隧道火災報警系統，實驗和應用結果表明了光纖光柵傳感系統在火災報警中的應用能力。該報警系統具有恒溫報警和快速升溫報警功能，可根據最高溫度位置方便地確定火場位置。

參考文獻

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