韓立兵　王祎晨　王睿　青晨　劉旭蒙

摘要：光纖分布式溫度檢測(cè)技術(shù)是基于拉曼散射原理和光時(shí)域技術(shù)，利用光在光纖中傳輸?shù)纳⑸涔庑盘?hào)強(qiáng)度與溫度的相關(guān)性，實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)溫度的分布式精確測(cè)量。本文主要論述了光纖分布式溫度檢測(cè)系統(tǒng)的概述以及研究現(xiàn)狀，介紹了在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用情況，發(fā)揮光纖分布式溫度檢測(cè)的優(yōu)勢(shì)，提高火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的精確度，確保光纖分布式溫度檢測(cè)在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：光纖;分布式;溫度檢測(cè);拉曼散射效益;報(bào)警系統(tǒng)

Application Research of Optical Fiber Distributed Temperature Detection in Fire Alarm System

HAN Libing 1 WANG Yichen 2 WANG Rui 2 QING Chen 2 LIU Xumeng 2

（1.College of Mechanical Engineering， Inner Mongolia University of Technology， Hohhot， Inner Mongolia Autonomous Region， 010051 China; 2. Inner Mongolia University of Technology， Hohhot， Inner Mongolia Autonomous Region， 010051 China）

Abstract： Fiber distributed temperature detection technology is based on the principle of Raman scattering and optical time domain technology， using the correlation between the intensity of scattered light signal transmitted in the fiber and the temperature to realize the distributed accurate measurement of temperature field. This paper mainly discusses the overview and research status of optical fiber distributed temperature detection system， introduces the application in the fire alarm system， gives full play to the advantages of optical fiber distributed temperature detection， improves the accuracy of the fire alarm system， and ensures the wide application of optical fiber distributed temperature detection in the fire alarm system.

Key Words： Optical fiber; Distributed; Temperature detection; Raman scattering benefit; Alarm system

由于火災(zāi)給人類(lèi)帶來(lái)了巨大的傷害，人們希望能對(duì)火災(zāi)進(jìn)行有效的探測(cè)報(bào)警以減少火災(zāi)發(fā)生及減輕生命財(cái)產(chǎn)損失。因此，在防火安全過(guò)程中，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)起著極其重要的作用，主要工作原理是把接收到的煙霧、熱量和光輻射等物理量通過(guò)感煙、感溫和感光火災(zāi)檢測(cè)設(shè)備轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘?hào)，及時(shí)傳輸?shù)交馂?zāi)報(bào)警系統(tǒng)，除了確定火災(zāi)的發(fā)生地，還能夠記錄火災(zāi)發(fā)生的具體時(shí)間。為了預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生以及遏制火災(zāi)形式的蔓延，國(guó)內(nèi)外學(xué)者開(kāi)始研究新型的火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，目前，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)最有效的形式是采用線型溫度檢測(cè)技術(shù)。線型溫度檢測(cè)技術(shù)只是基于氣體力學(xué)或電氣科學(xué)的原理，接收到比較少的信息以及功能，即使將感溫電纜應(yīng)用于在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中進(jìn)行監(jiān)測(cè)，也無(wú)法在線完成檢測(cè)溫度的變化，而是在火災(zāi)發(fā)生后，只能給出區(qū)域大致的報(bào)警信號(hào)，無(wú)法確定精確的報(bào)警點(diǎn)位置。

由于光纖的特性，它既能起敏感元件的作用，又能起信號(hào)傳輸通道的作用，在工業(yè)和工程的許多領(lǐng)域中的應(yīng)用而成為有吸引力的創(chuàng)新。近年來(lái)，光纖分布式溫度檢測(cè)技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，成為一種能夠通過(guò)光纖感溫遠(yuǎn)距離對(duì)溫度場(chǎng)內(nèi)的溫度變化進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的先進(jìn)技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)連續(xù)高密度、大頻次采集溫度信息，憑借其較高的靈敏度、較高的耐腐蝕性能、較強(qiáng)的抗電磁干擾性能以及較高的安全可靠性能被廣泛應(yīng)用于公路以及地鐵隧道、煤礦井、電力、以及大型建筑等的溫度監(jiān)測(cè)和火災(zāi)報(bào)警中。使用光纖分布式測(cè)溫技術(shù)不僅能描述溫度場(chǎng)的空間狀態(tài)分布，還可以實(shí)現(xiàn)起火點(diǎn)的精確定位。

1光纖分布式溫度檢測(cè)技術(shù)的概述

1.1光纖分布式溫度檢測(cè)技術(shù)的概念

光纖分布式溫度檢測(cè)技術(shù)是一種光纖新技術(shù)，近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的，主要用于溫度場(chǎng)內(nèi)溫度變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)分布式的溫度測(cè)量。光纖分布式溫度檢測(cè)系統(tǒng)是將整條傳輸光纖作為傳感器，光纖上的每一點(diǎn)都兼具“傳”和“感”的功能，一方面是具有感光的功能，另一方面是能夠傳輸光信號(hào)的功能。與傳統(tǒng)的電子溫度檢測(cè)技術(shù)相比，光纖分布式溫度檢測(cè)技術(shù)具有較好的電絕緣性、較高的耐腐蝕性以及傳輸過(guò)程中損耗低等本身固有的特性，還具有測(cè)量精度高、成本低以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)^[1]。

1.2光纖分布式溫度檢測(cè)技術(shù)的原理

光纖分布式溫度檢測(cè)系統(tǒng)主要是運(yùn)用光纖內(nèi)的自發(fā)拉曼散射效應(yīng)原理來(lái)測(cè)溫，利用其光強(qiáng)之比可以計(jì)算出沿光纖各點(diǎn)的溫度值，利用其光時(shí)域原理進(jìn)行定位，以達(dá)到實(shí)時(shí)對(duì)溫度場(chǎng)內(nèi)溫度變化的精確測(cè)量。當(dāng)光纖分布式溫度檢測(cè)系統(tǒng)感受激光信號(hào)后及時(shí)在光纖中進(jìn)行傳輸，此時(shí)光信號(hào)在光纖中會(huì)發(fā)生背向散射現(xiàn)象，根據(jù)光信號(hào)的波長(zhǎng)，背向散射分為瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射三種^[2]。三種背向散射中的信號(hào)強(qiáng)度，與該點(diǎn)所處位置的溫度相關(guān)度最大的是拉曼散射，根據(jù)檢測(cè)光纖上各每點(diǎn)發(fā)生散射的光信號(hào)光強(qiáng)，利用通過(guò)溫度效應(yīng)公式確定光纖上每一點(diǎn)的溫度，從而利用已知的溫度信息獲得整條光纖上的溫度分布^[3]。

1.3光纖分布式溫度檢測(cè)技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)

1.3.1預(yù)警定位功能

可以實(shí)現(xiàn)報(bào)警位置的定位和溫度監(jiān)測(cè)，通過(guò)實(shí)施溫度顯示，能夠確認(rèn)火災(zāi)狀況的趨勢(shì)，及時(shí)提供火災(zāi)數(shù)據(jù)進(jìn)而采取相應(yīng)的滅火措施。

1.3.2安全可靠功能

具有較高的抗電磁干擾性能，而且具有較高的靈敏度，實(shí)現(xiàn)溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，較高的防爆性能，采用定溫和差溫結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)無(wú)錯(cuò)誤報(bào)告。

1.3.3安裝便捷

光纖抗拉伸、抗沖擊、外徑小、柔韌性好，體積小，重量輕，可繞曲，可直線或蛇形繞線安裝于測(cè)試區(qū)域表面。

1.3.4高效使用

實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的溫度監(jiān)測(cè)，系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，僅通過(guò)一根光纖實(shí)現(xiàn)激光信號(hào)探測(cè)以及完成信號(hào)的傳輸，整個(gè)系統(tǒng)的維護(hù)較少。

2光纖分布式溫度檢測(cè)在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用

2.1光纖分布式溫度檢測(cè)在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用現(xiàn)狀

在光纖分布式溫度檢測(cè)系統(tǒng)的溫度報(bào)警方法中，目前主流的報(bào)警方法是在啟動(dòng)系統(tǒng)時(shí)設(shè)定一個(gè)固定的報(bào)警閾值，當(dāng)系統(tǒng)測(cè)量到光纖某位置的溫度高于設(shè)定報(bào)警閾值時(shí)，系統(tǒng)開(kāi)始報(bào)警^[4]。這種報(bào)警方式的速度主要依賴(lài)于高速采集卡的采集速率和溫度解調(diào)程序的運(yùn)行時(shí)間的快慢，若想通過(guò)這種方式達(dá)到國(guó)家安全標(biāo)準(zhǔn)的線性火災(zāi)探測(cè)器的響應(yīng)報(bào)警時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)系統(tǒng)硬件要求很高，不經(jīng)濟(jì)且不能保證準(zhǔn)確性。在一些對(duì)溫度預(yù)警要求很高的場(chǎng)所，如井下安全，山林防火，航空航天等測(cè)溫場(chǎng)所，這類(lèi)響應(yīng)時(shí)間慢且預(yù)警方法單一的溫度報(bào)警方式，則無(wú)法做到安全準(zhǔn)確^[5]。

隨著測(cè)溫技術(shù)的發(fā)展，光纖分布式溫度檢測(cè)技術(shù)是集傳感和傳輸于一體，不僅能感應(yīng)光信號(hào)還能夠進(jìn)行光信號(hào)的傳輸，目前已在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中被廣泛運(yùn)用。光纖分布式溫度檢測(cè)是利用光纖技術(shù)，利用向后散射光信號(hào)，對(duì)所處空間溫度場(chǎng)進(jìn)行監(jiān)測(cè)，然后對(duì)光信號(hào)進(jìn)行調(diào)節(jié)、采集和處理，最后通過(guò)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)將溫度信息顯示出來(lái)。由于光纖具有不帶電、抗射頻和電磁干擾等性能，使得被應(yīng)用于光纖分布式溫度檢測(cè)系統(tǒng)，系統(tǒng)憑借其較高的防燃防爆性能、抗腐蝕性能和較高的耐高壓、強(qiáng)電磁、耐電離輻射等特殊優(yōu)勢(shì)，使得被廣泛應(yīng)用于在很多高溫、高熱等惡劣環(huán)境中。光纖分布式溫度檢測(cè)系統(tǒng)的安全運(yùn)行，完成了溫度場(chǎng)的空間狀態(tài)分布，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)起火點(diǎn)的精確定位。

2.2光纖分布式溫度檢測(cè)在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的工作原理

目前，光纖分布式溫度檢測(cè)技術(shù)已在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中被廣泛應(yīng)用，常用進(jìn)行報(bào)警的方法主要是定溫法和差溫法兩種。定溫法是首先將某一溫度值設(shè)定為溫度報(bào)警值，利用光纖在一定的空間區(qū)域內(nèi)對(duì)每一點(diǎn)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，當(dāng)測(cè)量溫度超過(guò)設(shè)定的溫度值時(shí)就會(huì)發(fā)生報(bào)警。差溫法與定溫法相似，首先也是設(shè)定一個(gè)溫度值作為報(bào)警的溫度值，利用光纖在一定的空間區(qū)域內(nèi)對(duì)每一點(diǎn)的溫度進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，當(dāng)測(cè)量溫度超過(guò)設(shè)定的報(bào)警的溫度值時(shí)就會(huì)發(fā)生報(bào)警。采用以上兩種方法發(fā)生報(bào)警現(xiàn)象時(shí)，光纖分布式溫度檢測(cè)系統(tǒng)會(huì)輸出光纖上每一待測(cè)點(diǎn)的當(dāng)前溫度輸出值，光纖分布式溫度檢測(cè)系統(tǒng)在輸出光纜上各待測(cè)點(diǎn)的當(dāng)前溫度時(shí)，首先利用光纖分布式溫度檢測(cè)系統(tǒng)的主機(jī)實(shí)時(shí)采集光纜上各待測(cè)點(diǎn)的溫度數(shù)據(jù)，然后將這些溫度采集數(shù)據(jù)通過(guò)一定的處理方法進(jìn)行處理以后，作為最終的溫度測(cè)量值輸出，供火災(zāi)報(bào)警時(shí)使用。

光纖分布式溫度檢測(cè)系統(tǒng)判斷火災(zāi)報(bào)警，一般采用溫度上限報(bào)警，以及通用的溫升速率報(bào)警。在光纖分布式溫度檢測(cè)傳感器中，檢測(cè)的溫度為線性的差分?jǐn)?shù)據(jù)，將光纜上連續(xù)的信號(hào)值差分處理為離散溫度點(diǎn)，一般0.5～1米一個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)。所謂溫度上限報(bào)警，即對(duì)采集到的光纖原始溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行最大值是否高于定義的定溫上限值判斷;而通用的溫升速率報(bào)警是在原始溫度數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，計(jì)算每點(diǎn)的溫升速率，即每秒變化的溫度值，再對(duì)這個(gè)值進(jìn)行判斷是否高于定義的溫升上限值^[6]。在高風(fēng)速火災(zāi)情況下，由于火情作用于光纖上的范圍較大，通常為4～10米，且分布不均勻，以致原始的溫度數(shù)據(jù)采集及溫升速率計(jì)算值噪聲較大，從而無(wú)法快速地判斷火災(zāi)報(bào)警，且定位精度較差，若將上限值定義的較低，則誤報(bào)率較高。因此，現(xiàn)有的光纖分布式溫度檢測(cè)系統(tǒng)判斷火災(zāi)報(bào)警，單純的采用溫度上限判斷報(bào)警，在很多實(shí)際環(huán)境情況，特別是高風(fēng)速下，由于噪聲較大，往往無(wú)法及時(shí)發(fā)出警報(bào)，甚至出現(xiàn)無(wú)報(bào)警的情況。而通用的溫升速率報(bào)警方法對(duì)采集的溫度數(shù)據(jù)不進(jìn)行相應(yīng)地去噪音處理，而直接進(jìn)行空間移動(dòng)平均，不適合高風(fēng)速下長(zhǎng)包絡(luò)范圍的溫升異常的情況。若減小報(bào)警上限，誤報(bào)率則較高，增大報(bào)警上限，則報(bào)警緩慢甚至不報(bào)警。

利用光纖分布式測(cè)溫系統(tǒng)，采集光纖各點(diǎn)的斯托克斯光和反斯托克斯光的光強(qiáng)數(shù)值，以及對(duì)應(yīng)解調(diào)的溫度數(shù)值，通過(guò)對(duì)所采集的光強(qiáng)和溫度數(shù)值進(jìn)行處理，通過(guò)對(duì)溫度和光強(qiáng)與報(bào)警閾值進(jìn)行比較，確定是否滿足于差溫或定溫報(bào)警條件;同時(shí)利用當(dāng)前溫度數(shù)值以及過(guò)去若干點(diǎn)溫度的離散系數(shù)來(lái)預(yù)測(cè)下一時(shí)刻溫度;溫度預(yù)測(cè)時(shí)，連續(xù)時(shí)間內(nèi)測(cè)量并記錄光纖同一位置當(dāng)前時(shí)刻的前設(shè)定次溫度數(shù)據(jù)，當(dāng)前時(shí)刻的前設(shè)定次溫度數(shù)據(jù)按照時(shí)間順序分為三組并對(duì)每組溫度數(shù)據(jù)取平均值，若第三組的溫度平均值與第二組的溫度平均值之差的絕對(duì)值大于第三組的溫度平均值與第二組的溫度平均值之差的絕對(duì)值，則進(jìn)行第二溫度預(yù)測(cè)報(bào)警，否則，設(shè)定離散系數(shù)差的閾值，計(jì)算當(dāng)前時(shí)刻的前設(shè)定次溫度數(shù)據(jù)中當(dāng)前時(shí)刻多點(diǎn)溫度離散系數(shù)與前一時(shí)刻多點(diǎn)溫度離散系數(shù)之差的絕對(duì)值，若該絕對(duì)值大于設(shè)定離散系數(shù)差的閾值，則進(jìn)行第一溫度預(yù)測(cè)報(bào)警。

3結(jié)語(yǔ)

隨著科技的進(jìn)步和網(wǎng)絡(luò)信息的普及，光纖憑借其大容量、遠(yuǎn)距離傳輸?shù)葍?yōu)勢(shì)在工程技術(shù)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，通過(guò)對(duì)傳統(tǒng)的光纖技術(shù)改進(jìn)，使其具有感光、導(dǎo)光功能，既能做敏感元件又能傳輸信號(hào)。在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中，光纖分布式溫度檢測(cè)技術(shù)的普及應(yīng)用，一方面實(shí)現(xiàn)了空間溫度場(chǎng)中實(shí)時(shí)的溫度監(jiān)測(cè)，另一方面還實(shí)現(xiàn)了火災(zāi)現(xiàn)場(chǎng)起火點(diǎn)的精確定位，以達(dá)到預(yù)防火災(zāi)的發(fā)生以及降低火災(zāi)損失的目的，從而保障了生命財(cái)產(chǎn)安全。

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