火災報警中分布式光纖溫度傳感係統設計

1 引 言

分布式光纖感溫技術是一種實時的、在線的、多點的溫度傳感技術，是近年來發展起來的一種可用於實時測量溫度場的新技術。在分布式光纖溫度傳感係統中，光纖既是傳感器又是信號傳輸的通道，係統利用光纖所處空間溫度場對光纖中的後向散射光信號進行調製，再經過信號的解調、采集和處理之後將溫度信息實時地顯示出來。在時間上，利用光纖中光波的傳輸速度和後向光回波的時間差，結合OTDR技術對所測得的溫度點進行準確定位。分布式光纖傳感係統由於其抗幹擾力強、耐腐蝕、耐高溫等特性，在很多高溫、高熱等惡劣環境下具有特殊的優勢，近年來已經廣泛地應用於煤礦、隧道的火災自動報警係統，也可用於油庫、危險品庫、軍火庫的火災報警係統。

2 係統主要原理及可行性設計分布式光纖傳感技術是將光纖沿溫度場鋪設，利用光纖幾何上的一維特性進行測量，它把被測量作為光纖位置長度的函數，可以在整個光纖長度上對沿光纖幾何路徑分布的外部物理參量進行連續的測量，為工業和研究領域提供了同時獲取被測物理參量的空間分布狀態和隨時間變化的信息的手段。 火災報警係統主要是要求對溫度的響應要快，定位要準，誤報漏報少，設備簡單。同時根據起火時刻的特征，在起火點附近的環境溫度會發生躍變，而不同於一般情況下空氣溫度的緩慢變化。設計方案：沿被測物理量(溫度)的分布場鋪設光纜，並在光纖上安裝多個形狀記憶合金探頭。激光光源從光纖入射，光在傳輸過程中產生後向散射光返回光入射處。在火災發生的初期，環境溫度的升高使記憶合金探頭發生收縮，從而導致光纖形變，引起光纖的微彎損耗，在光注入處用光探測器件(APD)可將後向Rayleigh散射光采集到中心控製室進行數據的03manbetx 和處理。03manbetx 光纖中衰減係數的動態變化，當某點的衰減係數達到報警條件時係統就會自動報警。係統的原理框圖，如圖1所示。圖1 分布式光纖溫度傳感係統框圖

2．1 形狀記憶合金探頭 形狀記憶合金(SMA)是智能結構常用的驅動材料。形狀記憶效應可描述如下：在高溫條件下具有特定形狀的物體(合金材料)，在低溫時對其施加外部應力使其產生塑性變形，當對其進行加熱時將保持初始(記憶)形狀(即在高溫時的形狀)。 材料的形狀記憶效應按其在被加熱恢複其高溫相狀態下的形狀後又被冷卻的條件下，其形狀的變化情況可分為三種：單程記憶效應、雙程記憶效應和全程記憶效應。如又被冷卻後依然保持其高溫相形狀則稱為單程形狀記憶效應；如恢複到低溫相形狀則稱為雙程記憶效應；如恢複為高溫相形狀但取向相反則稱為全程形狀記憶。 在火災報警係統中根據用戶的要求可選擇各種恢複溫度下的探頭。本傳感係統中采用的是在66℃時發生形變的具有雙程記憶效應的NiTi合金探頭。當這種探頭周圍的環境溫度到達66℃時，會發生形變，從而在所處位置對光纖產生拉力，導致光纖發生形變。

2．2 光時域反射(OTDR)技術 OTDR是利用03manbetx 光纖中後向散射光或前向散射光的方法，測量因散射、吸收等原因產生的光纖傳輸損耗和各種結構缺陷引起的結構性損耗，通過顯示損耗與光纖長度的關係來檢測外界信號場分布於光纖上的擾動信號。 光纖上距離始端Z處長度為dZ的一段光纖上產生的後向散射光傳播至光纖始端的光功率可以用(1)式表示為： S--後向散射因子； W--注入光脈衝的寬度； Vg--傳輸光的群速度； Na--光纖的數值孔徑。 在使用探頭使光纖發生形變的係統中可以看出：衰減係數at的變化直接影響了P(Z)，所以外界因素引起的沿光纖長度上的某一點散射信號的變化可以用OTDR技術探測而不受其他點的影響。注意這裏說的"某一點"實際是dZ＝W·Vg／2的光纖長度。dZ段內所有的後向散射光在同一時刻t到達始端，而dZ外的後向散射光在不同於t的時刻到達。dZ實際就是分布式光纖傳感器的空間分辨率。 在使用OTDR技術的傳感係統中，通過PC采集到的曲線是光強I與時間T的函數。但是考慮到係統主要是探測衰減係數at的變化。可以把采集到的光強I一空間距離Z信號在PC上轉化為衰減係數at一空間距離Z的函數，並繪出直觀的曲線圖。

2．3 基於後向Rayleigh散射測量光纖中的微彎衰減 在光纖中的光導波到達光纖微彎變形處以前，以大於臨界角的角度在纖芯中傳播(全反射條件)，光纖中的導波分布如圖2所示。而當光線到達光纖微小變形處時，在纖芯一包層界麵上發生的相繼反射中，光以小於臨界角的角度入射到界麵表麵，結果一部分光就輻射到包層中去了，

圖2可看到在光纖之外有輻射波，這意味著光在光纖中傳播時被衰減了。 圖2 光纖微彎損耗示意圖 後向散射法是將大功率的窄脈衝光注入待測光纖，然後在同一端檢測沿光纖軸向向後返回的散射光的功率。由於主要的散射是瑞利散射，且瑞利散射光的波長與入射光的波長相同，其光功率與入射點的光功率成正比。因此，測量沿光纖軸向返回的後向瑞利散射光功率就可以獲得沿光纖傳輸損耗衰減信息，從而可以檢測到光纖的衰減。它可以提供光纖衰減與長度關係的詳細信息。研究基於瑞利背後散射的分布式光纖傳感器正是采用後向散射法的原理測量光纖的損耗點的位置，而這些損耗是由探頭在溫度的作用下使夾在其中的光纖彎曲引起的。 對於均勻、連續、無接頭和缺陷的光纖，後向散射法測量衰減的結果是足夠準確的。以圖3中的均勻段如斜率為常數的ab段為例，可以計算出衰減係數。由於經過正向和反向兩次衰減，因而ab段的衰減和衰減係數可按(2)式(3)式計算：

圖3 後向散射測量光纖衰減曲線 衰減曲線橫坐標的長度標尺可以通過時標換算出來，即可以根據光在光纖中的傳播速度和傳播時間換算成長度。將(3)式改寫為： 式中：把光纖細分為N段，Δai(λ)為第；段的損耗係數；Ui+1：為第i段光纖的末端的返回光電壓；Ui為第i段光纖前端的返回光電壓。傳感光纖在正常情況下各小段的衰減係數基本上繞著一個固定值即平均值以很小的幅度變化。當外界溫度發生突然變化(急劇上升)，則處於該處的夾在探頭中的光纖在探頭的作用下，衰減係數也會突然發生變化，其變化幅度如果超出警戒閾值則視為火災報警，以此判斷報警點的空間位置。

2．4 光探測器--雪崩光電二級管(APD) 在許多接收信號的光探測係統中都使用APD作探測器。其原因是該器件的量子效率高，具有內部增益，可將光電信號倍增上百倍，而倍增後的噪聲僅與放大器自身噪聲水平相當，從而大大提高了接收係統的信噪比。實踐證明，APD的雪崩增益(響應度)是環境溫度和偏置電壓的函數，其關係如圖4所示。電壓／V 圖4 APD1.06um時響應度(增益)一溫度一偏壓曲線 APD在長時間的工作中會導致APD自身溫度的變化。從圖4可知，為了避免自身溫度變化對APD量子效應的影響，使APD以恒定的增益工作，可以通過保持APD環境溫度不變和偏置電壓恒定達到。恒溫恒壓法的框圖如圖5所示。此方法能在較大的溫度變化範圍內保持增益恒定，通常精度不會超過±0.1℃。當環境溫度變化0.1℃時，引起的輸出電壓的變化率為3％，基本上滿足傳感係統的要求。 圖5 APD的恒溫恒壓係統框圖

2．5 火災報警的軟件設計利用高速采集卡可以將光纖上反映的溫度場信號每隔1 m進行采集。首先要對采集到的數據進行線性擬合，以提高係統的精度和準確度。然後對采集到的數據進行報警條件的判斷。采用衰減係數比較方式進行判斷：即對采集到的數據先計算出整個光纖的衰減係數的平均值 ，在這個動態的平均值上加一個Δa作為判斷標準。當溫度升高，光纖彎曲處的曲率半徑減小，衰減係數相應增大，如果在某時刻某處的衰減係數大於 +Δa，則說明此處發生了火災，係統報警。因為衰減係數Δa對應著溫差ΔT，所以實際上這是一種差溫測量法。這樣可以消除非起火條件下由於溫度的突變導致的誤報警，並且可根據具體使用傳感係統的環境設置Δa，設置適當的報警溫差閾值。

3 係統穩定性03manbetx 在實際應用中影響整個係統穩定性的因素主要有：APD的溫度漂移、光源(LD)的溫度漂移、光時域反射計的性能以及A／D、D／A轉換的精度等。經過上述對各個部分的分析以及采取相應的措施，整個係統的穩定性可以得到大幅度提高，同時各個部分的精度均能達到要求。

4 結束語 對於可利用在工業應用中的火災和熱探測設備，目前可以提供隧道火情預警和火災過熱報警的最有效的方法就是光纖分布式溫度監測係統。該係統具有測量範圍寬，抗幹擾能力強，集傳感與傳輸於一體，可實現遠距離測量等優點，可以實現沿溫度場的在線監測報警，並且穩定可靠。 但是實際應用中還有不盡人意之處。可以通過分析複合火災信號，利用模糊處理方法，將複合火災傳感信號的特征信號(輸出信號的幅度、持續時間、變化量等)模糊化，根據模糊推理原則得出無煙明火、陰燃火、有煙明火等探測結論，采用質量中心法以得到報警或不報警的係統輸出，或者可以采用多判據探測報警等。總之，在火災報警研究領域仍然存在很多問題尚待進一步研究。