光纤光栅温度传感技术在消防火灾感温探测中的应用

一．概述
光纤光栅传感技术是近年来应用发展非常快的一项高科技光电传感新技术，它的特点是采用无电检测的方式，精确探测和测试各类温度、应力应变、位移、加速度等各类物理量。
早在1978年加拿大通信中心的Hill K O等人首次在掺锗光纤中采用驻波写入法制成光纤Bragg光栅( FBG)后，美国、欧洲等国家和地区成为光纤光栅传感器和传感技术科学研究和技术开发的热点地区。我国对光纤光栅传感器的研究相对晚一些，但在光纤传感器的产业化和推广应用方面却走在西方国家的前例，尽管西方国家在该领域对我国一直实行技术封锁，但我们的研究成果已经超过西方国家的水平，我们在国家“863”科技攻关计划项目中实施的1550nm波段独立波长波分复用光纤光栅传感技术在国内外独树一帜，其中目前我国消防领域和温度实时在线监测领域大量应用的从小容量（4通道）到特大容量（256通道）、从低速（1Hz）到特高速率（2000Hz）并且是全同步解调的光纤光栅传感解调技术已经成功的攻克了许多技术难题，特别是在工程化应用方面必须具备的两个关键性基本技术条件，即每个传感器的实时数据显示技术、每个传感器的实时自检技术也早已被我们所掌握；此外我们不仅具备国际上最先进的光纤光栅制造设备，而且传感器的封装技术也已经达到了一个新的高度，不仅进一步的减少传感器漂移的几率，而且还大大的提高传感器的使用寿命，因此不管在传感领域还是解调领域，我们在该领域的技术水准已达到国际先进水平。
由于光纤光栅传感技术在工程化的应用方面获得了许多关键性的技术突破，因此该技术在国民经济的应用方面具有十分广阔的应用领域，其中光纤光栅温度传感技术用于消防感温火灾探测领域就是一项非常重大的技术突破。
二．传统消防产品的特点
我国当前使用的消防报警控制系统主要是一些传统的技术，火灾自动探测系统其主要目的就是及早发现火灾事故隐患，发出报警信号，以提示相关人员采取相应的措施以抑制火灾发生或扩大。尽管有着良好的愿望，但由于这些产品在许多关键技术方面难以再有新的突破，因此总存在许多缺陷，往往当火灾真的发生了，等到这些火灾探测器工作时，火灾已处于比较严重的阶段了，而对于最关键的的初期火灾错过了最佳报告时间，故而难以实现其“预警”的目的与作用。因此，如何在火灾隐患的潜伏期及时准确发现火灾的形成，并采取积极主动的、行之有效的方法从根本上杜绝火灾的发生，无疑是非常重要的。因此火灾自动报警系统的可靠性很关键，而可靠性主要取决系统能否真实、实时、有效的测量。
传统消防探测系统主要包括：烟感探测器，温感传感器，烟温复合式探测器，可燃气体探测器，红外探测器，感温电缆，感温光纤、双波长火焰探测系统、手动报警系统等组成。
传统的火灾探测器很难迅速采集火灾形成初期的温度变化信息，而且清洁维护、保养的工作量比较大。此外除感温光纤外，大多数火灾探测器本身必须带电工作，因此抗电磁干扰能力有缺陷，而且探测器本身以及电路因短路等原因也有可能会导致火灾发生，因此传统的技术有很高的漏报、误报率，使用户易产生麻痹的心理，因而也容易干扰维护人员火灾防范意识。
三．光纤光栅的特点
光纤光栅温度传感技术和传统的温度报警技术不同的是，光纤光栅温度传感技术主要是一种精确的温度实时在线测试技术，在消防领域，将温度实时在线监测用于消防感温火灾探测可以克服传统技术的很多缺陷，从而真正达到预防为主，防消结合的效果。
光纤光栅具有不受任何电磁干扰的特点，高精度、高灵敏度，体积小，质量轻，易于成网，易于维护，寿命长等优点，在消防感温火灾探测中，能迅速准确反应火灾初期环境温度变化状况，并进行准确定位，从而确定火灾事实，不误报，不漏报。
四．光纤光栅原理

光纤光栅技术于1978年问世，它本质是一段纤芯折射率周期性变化的光纤，长度一般只有10mm左右。如图1所示，当一束宽光谱光λ（如图中的入射光谱）经过光纤Bragg光栅时，被光栅反射回一单色光λB（如图中的反射光谱），相当于一个窄带的反射镜。反射光的中心波长λB与光栅的折射率变化周期Λ和纤芯有效折射率neff有关。当光纤光栅周围的温度发生变化时，将导致光栅周期Λ和有效纤芯折射率neff产生变化，从而产生光栅Bragg信号的波长漂移ΔλB，通过监测Bragg波长λB的变化情况，即可获得测点上光纤光栅周围温度的变化状况。在不受应变的情况下，光纤光栅波长漂移ΔλB与温度的关系如下：

其中：α — 光纤的热膨胀系数，一般为0.55×10-6/℃；

ξ — 光纤光栅的热光系数，常温下约6.3×10-6/℃；

ΔT — 温度变化

所以，光纤光栅Bragg波长的变化与环境温度的变化呈线性变化关系（如图2），约10pm/℃，通过检测光纤光栅Bragg波长，就可以测得环境温度。


图1  光纤光栅示意图                       图2 光纤光栅波长与温度(应变)的示意图

光纤光栅温度监测系统主要包括传感部分、传输光纤和光纤光栅解调仪三大部分，如图3所示。由于光纤光栅可以制作成不同的中心波长，因此多个光栅可以方便地串接在同一条光路上形成分布式温度测量系统。

图3  光纤光栅分布式温度传感系统示意图

光纤光栅信号处理器内置超辐射宽带光源，通过光机模块将光源耦合到现场光纤光栅传感器，现场光纤光栅传感器所反射的各中心波长再次反射回光机模块，光机模块将反射信号送入波长检测单元，在波长检测单元中通过FP扫描技术感知各传感器反射的中心波长值，比较各传感器中心波长的变化量推算被测物理量。光纤光栅信号处理器最后将被测物理量数值输出并显示。
五．光纤光栅应用领域
光纤光栅感温探测系统可以广泛应用于消防领域的各个方面，在电力、冶金、石化、交通、民用建筑、军事设施、矿业等系统的各类设施如电力电缆隧道、高压电力设备、城市及高速公路交通隧道、地铁隧道、长江及跨海隧道、核实施、大型储油罐、燃气罐、危险品仓库、重要的建筑、核辐射场所等均能实现实时在线火灾温度检测。
六．存在的问题
目前光纤光栅技术在我国的应用才刚起步，由于市场需求很旺，国内出现了少数急功近利的厂家，由于一些厂家未能真正掌握核心技术，再加上生产工艺的欠缺，因此出来的产品不仅质量参差不齐，而且价格差异很大，由于存在很多技术缺陷，在使用中经常出现各类问题，有些问题甚至影响到光纤光栅技术的信誉度。此外目前光纤光栅技术也有很大的区别，不同的技术差别较大，解调方式也很不一样，应用场所也有很大的区别。独立波长光纤光栅解调技术是未来的发展方向，是目前的主流产品，虽然性能优越，但造价比较高，生产要求很严格，产量也比较有限；其它一些光纤光栅技术虽然技术方面还有缺陷，功能有待完善，但由于造价比较低廉，生产制造容易，所以对于一些测试项目简单，测试精度要求不高，可靠性、安全性、长期性要求不高的地方可以采用这类光纤光栅技术。

lijoe9	2010-04-27 19:10
没有图啊

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