人防工程環(huán)境溫度光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

廖連山 趙 楊

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

人防工程是指為保障戰(zhàn)時(shí)人員與物資掩蔽、人民防空指揮、醫(yī)療救護(hù)而單獨(dú)修建的地下防護(hù)建筑，以及結(jié)合地面建筑修建的戰(zhàn)時(shí)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(zhàn)備效益、社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益。人防工程屬于地下隱蔽結(jié)構(gòu)，在服役過程中，特別是戰(zhàn)時(shí)期間，其安全狀態(tài)尤為重要［1，2］。環(huán)境溫度監(jiān)測是人防工程重要的監(jiān)測參量，當(dāng)前的人防工程環(huán)境溫度監(jiān)測多采用電學(xué)類工業(yè)化溫度傳感器，雖然該類型傳感器單體價(jià)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(hào)傳輸距離有限，而對于整個(gè)溫控系統(tǒng)集成而言，系統(tǒng)集成線路多，相對比較復(fù)雜。光纖光柵布拉格傳感技術(shù)(Optic Fiber Bragg Grating，F(xiàn)BG)是近30年來發(fā)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(yīng)變靈敏度高等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)光纖光柵傳感器還具有波分復(fù)用功能，在一根光纖上串聯(lián)多個(gè)光纖光柵，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)分布式高精度測試，極大簡化了光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的復(fù)雜性。目前光纖光柵傳感器已經(jīng)在航空航天、航海、土木工程、復(fù)合材料以及消防等領(lǐng)域得到了廣泛而成功的應(yīng)用［3-6］。本文結(jié)合光纖光柵傳感技術(shù)，提出了基于光纖光柵傳感技術(shù)的人防工程環(huán)境溫度監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，利用波分復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)測溫復(fù)用同一根傳輸光纖，給出了詳細(xì)的光纖光柵溫控網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方法，應(yīng)用這套系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)無人值守，提供溫度監(jiān)測精度和擴(kuò)展信號(hào)傳輸距離。

圖1 人防工程環(huán)境溫度光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)

1 光纖光柵傳感技術(shù)原理

光纖光柵在波導(dǎo)介質(zhì)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(shí)驗(yàn)研究結(jié)果表明，光纖光柵纖芯有效折射率和纖芯折射率調(diào)制周期受外界應(yīng)力和溫度調(diào)制，同時(shí)對溫度和應(yīng)變敏感:Δλ=KTΔT+CεΔε。從上式可以看出，光纖光柵中心波長同時(shí)對溫度和應(yīng)變敏感，并成良好的線性關(guān)系，其中KT，Cε分別為溫度靈敏度系數(shù)(10 pm/℃)和應(yīng)變靈敏度系數(shù)(1.2 pm/με)。

圖2 某人防工程溫控系統(tǒng)集成示意圖

圖3 24個(gè)月室內(nèi)環(huán)境溫度監(jiān)測情況

2 人防工程環(huán)境溫度光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)

圖1為人防工程環(huán)境溫度光纖光柵監(jiān)測系統(tǒng)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(tǒng)一由光纖光柵解調(diào)設(shè)備進(jìn)行各個(gè)光纖光柵中心波長的采集，然后通過光纜傳輸?shù)綔乜剡h(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。圖中的第i層為人防工程中的某一層，各個(gè)光纖光柵溫度傳感器通過波分復(fù)用功能復(fù)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(tǒng)布設(shè)示意圖，其中第一層布設(shè)了10個(gè)光纖光柵溫度傳感器，第二層布設(shè)了15個(gè)光纖光柵溫度傳感器、最下面一層布設(shè)了12個(gè)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(gè)位置的溫度和光纖光柵中心波長監(jiān)測情況，監(jiān)測時(shí)間為2年，每個(gè)月采集一次數(shù)據(jù)。因地下人防工程屬于相對比較封閉結(jié)構(gòu)，室內(nèi)溫度主要靠中央空調(diào)系統(tǒng)控制和通風(fēng)井，室溫相對比較穩(wěn)定。從監(jiān)測結(jié)果可以看出，一層該測點(diǎn)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?yàn)榧竟?jié)轉(zhuǎn)變，沒有開空調(diào)期間，室內(nèi)溫度主要受外界影響。

3 結(jié)語

基于光纖光柵傳感測溫技術(shù)和波分復(fù)用技術(shù)，設(shè)計(jì)了人防工程光纖光柵溫控系統(tǒng)，并應(yīng)用到某人防工程項(xiàng)目。光纖光柵溫度傳感器對人防工程的環(huán)境溫度進(jìn)行了長期監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果表明:光纖光柵溫度傳感器測試結(jié)果與人防工程環(huán)境溫度吻合。

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