光纖分布式溫度檢測在火災報警系統(tǒng)中的應用研究

韓立兵　王祎晨　王睿　青晨　劉旭蒙

摘要：光纖分布式溫度檢測技術是基于拉曼散射原理和光時域技術，利用光在光纖中傳輸?shù)纳⑸涔庑盘枏姸扰c溫度的相關性，實現(xiàn)溫度場溫度的分布式精確測量。本文主要論述了光纖分布式溫度檢測系統(tǒng)的概述以及研究現(xiàn)狀，介紹了在火災報警系統(tǒng)中的應用情況，發(fā)揮光纖分布式溫度檢測的優(yōu)勢，提高火災報警系統(tǒng)的精確度，確保光纖分布式溫度檢測在火災報警系統(tǒng)中的廣泛應用。

關鍵詞：光纖;分布式;溫度檢測;拉曼散射效益;報警系統(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

由于火災給人類帶來了巨大的傷害，人們希望能對火災進行有效的探測報警以減少火災發(fā)生及減輕生命財產損失。因此，在防火安全過程中，火災報警系統(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感煙、感溫和感光火災檢測設備轉變?yōu)殡娦盘?，及時傳輸?shù)交馂膱缶到y(tǒng)，除了確定火災的發(fā)生地，還能夠記錄火災發(fā)生的具體時間。為了預防火災的發(fā)生以及遏制火災形式的蔓延，國內外學者開始研究新型的火災報警系統(tǒng)，目前，火災報警系統(tǒng)最有效的形式是采用線型溫度檢測技術。線型溫度檢測技術只是基于氣體力學或電氣科學的原理，接收到比較少的信息以及功能，即使將感溫電纜應用于在火災報警系統(tǒng)中進行監(jiān)測，也無法在線完成檢測溫度的變化，而是在火災發(fā)生后，只能給出區(qū)域大致的報警信號，無法確定精確的報警點位置。

由于光纖的特性，它既能起敏感元件的作用，又能起信號傳輸通道的作用，在工業(yè)和工程的許多領域中的應用而成為有吸引力的創(chuàng)新。近年來，光纖分布式溫度檢測技術應運而生，成為一種能夠通過光纖感溫遠距離對溫度場內的溫度變化進行實時監(jiān)測的先進技術，可實現(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、較強的抗電磁干擾性能以及較高的安全可靠性能被廣泛應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)測和火災報警中。使用光纖分布式測溫技術不僅能描述溫度場的空間狀態(tài)分布，還可以實現(xiàn)起火點的精確定位。

1光纖分布式溫度檢測技術的概述

1.1光纖分布式溫度檢測技術的概念

光纖分布式溫度檢測技術是一種光纖新技術，近年來發(fā)展起來的，主要用于溫度場內溫度變化的實時監(jiān)測，能夠實現(xiàn)連續(xù)分布式的溫度測量。光纖分布式溫度檢測系統(tǒng)是將整條傳輸光纖作為傳感器，光纖上的每一點都兼具“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的功能。與傳統(tǒng)的電子溫度檢測技術相比，光纖分布式溫度檢測技術具有較好的電絕緣性、較高的耐腐蝕性以及傳輸過程中損耗低等本身固有的特性，還具有測量精度高、成本低以及壽命長等優(yōu)點^[1]。

1.2光纖分布式溫度檢測技術的原理

光纖分布式溫度檢測系統(tǒng)主要是運用光纖內的自發(fā)拉曼散射效應原理來測溫，利用其光強之比可以計算出沿光纖各點的溫度值，利用其光時域原理進行定位，以達到實時對溫度場內溫度變化的精確測量。當光纖分布式溫度檢測系統(tǒng)感受激光信號后及時在光纖中進行傳輸，此時光信號在光纖中會發(fā)生背向散射現(xiàn)象，根據(jù)光信號的波長，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強度，與該點所處位置的溫度相關度最大的是拉曼散射，根據(jù)檢測光纖上各每點發(fā)生散射的光信號光強，利用通過溫度效應公式確定光纖上每一點的溫度，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技術的優(yōu)點

1.3.1預警定位功能

可以實現(xiàn)報警位置的定位和溫度監(jiān)測，通過實施溫度顯示，能夠確認火災狀況的趨勢，及時提供火災數(shù)據(jù)進而采取相應的滅火措施。

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，實現(xiàn)溫度的實時監(jiān)測，較高的防爆性能，采用定溫和差溫結合的方式實現(xiàn)無錯誤報告。

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試區(qū)域表面。

1.3.4高效使用

實現(xiàn)遠距離的溫度監(jiān)測，系統(tǒng)比較簡單，僅通過一根光纖實現(xiàn)激光信號探測以及完成信號的傳輸，整個系統(tǒng)的維護較少。

2光纖分布式溫度檢測在火災報警系統(tǒng)中的應用

2.1光纖分布式溫度檢測在火災報警系統(tǒng)中的應用現(xiàn)狀

在光纖分布式溫度檢測系統(tǒng)的溫度報警方法中，目前主流的報警方法是在啟動系統(tǒng)時設定一個固定的報警閾值，當系統(tǒng)測量到光纖某位置的溫度高于設定報警閾值時，系統(tǒng)開始報警^[4]。這種報警方式的速度主要依賴于高速采集卡的采集速率和溫度解調程序的運行時間的快慢，若想通過這種方式達到國家安全標準的線性火災探測器的響應報警時間標準，對系統(tǒng)硬件要求很高，不經濟且不能保證準確性。在一些對溫度預警要求很高的場所，如井下安全，山林防火，航空航天等測溫場所，這類響應時間慢且預警方法單一的溫度報警方式，則無法做到安全準確^[5]。

隨著測溫技術的發(fā)展，光纖分布式溫度檢測技術是集傳感和傳輸于一體，不僅能感應光信號還能夠進行光信號的傳輸，目前已在火災報警系統(tǒng)中被廣泛運用。光纖分布式溫度檢測是利用光纖技術，利用向后散射光信號，對所處空間溫度場進行監(jiān)測，然后對光信號進行調節(jié)、采集和處理，最后通過實時監(jiān)測將溫度信息顯示出來。由于光纖具有不帶電、抗射頻和電磁干擾等性能，使得被應用于光纖分布式溫度檢測系統(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、強電磁、耐電離輻射等特殊優(yōu)勢，使得被廣泛應用于在很多高溫、高熱等惡劣環(huán)境中。光纖分布式溫度檢測系統(tǒng)的安全運行，完成了溫度場的空間狀態(tài)分布，實現(xiàn)火災現(xiàn)場起火點的精確定位。

2.2光纖分布式溫度檢測在火災報警系統(tǒng)中的工作原理

目前，光纖分布式溫度檢測技術已在火災報警系統(tǒng)中被廣泛應用，常用進行報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定為溫度報警值，利用光纖在一定的空間區(qū)域內對每一點的溫度進行監(jiān)測時，當測量溫度超過設定的溫度值時就會發(fā)生報警。差溫法與定溫法相似，首先也是設定一個溫度值作為報警的溫度值，利用光纖在一定的空間區(qū)域內對每一點的溫度進行監(jiān)測時，當測量溫度超過設定的報警的溫度值時就會發(fā)生報警。采用以上兩種方法發(fā)生報警現(xiàn)象時，光纖分布式溫度檢測系統(tǒng)會輸出光纖上每一待測點的當前溫度輸出值，光纖分布式溫度檢測系統(tǒng)在輸出光纜上各待測點的當前溫度時，首先利用光纖分布式溫度檢測系統(tǒng)的主機實時采集光纜上各待測點的溫度數(shù)據(jù)，然后將這些溫度采集數(shù)據(jù)通過一定的處理方法進行處理以后，作為最終的溫度測量值輸出，供火災報警時使用。

光纖分布式溫度檢測系統(tǒng)判斷火災報警，一般采用溫度上限報警，以及通用的溫升速率報警。在光纖分布式溫度檢測傳感器中，檢測的溫度為線性的差分數(shù)據(jù)，將光纜上連續(xù)的信號值差分處理為離散溫度點，一般0.5～1米一個監(jiān)測點。所謂溫度上限報警，即對采集到的光纖原始溫度數(shù)據(jù)進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警是在原始溫度數(shù)據(jù)基礎上，計算每點的溫升速率，即每秒變化的溫度值，再對這個值進行判斷是否高于定義的溫升上限值^[6]。在高風速火災情況下，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)采集及溫升速率計算值噪聲較大，從而無法快速地判斷火災報警，且定位精度較差，若將上限值定義的較低，則誤報率較高。因此，現(xiàn)有的光纖分布式溫度檢測系統(tǒng)判斷火災報警，單純的采用溫度上限判斷報警，在很多實際環(huán)境情況，特別是高風速下，由于噪聲較大，往往無法及時發(fā)出警報，甚至出現(xiàn)無報警的情況。而通用的溫升速率報警方法對采集的溫度數(shù)據(jù)不進行相應地去噪音處理，而直接進行空間移動平均，不適合高風速下長包絡范圍的溫升異常的情況。若減小報警上限，誤報率則較高，增大報警上限，則報警緩慢甚至不報警。

利用光纖分布式測溫系統(tǒng)，采集光纖各點的斯托克斯光和反斯托克斯光的光強數(shù)值，以及對應解調的溫度數(shù)值，通過對所采集的光強和溫度數(shù)值進行處理，通過對溫度和光強與報警閾值進行比較，確定是否滿足于差溫或定溫報警條件;同時利用當前溫度數(shù)值以及過去若干點溫度的離散系數(shù)來預測下一時刻溫度;溫度預測時，連續(xù)時間內測量并記錄光纖同一位置當前時刻的前設定次溫度數(shù)據(jù)，當前時刻的前設定次溫度數(shù)據(jù)按照時間順序分為三組并對每組溫度數(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值，則進行第二溫度預測報警，否則，設定離散系數(shù)差的閾值，計算當前時刻的前設定次溫度數(shù)據(jù)中當前時刻多點溫度離散系數(shù)與前一時刻多點溫度離散系數(shù)之差的絕對值，若該絕對值大于設定離散系數(shù)差的閾值，則進行第一溫度預測報警。

3結語

隨著科技的進步和網絡信息的普及，光纖憑借其大容量、遠距離傳輸?shù)葍?yōu)勢在工程技術領域得到了廣泛的應用，通過對傳統(tǒng)的光纖技術改進，使其具有感光、導光功能，既能做敏感元件又能傳輸信號。在火災報警系統(tǒng)中，光纖分布式溫度檢測技術的普及應用，一方面實現(xiàn)了空間溫度場中實時的溫度監(jiān)測，另一方面還實現(xiàn)了火災現(xiàn)場起火點的精確定位，以達到預防火災的發(fā)生以及降低火災損失的目的，從而保障了生命財產安全。

參考文獻

[1]于小鵬.分布式光纖在高速公路隧道火災報警系統(tǒng)中的應用[J].交通世界，2020（27）：11-13.

[2]劉溫彥.用于火災預警的分布式光纖溫度傳感器[J].電子技術與軟件工程，2020（08）：102-103.

[3]郝立鋼.分布式光纖溫度檢測系統(tǒng)在火災監(jiān)測中的應用[J].科技創(chuàng)新導報，2017，14（22）：154-155.

[4]方星.分布式光纖拉曼溫度傳感系統(tǒng)關鍵技術的研究[D].電子科技大學，2020.

[5]左婧，李忠虎，閆俊紅，王金明.分布式光纖測溫系統(tǒng)溫度檢測與處理算法研究[J].高技術通訊，2018，28（Z2）：991-996.

[6]郎國偉，魏志猛，陳偉，等.分布式光纖火災監(jiān)測系統(tǒng)的關鍵算法研究[J].光纖與電纜及其應用技術，2019（04）：32-35.