光纤光栅感温火灾报警系统的研制PPT课件

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2.2 匹配光纤光栅解调
• 匹配光纤光栅解调系统如图所示，选用一个与传感光纤光栅FBG参数 相近的光纤光栅(即匹配光栅)作为检测光栅，使两个光纤光栅的反射 谱部分重叠，FBG的反射输出信号作为检测光栅的输入信号。传感信 号隐含在光纤光栅的反射谱和透射谱中。当传感光纤光栅受到温度变 化时，其输出的反射谱在一定波长范围内发生漂移。传感光纤光栅输 出的反射谱输入给解调光纤光栅时，只有与两光栅的反射谱重叠部分 相对应范围内的光波才能被反射，而重叠部分的面积与反射谱的光强 度成正比。当两光栅的反射谱重叠面积较大时，探测器探测到的光信 号较强，反之则较弱。
• 10．5个通用的16位定时器；
• 11．具有5个捕捉/比较模块的可编程计数器/定时器阵列；
• 20210/23/．28 片内看门狗定时器、VDD监视器和温度传感器。
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3.1 系统芯片电路模块
• (4) 根据系统的要求，通过模块化编程，完成整个系统底层程 序的编写.
• (5) 总结已经完成的研究工作，并对进一步研究作出规划。
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2.1 光纤光栅传感原理
FBG传感器的传感原理如图2-2。用一宽光谱光源注入光纤，则每个 FBG光栅都反射回一个中心波长为布拉格波长的窄带光波，其布拉格波 长为：
• (1)FBG传感器是一种以波长调制的数字式传感器，是以光波信号 传输，被测现场无电信号，因此，具有高可靠性、高安全性特点；
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• (2)温度测量范围宽，可对现场温度进行连续监测，可将温度探测 开关量与模拟量、差温式与定温式有机结合，可实现火灾报警和 早期预警功能；
• (3)抗电磁干扰能力强，绝缘性能高，可以工作在高压、大电流及 爆炸环境中，光纤质量轻、柔性好、工程安装方便；
探测原理
感温探测:双金 属片式;易熔合 金、热敏电阻、 热电偶
利用金属不同热膨胀系 数、温升后易熔合金、 热敏电阻改变、热电偶 产生电流等原理
存在优点
存在缺点
①结构简单，电路少;②可靠 性高，误报率低;③可做成密 封结构，防潮防火防腐蚀性 好，可在恶劣环境中使用
①灵敏度低、探测速度慢、报 警时间迟; ②对阴燃火灾往往 不响应，难满足火灾早期报警 要求
图219三个不同温度的fbg与dwdm的相关谱图的局部放大图图217图216的局部放大图111120202020333030图221fbg1和fbg2相关谱图图222fbg1和fbg2相关谱图的局部放大图在图222中我们可以看到当传感光栅的中心波长与解调光栅的中心波长完全重合即报警温度为85时探测器接收到的光强度为13924104而当传感光栅的中心波长漂移到1543387nm即温度为75时传感光栅的中心波长时探测器接收到的光强度为76862105它们之间的光强度相差1729倍与dwdm解调相比解调的精度要高一些
感烟探测: ①离子感烟探测 ②光电烟雾探测
分别利用电离后离子受 烟雾粒子影响使电离电 流减小及烟粒子 对光的 散射效应的原理
①可提前报警时间; ②光电 感烟探测对浅色烟雾十分敏 感; ③无放射性污染; ④环 境湿度变化对它影响很小
火焰探测: ①红外火焰探测
②紫外火焰探测
分别响应波长<400nm （红外）及波长>700nm （紫外）辐射磁通量
• (2) 研究现有的光纤光栅传感器的几种解调方案，分析几种方 案 各 自 的 优 缺 点 ， 运 用 MATLAB 模 拟 比 较 了 密 集 波 分 复 用 (DWDM)和光纤布拉格光栅(FBG)作为解调光栅时的解调精度， 从而确定一种最佳的解调光栅。
• (3) 对整个系统的硬件电路进行了设计和制作。根据系统的要 求，完成MCU主控电路模块的设计；此外，还探讨了片上系统 所需要考虑的抗干扰问题。
图2-13 FBG与DWDM相关谱图
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图2-14 FBG与DWDM相关谱图的局部放大图
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图2-15 两个不同温度的FBG同时来 到时的光谱图
图2-16 两个不同温度的FBG同时来 到时与DWDM的相关谱图
• 由图2-17中可以知道，一个温度达到75℃的传感光栅和一个温度达到65℃的 传感光栅同时通过 DWDM时的光强度 0.1299，超 过 了85℃传感光栅通过 DWDM的光强度，从而产生了误报现象。再假设当一个温度达到75℃的传感 光栅、一个温度达到65℃的传感光栅和一个温度达到55℃的传感光栅同时来 到时的光谱图如图2-18所示，与DWDM相关后的局部放大图如2-19所示。由
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图2-23 两个不同温度的传感光栅与 解调光栅的相 关谱图的局部放大图
图2-24 三个不同温度的传感光栅与解 调光栅的相关谱图的局部放大图
当一个传感光栅的温度达到75℃，另一个传感光栅的温度达到了65℃，
它们反射谱同时通过解调光栅后，探测器接收到的光功率如图2-23所示。
从图2-23中可以看到探测器探测到的光强度为8.0966*10-5，与85℃时
①可探测不可见区域火灾; ②特适于突然起火、又无烟 雾的易燃易爆场所
气体探测技术 声学探测技术
多利用敏感元件铂遇可 燃气体氧化，改变自身 电阻的原理
探测16Hz以下的燃烧音
可提前警时间 可去除大部分的噪声干扰
离子型:①控制范围窄，不适 于燃烧缓慢、阴燃火及燃烧初 期产生大颗粒黑烟的火灾;② 温度性差，误报率高，灵敏度 受环境影响大③有放射性污 染，生产储存、报废困难
• (4)可以做成密封结构，抗潮湿、腐蚀性好；探测器维护简单，可 免清洗；
• (5)较强网络能力，一根光纤上的温度探测器可分布于数千米范围， 并具有良好的Internet接入能力，是适合远程报警和监控的分布 式智能感温火灾报警系统。
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表1-1火灾探测技术的发展状况及存在的优缺点
类型
• 4．真正8位500ksps的ADC，带PGA和8通道模拟多路开关；
• 5．两个12位DAC，具有可编程数据更新方式；
• 6．64K字节可在系统编程的FLASH存储器；
• 7．4352(4096+256)字节的片内RAM；
• 8．可寻址64K字节地址空间的外部数据存储器接口；
• 9．硬件实现的SPI、SMBus/I2C和两个UART串行接口；
光纤光栅感温火灾报警系 统的研制
硕士研究生：张朝起 导师：赵洪 教授
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课题背景
• 由于传统的火灾自动报警系统装置中一般采用电子感应式探测器， 但该类火灾报警产品存在下列不足：
• (1) 火灾报警产品及系统价格昂贵，整个系统施工、维护技术要求 高；
• (2) 产品质量及稳定性低，防潮性能低，对环境的湿度要求相应较 高； (3) 电子感应器(主要是烟感器)的密封性能差，这是该类产品无法 克服的设计缺陷，以致经常因灰尘或蚊虫进入而误报警。 (4) 电子感应式产品的灵敏度往往被调得过高，使得产品产生不必 要的报警干扰，不能与自动灭火系统联动。 FBG传感器具有以下优点：
lB = 2neff Λ
Ii
It
Ir
被测量引起
波长漂移
输入光谱 透射光谱 反射光谱
l
ll B
lB1 l
图2-2 光纤光栅传感原理图
其中Λ 是光栅周期，neff 是纤芯的有效折射率。任何对光栅的激励影响 如温度或应变，都将导致FBG波长的改变，这个改变可以从光栅的反射 光谱中检测出来，并且将这个改变的布拉格波长与以前没受激励影响时 的布拉格波长进行比较，可以测定光栅受激励程度。
①红外火焰探测器在透镜结 冰、水蒸气浓度大及探测高压 气体火焰时，反应不灵敏; ② 紫外火焰探测易受电焊弧、雷 击等影响
可燃气体的腐蚀作用会降低探 测器的灵敏度，需定期清理
虽已有样机，但离实际应用有 一定距离
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• 本文主要做了以下几个方面的工作：
• (1) 总体归纳了光纤光栅传感技术的现状和发展趋势以及目前 国内外火灾报警系统的发展概况和发展方向，并比较了各种火 灾报警系统的优缺点；
系统的主控芯片
C8051F023器件是Cygnal公司生产完全集成的混合信号系统级MCU芯
片，具有32个数字I/O引脚。下面列出了一些主要特性；
• 1．高速、流水线结构的8051兼容的CIP-51内核(可达25MIPS)；
• 2．全速、非侵入式的在系统调试接口(片内)；
• 3．真正10位、100ksps的8通道ADC，带PGA和模拟多路开关；
报警温度的光强相差1.6419倍。当出现一个传感光栅的温度达到75℃、
一个传感光栅达到65℃和一个传感光栅达到55℃三个传感光栅的反射
谱同时通过解调光栅时，探测器接收到的光功率如图2-24所示。从图2-
24中可以看到探测器探测到的光强度为8.2699*10-5，与85℃时报警温
度的光强相差1.6075倍。
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图2-21 FBG1和FBG2相关谱图 图2-22 FBG1和FBG2相关谱图的局部放大图
在图2-22中我们可以看到当传感光栅的中心波长与解调光栅的中心波 长 完 全 重 合 （ 即 报 警 温 度 为 85℃ ） 时 探 测 器 接 收 到 的 光 强 度 为 1.3924*10-4，而当传感光栅的中心波长漂移到1543.387nm（即温度 为 75℃ 时 传 感 光 栅 的 中 心 波 长 ） 时 ， 探 测 器 接 收 到 的 光 强 度 为 7.6862*10-5，它们之间的光强度相差1.729倍，与DWDM解调相比， 解调的精度要高一些。
2020图/3/228-11 FBG反射光谱图
图2-12 DWDM光谱图 8
• 根据图2-14可以看到当传感光栅的中心波长漂移到1547.307nm时，对应的光 强度为0.094064，当传感光栅的中心波长漂移到1547.207nm时，对应的光强 度为0.091777，由此可知，虽然使用DWDM解调时，85℃与75℃的光强度相 差不大，但还是可以区分开来。但是在实际中有可能存在更加恶劣的情况， 例 如 ， 一 些 传 感 光 栅 中 的 温 度 达 到 了 75℃ ， 另 一 些 传 感 光 栅 的 温 度 达 到 了 65℃，它们产生的光强度有可能超过85℃时的光强而产生误报。下面我们假 设有一个传感光栅的温度达到75℃，另一个传感光栅的温度达到了65℃，它 们的反射谱同时通过解调光栅时的光谱图如图2-15所示，与DWDM相关后的 谱图如图2-16所示。
宽带
3dB
FBG
光源
PD
3dB
解调光栅
图2-11 匹配光纤光栅解调原理图
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• 2.3 DWDM与FBG作为匹配解调光栅的比较
DWDM解调
• 当传感光栅的反射谱输入到解调光栅时，只有与两光栅的反射谱重叠部分相 对应范围内的光波才能被反射，而重叠部分的面积与反射谱的光强度成正比， 当两光栅反射谱重叠面积较大时，探测器探测到的光强度较大，反之则较小， 即检测器检测到的光强是传感光栅和解调光栅两个光谱函数的卷积。图2-13 为FBG与DWDM的相关谱图。一般地，FBG波长的温度灵敏度约0.01nm/℃。 在实际应用中，我们选用的报警温度为85℃，对应传感光栅的中心波长为 1547.307nm，为了检验DWDM解调的精度，我们先将85℃与75℃对应的传 感光栅通过DWDM解调后的光功率相比较 。
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3 系统的整体设计方案
计算机
光纤光栅感温探头
液晶显示
232
单片机
光探
测器
485
光缆
Y型分 路器
可调滤 波器
宽带光源
温控箱
图3-2 光纤光栅火灾报警结构式意图
将多个温度特性完全相同的光纤光栅串接在一根光纤中，宽带光源所发出的 光耦合进光纤，通过Y型光分路器入射到用光纤串接的光纤光栅感温探头中。窄 带反射光经Y型光分路器的另一分路端口进入可调滤波器中。可调滤波器中滤波 波长按报警要求设置为一定值。在正常状态(非报警状态)下，全同光纤光栅中的 反射光的布拉格波长小于可调滤波器中所设置的滤波波长，可调滤波器滤波输出 端口无光输出；当全同光纤光栅中任何一个光纤光栅处的环境温度升高，这一光 纤光栅的布拉格波长将向长波方向移动，当环境温度达到所设置的报警值时，此 处光纤光栅的布拉格波长将与可调滤波器中设置的滤波波长重合，可调滤波器的 滤波2输020出/3/2端8 口有光输出，光探测器探测到光信号，从而触发声光报警装置报1警4 。
图2-19中可知，当一个75℃、一个65℃和一个55℃的传感光栅的反射谱同时 到达时所产生的光强度为0.14699，超过了85℃时的光强度，产生误报。
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图2-17 图2-16的局部放大图
图2-19 三个不同温度的FBG与 DWDM的相关谱图的局部放大图
FBG解调
在实验中，选用传感光纤光栅FBG1的中心波长为1543.087nm，解调光纤光 栅FBG2的中心波长为1543.487nm(即报警温度为85℃时的中心波长)，解调温度 为40℃。图2-21为FBG1和FBG2相关后的谱图。