光纤传感器在火灾报警中的应用

光纤传感器在火灾报警中的应用

王聪20801195

第一章摘要

随着经济建设的快速发展，新能源、新材料、新设备的广泛开发利用，火灾给人类带来损失反而增加。为了抗拒火灾带来的危害，就需要发展反应更快、可靠性更高的火灾探测报警技术。

温度传感是光纤传感器最主要和最直接的应用之一，本文从温度传感理论模型的角度，分别研究了分布反馈式光纤温度监控系统和光纤光栅温度传感器原理及特点，详述了这一新技术在火灾报警应用中的优点和技术特点，并进一步的在光纤光栅温度传感器原理得基础上给出了火灾报警系统的系统组成和设计实例分析。分析表明，利用光纤传感器进行温度探测与其他方法相比显示出巨大的优越性，它的出现为易燃易爆和强电磁场等场所的火灾探测提供了新的有效的技术途径。

关键词：温度探测、温度传感器、分布反馈式光纤温度监控系统、光纤光栅温度传感器

第二章引言

光纤传感技术是20 世纪70 年代伴随光通信技术的发展而迅速发展起来的新型传感技术。光纤传感器以其高灵敏度、抗电磁干扰、耐腐蚀、可弯曲、体积小、结构简单以及与光纤传输线路相容等独特优点，受到世界各国广泛关注。利用光纤传感器进行温度探测与其他方法相比显示出巨大的优越性，应用了光纤传感器的火灾报警系统是一种新型的火灾报警系统，它的出现为易燃易爆和强电磁场等场所火灾探测提供了新的有效的技术途径，并被越来越多的应用到各种环境的火灾报警中。

第三章分布反馈式光纤温度监控系统的原理及特点

3．1原理

光纤分布式温度监测系统[3]是光纤分布式传感技术的典型应用，是基于光纤本身的散射现象来进行温度测量的。当某一波长的脉冲光导入光纤后，从光纤返回三种随时间变化的散射光：瑞利散射（Rayleign）、拉曼散射（Rama）、布里渊散射（Brillou）。其中，瑞利散射光与入射光的频率相同，是由光纤材料折射率的变化引起的;而拉曼散射和布里渊散射两种散射光分别是由光振子和声振子引起的非顺应性散射，与入射光的频率不同。利用这三种散射光，可以分别设计出三种不同的光纤分布式温度测量系统。其中，采用基于拉曼散射光的分布式温度测量系统比较简单实用。

光纤分布式温度监测系统利用光纤本身作为温度传感器，在沿光纤分布的路径上同时得到被测物理量的一维空间连续的时间和空间分布信息，可对温度变化的异常点进行精确定位和实时监测。其系统原理框图如图（3-1）所示。

图（3-1）光纤分布式温度监测系统原理框图

激光光源向传感光纤注入激光脉冲，光在光纤中传输时会产生散射现象，即在光纤中产生四面八方各方向的散射光，其中一部分向后传输的后向散射光可沿光纤传回到光入射端。这部分后向散射光中的拉曼散射光与温度密切相关。后向散射光经定向耦合器由光电检测管进行光电变换后，送入信号处理单元处理，通过比较拉曼散射光的斯托克斯和反斯托克斯光带，以及计算激光光脉冲的运行时间，就可以确定每一个测温点的温度和位置测温点的位置（即该点与测量原点之间的光纤长度）可由发射的光脉冲与返回光信号的时间间隔以及光纤中的光速计算得到：

光纤长度L＝（C／n）×Δt /2 （3-1 ）

式中C 为真空中光速，n 为光纤群折射率，C ／n 即是光纤中的光速；Δt 为初始发射脉冲与返回光信号的时间间隔；因为光传输经过往返双程，故计算光纤长度时乘以系数1/2。

通过检测拉曼散射产生的斯托克斯光(Stokes)与反斯托克斯光(anti-Stokes)功率的比值可反映出光纤的温度变化特性。其关系式如下： 4

()exp()()hcv s R T kT sa

λλ=- （3-2） 式中：s λ为斯托克斯光的波长；sa λ为返斯托克斯光的波长；h 为普朗克常数；c 为光在真空中的速度；v 为入射光的频率；k 为玻尔兹曼常数；T 为纤芯的绝对温度。由此可见测量斯托克斯光与反斯托克斯光的比值将得到光纤媒质温度的绝对数值。

系统通过对温度信息和位置信息的分析，就可以得出以一条温度-位置的实时曲线图，如图（3-2）所示。当某一点的温度值超过所设的限定值时，即可由控制电脑发出警报信息控制相关装置动作，消除隐患。

图（3-2）温度-距离实时曲线图

3．2 特点

分布反馈式光纤温度监控系统有如下性能特点［2］：

a. 探测器的本质安全特，探测器的温度传感和信号传输均在一根光纤内以光信号形式实现，探测器不带电，具有本质安全特性。

b. 长距离、高密度、可定位多点温度探测报警。

c. 能够实现有效的感温探测报警。系统能够对探测器所分布空间的温度场变化进行动态实时监测，只是位置和温度值。

d. 探测器具有火灾报警后可自动复位，当探测器所布现场温度回落时如果探测器没有严重烧损，探测器无需处理，可重复使用。

第四章光纤光栅温度传感器原理及特点

4．1原理

光纤光栅是近十年发展起来的一种新型传感技术，被广泛应用于温度、压力、流量、液位等参数的测量，具有良好的应用前景。

光纤光栅是利用激光加工手段在光纤芯内刻制间距为∧的若干条纹，形成一个光栅元件。当一束宽带光源通过光纤传输时，由于光纤光栅的存在，某一特定波长的光线将不能通过而被反射回来，其他波长的光线则能顺利通过。光纤光栅传感器的基本工作原理见图（4-1）：

反射光的中心波长λ和光纤栅距∧之间的关系如公式［1］（4-1）所示：

λ= 2Neff∧(4-1 ) 式中：Neff光纤光栅的有效折射率，∧为光纤光栅的周期栅距。对于特定的栅距∧，反射的波长λ非常稳定。当栅距发生变化时，反射的波长随之而变。由此得出两条结论：

a.通过改变制造工艺可以生产出反射不同波长的光纤光栅传感器。

b.若一个光纤光栅传感器由于外界环境的变化而使栅距发生变化，则反射波长也会随之而变。

图（4-1）光纤光栅传感器检测原理

当温度参数发生变化时，由于光纤光栅传感器的热胀冷缩效应，光栅的周期条纹间距会发生变化。当我们精确地检测出反射光的波长以及它的偏移Δλ，就可以感知光纤光栅传感器所处位置的温度及变化。

4．2 特点

光纤光栅传感技术除了具有普通光纤传感技术的防爆、抗腐蚀、抗电磁干扰无电传输等优点外，还有一些优于其它光纤传感技术的特点：