高速公路隧道火灾报警系统工作原理研究

张泽民

【摘 要】本文列举出高速公路隧道常用的几种火灾报警系统，分析了不同火灾报警系统的探测原理与基本工作原理，并阐述了几类火灾报警系统的各自特点。

【关键词】线型感温电缆火灾报警系统 感温光纤火灾报警系统 光纤光栅火灾报警系统 双波长火灾报警系统 图像检测火灾报警系统

【中图分类号】U412.36+6【文献标识码】A【文章编号】1672-5158（2013）07-0282-02

一、线型感温电缆火灾报警系统

在高速公路建设的早期，高速公路隧道内使用较多的是线型感温电缆火灾报警系统。线型感温电缆作为该系统的探测器，它的内部是两根缠绕的弹性钢丝，每根钢丝外面都包有一层由热敏绝缘材料制成的包带。正常状态下，由于绝缘包带的存在，两根钢丝处于断开状态，当周边环境温度上升时，热敏绝缘材料的阻值将不断降低，当达到一定值时，两根钢丝的绝缘状态发生变化，也就产生了报警信号（图1）。

总之，线型感温电缆火灾报警系统的基本原理就是通过测量钢丝间的阻值来确定外部环境的温度值。由于两根钢丝间的阻值随着温度的变化而产生变化，因此可以设置不同的阈值，如60℃、100℃等。当测量的阻值达到设置的阈值所对应的阻值时，系统则产生报警信号，并将报警信号上传至监控中心主机，这就是线型感温电缆火灾报警系统的定温报警模式。线型感温电缆火灾报警系统的差定温报警则是指升温的速率超过系统的预设值，如10℃/分钟，则系统也会产生报警信号。

线型感温电缆火灾报警系统早期在高速公路隧道曾得到较为广泛的应用，但由于受设备材质影响，热敏材料在老化后阻值降低，导致在未达到固定阈值的情况下，钢丝间也会短路或产生报警信号，因此使用年限较短，且后期稳定性下降，误报率较高。现在线型感温电缆火灾报警系统主要使用在商场、超市、厂房、仓库等场所。

二、感温光纤火灾报警系统

感温光纤火灾报警系统是利用光的拉曼散射的原理，由于激光在光纤中传输能够产生背向散射，在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，它在光纤中传输的同时不断产生背向拉曼散射，即反斯托克斯光和斯托克斯光，其中背向反斯托克斯光的强度会受到所在光纤散射点的温度影响而有所改变。依据背向反斯托克斯光强度的解调，产生了拉曼型光纤测温系统（图2）。

感温光纤报警系统是通过将散射回来的拉曼光波经波分复用、光电转换、放大、解调后，送入信号处理系统进行处理，便可将温度信号实时显示出来；并且由光纤中光波的传输速度和背向光回波的时间对这些信息进行计算，达到定位的目的。该系统以光纤作为探测元件，每10秒种即可通过数千个温度点对长达数千米的光缆进行测量，并获得一个精确的温度分布。当温度达到系统设定的阈值时，则对系统主机发送报警信号。感温光纤火灾报警系统的原理图如（图3）所示：

三、光纤光栅火灾报警系统

光纤光栅是光纤光栅感温火灾报警系统中的核心部件之一，它是利用光纤芯层材料的光敏特性，通过紫外准分子激光器采用掩模曝光的方法，用一段光纤（约8mm）纤芯的折射率发生永久性改变，折射率的改变呈周期性分布，形成布喇格光栅结构，如（图4）所示。

光纤芯层的折射率为n2，被紫外光照射过的部分的折射率变为n2′，折射率的分布周期d就是光纤光栅的栅距；当宽带光通过光纤光栅时，满足布喇格条件的波长被光栅反射回来，其余波长的光透射，反射光波长随光栅间的栅距d的改变而改变。由于光栅间的栅距d对环境温度非常敏感，因此，通过检测反射波长的变化可以计算出环境温度的改变量。

光纤光栅火灾报警系统与感温光纤火灾报警系统的不同之处在于：感温光纤火灾报警系统以光纤作为感温元件，是连续的线型的火灾探测系统。光纤光栅火灾报警系统以光栅器件作为感温元件，是点式的火灾探测系统。

四、双波长火灾报警系统

双波长火灾报警系统实则是一种火焰探测系统。由于火灾时的火焰所辐射的光的分光分布特点是在红外线领域有很强的放射强度，而自然光或者环境光（各种人工照明光）的分光分布特点则是在可视光领域有很强的放射强度。双波长火灾报警系统的探测器光学检测元件将一般照明用环境光波的输入相对光谱和车辆火灾或汽油火灾时检测到的光波的输入相对光谱进行比较，即通过光电转换、电子滤波、比较器比较，作为判断火灾发生的要素。

根据双波长火焰探测器的“光学上的相对灵敏度特性”，探测器可检测出二个火灾的特征波长，分别用α和β表示。对应于波长的光能量相对输入值，它分别用Pα和Pβ表示，如图曲线1所示，对于环境光来说Pα-Pβ<0。而对汽油火灾或者车辆火灾而言，如图曲线2所示，对火焰的输入

値Pα-Pβ>0。利用此特性，使用在不同波长领域所具有灵敏度的2种检出单元，分别射入的光的输入值的差Pα-Pβ>T（T：火灾阈值）时，则探测器判断发生火灾，并发出报警信号（图5）。

双波长火灾报警系统除了以光波长作为最主要探测参量外，一般还有一个火灾参量可作为参考，即火焰燃烧频率。火灾时的火焰所辐射的光有规律地变动，利用这种“闪烁现象”，通过探测器的电子频宽滤波器可以探测出火焰特有的频率（1Hz～15Hz），以此也可作为判断火灾发生的一个要素。

双波长火灾报警系统与上述几种火灾报警系统的区别在于：双波长火灾报警系统是通过探测火焰来判定火灾的一种报警系统，它无法实时反映现场环境的温度分布，而其他几种火灾报警系统则是通过对温度的探测来判定火灾的报警系统，除了探测火灾外，还能探测出非火灾导致的现场环境温度的变化。而在对火焰的判定上，双波长火灾报警系统的准确性与灵敏度则更胜一筹。

五、图像检测火灾报警系统

这是一种较为新兴的火灾报警系统，它主要建立在视频监控系统的基础上。

图像检测火灾报警系统通过红外、可见光多频摄像机等采集火灾事件早期过热、火灾初期的烟雾或火焰图像，之后通过图像处理器中的视频分析软件，辨识出过热和火灾并进行告警，同时还能输出复合后的图像信息，通过网络传输到远端的监控中心。

火灾的发生一般要经历：过热且阴燃无烟阶段，阴燃且发出可见烟阶段，火焰、可见烟并存阶段。与常规探测器需要烟雾扩散或热量辐射到探测器本身且达到一定程度才能进行报警不同，图像检测火灾报警系统将会在第一时间捕捉火灾发展过程中出现的过热、可见烟和火焰，并进行分析和报警。

图像检测火灾报警系统的优点在于该系统可以直接将火灾现场的视频图像进行反馈，让监控人员和消防队等相关单位可以在远距离外就能掌控火灾发生发展的细节，为火灾报警系统可视化、快速反应提供了良好的解决方案。该系统的缺陷则是对摄像机本身的要求比较高，且单个摄像机的探测范围较小，一般探测摄像机的分布间隔不得超过100米，另外摄像机的探测易受到物品遮挡的影响而导致探测准确性下降。

六、结束语

通过对各类火灾报警系统工作原理的研究与分析，可以得出如下结论：不论是哪种火灾报警系统，火灾探测的基本原理就是用一种敏感元件对火灾气体、烟雾、温度和火焰等火灾信息作出有效反应，并通过对火灾信息参量的测量、分析、比较，来判断被测区域是否有火灾存在。

参考文献

[1] 陈南，建筑火灾自动报警技术，化学工业出版社，2006

[2] 袁青青、杨连武，火灾报警及消防联动系统施工，电子工业出版社，2010

[3] 赵英然，智能建筑火灾自动报警系统设计与实施，知识产权出版社，2005