光谱吸收型光纤传感器在智能楼宇消防系统中的应用研究

张华军，王荣琤

(1.江苏联合职业技术学院南京分院，江苏南京210019；2.南京高等职业技术学校，江苏南京210019)

光谱吸收型光纤传感器在智能楼宇消防系统中的应用研究

张华军1,2，王荣琤1,2

(1.江苏联合职业技术学院南京分院，江苏南京210019；2.南京高等职业技术学校，江苏南京210019)

该文介绍了现阶段智能建筑中火灾报警探测器的不足，提出了以光谱吸收型为基础的光纤传感器在火灾可燃气体检测报警探测中应用的广阔前景，分析了光谱吸收型传感器的工作原理及其相对于传统探测器的优势，指出了其不能在智能消防工程广泛的原因和解决方法。

智能消防；火灾报警；气体检测；光谱吸收型；光纤传感技术

Abstract：This discourse introduces the intelligent building fire alarm detector,the optical fiber sensor with spectral absorption type Based on the broad prospect of application in the detection of combustible gas detection and alarm of fire,analyzes the spec⁃trum absorption principle of sensor and its relative to the traditional detecting advantage,pointing out that it cannot in intelligent fire protection engineering extensive and solutions.

Key words：intelligent extinguishing and protection;fire alarm;Gas detection;Spectral absorption;optical fiber sensing technology

1 概述

智能建筑是以建筑物为平台，基于对各类智能化信息的综合应用，集架构、系统、应用、管理及优化组合为一体，具有感知、传输、记忆、推理、判断和决策的综合智慧能力，形成以人、建筑、环境互为协调的整合体，为人们提供安全、高效、便利及可持续发展功能环境的建筑。从而，智能建筑的迅速发展也给消防带来了严峻的挑战，一方面是因为目前的智能建筑大多数都是高层建筑，高层建筑的特点是建筑楼层高、建筑面积很大、建筑内人员密集、并且设备和材料较多，竖井很容易产生烟囱效应，使得引起火灾的可能性会增大；另一方面是由于现代化的智能建筑比传统的高层建筑引入了较多的技术先进、功能齐全、价格昂贵的建筑智能化设备和系统，如果发生火灾后果不堪设想。

自1984年美国哈特福德市的第一座智能大厦建成以来，智能建筑在世界各国陆续出现。在智能建筑中，火灾自动报警及消防联动控制系统(简称消防系统)是楼宇智能化系统中非常重要的一个子系统，智能楼宇是现代化信息技术发展的产物，是计算机技术及传感器技术应用的重要体现。消防系统作为智能建筑的重要子系统之一，必须与传感技术、自动控制技术、现代电子技术、计算机控制技术以及信息技术等各种技术很好的结合，从而适应现代化智能建筑的发展需要。

2 火灾探测传感器介绍

2.1 消防系统中火灾报探测传感器的作用

建筑消防系统的核心是火灾报警监测技术，它是预防和遏制智能楼宇火灾发生的重要前提条件。火灾探测器是火灾自动报警系统的前端重要部件之一，它在整个系统进行工作期间，犹如系统的感觉器官，能不间断地监测所监控区域火灾初期的信号。在火灾报警探测器中的核心部件是传感器，其性能的好坏直接决定能否快速准确的识别火灾，起到迅速识别的作用。

2.2 现阶段火灾探测传感器存在的问题

近年来，我国火灾自动报警工程应用技术有了较大的发展，但由于在实际应用中，火灾自动报警系统与智能楼宇中的其他系统相互独立，火灾信号的自动报警技术还相对滞后，并存在以下几个方面的问题：

1)探测稳定性较低。传感器在工作状态下的基本响应稳定性，主要由它的零点漂移所决定。由其火灾发生的概率事件是小概率事件，长时间都会处于正常的工作状态，不能像传统探测器一样，探头易氧化，从而产生休眠模式，导致对探测气体不能作出反应。

2)误报、漏报问题较多。由于环境的适应性差，经常会受到各种因素的干扰，造成火灾报警系统误报、漏报情况较多

3)超早期火灾探测报警技术的应用还几乎处于空白。火灾发生的整个过程经历了阴燃阶段(没有明火，有大量烟雾)、初期阶段(局部产生明火，温度升高)、全部着火阶段(猛烈燃烧，温度急剧上升)和火势衰减阶段(可燃性物质全部烧尽)等几个阶段。火灾发现的越早越好，最好能在阴燃阶段的开始，这样就能及早的发现火灾，消灭火灾，减少损失。

4)智能化程度低。由于传感器件探测的设计时，参数较少，缺乏对各种算法足够验证准确性等，火灾自动报警系统很难准确判断烟雾粒子的浓度、现场的温度以及可燃气体的浓度等指标，造成火灾报警系统报警准确率不高。

3 光谱吸收型光纤气体传感器

3.1 光谱吸收型光纤气体传感器概述

光谱吸收型光纤气体传感技术如图1所示，通过结合了光谱分析技术和现代光纤应用技术，将在实验室气体分析中应用的光谱分析技术应用到实际工程检测中。同时，通过利用光纤传播容量大、速度快、保密性好等优点，使光谱分析技术在远程遥测、探测灵敏度、多点智能化测量等方面有了重大的突破。

图1 光谱吸收型光纤气体传感器结构图

3.2 光谱吸收型光纤气体传感器的工作原理介绍

各种气体都有其自身固有的吸收光谱波长，当光源的发射光谱与气体的吸收光谱相同时,将会产生共振而吸收,该气体的吸收强度与其体积分数相关,可以通过测量出光谱的吸收强度，从而测量气体的体积分数。当一束光强为I0的输入光经过测量气体时,如果光源光谱覆盖一个或多个气体的吸收光谱,则光通过气体时因阻隔发生衰减。根据比尔-朗伯定律，当波长为λ的单色光在充有待测气体的气室中传播距离为L后，其吸收后的光强为：

上式中，I0(λ)为波长为λ的光源透过不含待测气体的气室时的光强；αλ为光通过介质的吸收系数；C为吸收气体的浓度。整理可得：

利用检测通气前和通气后光强的变化，从而测出待测气体的浓度，如图2所示。

图2 光谱吸收型光纤气体传感器原理框图

3.3 光谱吸收型光纤气体传感器在建筑消防系统中的检测原理

如果测出的气体为发生火灾的现场气体，如CO、NO2等，就能确定是否有火灾的发生。常见燃烧气体(CO、CO2、NO2)在石英光纤低损窗口都会产生泛频吸收线，如表1所示。在这一波段发光器件和接受器件都具有比较理想的特性，所以利用光谱的方法可以对多种气体浓度进行较高精度的测量。

表1 常见的燃烧气体在近红外波段的吸收线

3.4 光谱吸收型光纤传感器的优点

光谱吸收型光纤传感器具有较简单、可靠的气室结构和气体传感探头，采用的基于气体吸收谱测量的吸收型传感技术具有较高的测量灵敏度；具有快速的响应能力，并对环境温度、湿度等干扰具有较强的抵抗力，同时具有极高的不同气体的鉴别能力。仅作为信号传输线的传光型，其传输损耗相对较低。由光谱吸收型光纤传感器组成的检测系统可与中心计算机相连，能够实现多功能、智能化的要求。

4 光谱吸收型光纤气体传感器的应用

4.1 光谱吸收型光纤气体传感器应用现状

4.1.1 在煤矿井中的应用

正是因为光谱吸收型光纤气体传感器具有诸多的优点，特别是因其材质特性，具有耐高温高压，耐腐蚀，传输损耗小，且不受任何电磁干扰，适合于远距离遥测遥控等特性，使得它更适用于煤矿井下易燃易爆、环境恶劣的作业环境的要求。所以，这也是目前应用最有前景的应用之一。

4.1.2 在环境监测中的应用

只要适当地选择光源波长和光纤，就可以利用如图3所示的原理来设计测量各种不同气体(或浓度)的光纤传感器。

图3 光纤远距离测量系统的组成框图

4.2 光谱吸收型光纤气体传感器智能消防实用化障碍与对策

尽管光纤传感器相比于传统的传感器优势明显，但目前并没有大规模的采用这种新型传感器于建筑消防系统之中。主要原因之一是开发具有竞争性和实用性的传感器装置的价格相对较高，但可以采用新型的现代传感器件使其结构紧凑，降低成本；第二，应加强微弱信号检测技术的研究与开发，使得传感器准确度和灵敏度得到进一步提高，保证传感器的性价比；第三，可以通过现代计算机控制技术实现信号检测和处理的智能化，探索在单根光纤或少数几根光纤上实现多参数同时检测，使得光谱吸收型光纤气体传感器朝着小型多功能、智能化的方向发展。

5 结论

随着建筑智能化行业的飞速发展，城市智能建筑的自动化程度的日益提高，安全、高效、灵敏、能够实现提前预报的火灾气体探测技术将会有更大更广的市场需求，随着研究技术的不断提高，生产的技术不断改进，为了预防火灾发生，光谱吸收型光纤气体传感器必将在智能楼宇消防领域有一个广阔的应用前景。

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The Application of Optical Fiber Sensor Based on Spectral Absorption in the Fire Protection System of Intelligent Building

ZHANG Hua-jun1,2，WANG Rong-cheng1,2
(1.Jiangsu Union Technical Institute Nanjing Branch,Nanjing 210019,China;2.Nanjing Technical Vocational College,Nanjing 210019,China)

TP311

A

1009-3044(2017)24-0214-02

2017-07-13

南京市“十三五”重点规划项目：建筑智能化综合创新实训基地的研究与实践(编号：L/2016/031)

张华军(1983—)，男，江苏南京人，楼宇智能化专业教研室主任，讲师，主要研究方向为高职教育、建筑智能化控制技术；王荣琤(1989—)，男，江苏南京人，助教，硕士，主要研究方向为高职教育、建筑智能化控制技术。