分布式光纤在公路隧道火灾监控中的应用研究

周永刚

摘要 文章研究了一种基于光纤光栅传感器的新型火灾报警系统，以确定其在公路隧道火灾报警中的应用潜力。该系统已经过实验测试，并成功应用于国内多条公路隧道。结果表明，新型火灾报警系统具有定时报警和快速上升报警的能力;根据最高温度的位置可以快速精准地确定火灾地点;同时可以得到隧道内的温度分布和温度发展规律。

关键词 公路隧道;分布式光纤;火灾监控;现场试验

中图分类号 U453.8 文献标识码 A 文章编号 2096-8949（2022）05-0058-03

0 引言

公路隧道火灾是公路安全中最严重的安全问题之一，火灾往往造成巨大的损失。传统的火灾报警技术包括烟雾探测器、火焰探测器、气体探测器和基于电子的热探测器等，在建筑、工厂等领域都发挥着重要的作用。但公路隧道由于其自身功能与结构的限制，限制了常规火灾报警系统在公路隧道中的应用[1-3]。常见的原因如下所示：

（1）隧道内烟气浓度较高，限制了感烟探测器的应用。

（2）存在灰尘、烟雾、油污等严重污染，影响光探测器的可靠性和灵敏度。

（3）火灾报警系统的维护是一个非常困难的问题。如果在隧道内维修火灾报警系统，公路将面临中断问题，由此带来的经济损失将不可估量。

（4）温度范围宽泛。在以年为尺度的时间单位内，环境温度会有一定的波动，波动范围很广，因此系统应具备定温报警和升速报警功能，并可根据环境温度自动设置报警的温度阈值[4-6]。

因此，公路隧道火灾报警系统仍面临恶劣环境的挑战。光纤由于具有不受各种干扰发射、耐腐蚀、寿命长等特点，在各种環境中被广泛应用于信息的传输。光纤传感器（FBG）还具有抗干扰能力强、体积小、灵敏度高、多路复用等优点，将其应用于公路隧道火灾报警系统。基于拉曼散射的理论，分布式光纤温度传感器被认为21世纪最具有前景的新式传感器。光纤布拉格光栅（FBG）传感器技术最早发明于20世纪90年代。FBG用于传感的主要优势有：

（1）长距离、大范围监测。

（2）分布式不漏监。

（3）耐腐蚀、抗电磁干扰，长期稳定好。

（4）多参量测量技术。通过一根光缆，采用不同调制解调技术，可以实现对应变、温度以及震动等多变量感测。

（5）绝缘、无须现场供电。

（6）系统成本低，易于集成。

（7）测试精度高，定位精准。

该文研究了一种基于光纤光栅传感器的新型火灾报警系统，以确定其在公路隧道火灾报警中的应用潜力。对报警系统进行了实验测试，并论述了其部分应用情况。

1 原理与技术

1.1 光纤光栅温度传感原理

FBG传感器的基本原理已被一些论文和书籍介绍。光纤布拉格光栅是一种波长相关的滤波器/反射器，它通过在光纤的核心引入周期性折射率结构而形成。在光纤中注入光谱宽频带光源，光栅根据折射率变化周期反射布拉格波长处的窄带光谱成分。当FBG周围温度升高或降低时，由于热胀冷缩效应，周期也会升高或降低。所以反射光的波长是相应改变的。大量研究表明，FBG反射光波长的变化，即布拉格波长，与温度变化具有良好的线性关系。因此，可以通过检测反射光的波长偏移来精确地获得光纤光栅上的温度。

在实际应用中，光纤光栅封装在传感器头部。许多光纤光栅传感器由一根普通光纤连接。这些传感器可以设置在光纤上的任何一点。一般来说，测量的温度在50～150 ℃之间，这仅受光纤的耐久性或传感器的包装材料的限制。与传统的热探测器相比，FBG传感器对温度波动的响应更快，因为它的尺寸很小，通常小于1 cm。由于温度信息是由光波长获取的，而光波长在传输过程中是不可能改变的，光能量会随着光缆长度、光纤弯曲程度和光源的波动而变化，因此FBG传感器具有更高的温度测量精度。研制一种基于FBG传感器的火源监测系统，在测量位置精度与温度精度方面具有无与伦比的优势与抗干扰能力。

1.2 基于光纤光栅传感器技术的公路隧道火灾报警系统

FBG传感器作为火灾报警系统的一种有吸引力的替代方案，已在一些石化工厂中得到应用，但该技术在公路隧道火灾报警系统中应用还存在一些困难。

首先，光源波长带宽的限制与所需的光纤光栅传感器数量庞大之间存在冲突。众所周知，光纤光栅在波长1 550 nm附近的温度灵敏度为0.01 nm/CC，传感器中每个光纤光栅的3 dB带宽通常为0.2 nm。如果温度增加，波长会发生1 nm的偏移。另一方面，当温度下降100 ℃时，波长也会向相反的方向偏移1 nm。因此，每个传感器将使用2 nm的波长资源，这是同一传感光缆中其他传感器无法共享的。但光源的波长带宽一般为60 nm，单个FBG传感器至少需要2 nm，因此一根光纤电缆最多只能串联30个FBG传感器。然而，隧道往往很长，需要很多传感器才能采集到隧道沿线的所有温度信息。所需的传感器数量通常超过100个，在一些较长的隧道中可能达到数百个。如何在高速公路火灾报警系统中增加多路复用光纤光栅传感器的数量是当前最重要的问题。

其次，对反射波长进行解调，将波长转换为温度信息。但是用于波长解调的设备通常非常昂贵。如果有一些解调器设备，火灾报警系统的成本将非常高。如何降低解调器和火灾报警系统的成本是一个亟待解决的问题。

高速公路隧道FBG传感器火灾报警系统结构如图1所示。它包括光纤光栅传感器、传输光纤、解调器、火灾报警系统控制器和监控报警系统的用户界面。整个系统只有FBG传感器位于隧道内，另一部分可以集成在隧道外的控制室中，系统也可以由远程计算机访问。

在图1中，根据公路隧道火灾报警系统国家设计规范，将隧道按照从50～100 m的长度划分为几个测量分区。FBG传感器反射的一个波长对应一个测量的子区域，在子区域设置10～20个相同的FBG传感器。所有的子区域都用不同的布拉格波长λ1，λ2…λn来区分，如图2所示。例如，在布拉格波长为λ2的子区域中，有许多FBG传感器，可将其复用的数量设置为20个，但其布拉格波长是相同的。一旦任一传感器在该分区的温度发生变化，布拉格波长λ2也会相应变化。对于整个火灾报警系统的多个子区域，如果有30个测量子区域，则有600个光纤光栅传感器与30个不同波长复用。当一束广谱光束发射到一个子区域的每个FBG传感器上时，光源的部分波长和功率被反射，另一部分被传输到下一个子区域。反射光的波长标志着某一分区。所以沿着光纤的任何分区都可以检测到温度，反射布拉格波长的位移可以表示温度的变化。对于某一布拉格波长，位移速率对应温度的变化率，位移长度对应变化尺度。通过测量移频和移标，可以实现速度上升报警和定温报警。

在上面讨论的技术中，火灾的位置可以指向一个确定的分区，但分区中的位置不能指向。为了找到准确的火点和每个传感器，发明了编码FBG传感器技术。

2 公路隧道火灾报警系统的实验与应用

2.1 现场试验

为了验证上述观点，该文进行了公路隧道火灾报警实验。实验装置如图1所示。由于实验测量长度为60 m，所以没有测量分区，使用了13个传感器。

在该实验系统中，公路隧道为真实运营隧道，隧道尺寸为：宽9.8 m，高7.14 m，长100 m。13个不同布拉格波长的光纤光栅传感器每隔5 m通过光纤连接在一起，设置在隧道顶部，但距离隧道顶部0.5 m。因此，光纤光栅传感器距离地面约6.6 m。初始条件为：32 ℃，空气自然对流。火灾报警系统门限设置：定温报警45 ℃，升速报警0.2 ℃/s。

试验步骤如下：

（1）安装和调试火灾报警系统。

（2）通过火灾报警系统，每隔10 s记录隧道内温度分布。

（3）30 s后扑灭了大火，但记录时间又持续了30 s。

公路隧道的实验场景和照片如图3所示。火灾发生在距离隧道入口20 m处，位于传感器下方。坐标的原点应该在隧道的入口处。传感器安装在0 m、5 m、10 m、15 m、20 m等位置。火焰的高度约为2 m。燃烧了30 s后，火被扑灭了。然后，大量浓烟升起到隧道的顶部，沿着隧道蔓延。

试验结果表明，火场上方传感器首先在10 s处发出报警信号，该传感器位于火场上方20 m处。20 m附近的其他传感器也会在60 s内触发报警信号，表示温度或上升速率已经达到阈值。同时，系统软件可以获得大量的温度数据，如图4和图5所示。

图4为在60 s内火区部分测点的温度，图5为每隔10 s得到的隧道温度分布。从图4中可以看出，传感器在20 m处的温度在30 s内迅速上升，之后下降，火灾被抑制。25 m和30 m的传感器的温度在30 s后仍会上升，这是因为火焰熄灭后，炽热的浓烟会将传感器加热。由于空气对流，靠近入口的15 m处传感器的温度只缓慢上升。在图5中，可以清楚地看到火点在20 m。30 s后，最高温度下降，但其他点的温度因烟雾而升高。

综上所述，新的火灾报警系统能够实现固定温度报警和快速升温报警;根据最高温度的位置可以很容易地确定火灾地点;同时可以得到隧道内的温度分布和温度发展规律。由于热烟扩散到附近的传感器，灭火后温度不会立即下降，而是缓慢上升。

2.2 实际应用

基于上述理論和实验，研制了基于光纤光栅传感器的公路隧道火灾报警系统，并应用于国内多条公路隧道的火灾监测。实际报警系统与上述实验系统的唯一区别是前者有一些分区，后者没有分区。根据现场安装反馈和使用体验，与传统的火灾报警系统相比，如果安装正确，新型的火灾报警系统通常可以自动触发报警信号，而且不需要定期维护和测试。火灾的位置和发展可以以较高的测温精度直观地确定。

3 结论

该文介绍了一种基于光纤光栅传感技术的公路隧道火灾报警系统，实验和应用结果表明了光纤光栅传感系统在火灾报警中的应用能力。该报警系统具有恒温报警和快速升温报警功能，可根据最高温度位置方便地确定火场位置。

参考文献

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