光纖分布式溫度檢測在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用

1、光纖分布式溫度檢測在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用陳琨 舒慧慧摘 要：本文敘述了光纖分布式溫度檢測系統(tǒng)的工作原理，介紹了光纖分布式火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)（DTS）的組成及主要性能、使用方法及注意事項(xiàng)。關(guān)鍵詞：光纖 溫度 火災(zāi) 報(bào)警分布式光纖感溫技術(shù)是近年來發(fā)展起來的一種實(shí)時(shí)、在線、多點(diǎn)的溫度傳感技術(shù)，可用于實(shí)時(shí)測量溫度場。在分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)中，光纖既是傳感器又是信號(hào)傳輸通道，系統(tǒng)利用光纖所處空間溫度場對(duì)光纖中的向后散射光信號(hào)進(jìn)行調(diào)研，再經(jīng)過信號(hào)調(diào)解、采集和處理將溫度信息實(shí)時(shí)顯示出來。在時(shí)間上，利用光纖中光波的傳輸速度和后向光回波的時(shí)間差，結(jié)合OTDR技術(shù)對(duì)所測溫度點(diǎn)進(jìn)行準(zhǔn)確定位。分布式光纖感溫系統(tǒng)中的檢測光

2、纖不帶電、抗射頻和電磁干擾，防燃、防爆、抗腐蝕、耐高壓和強(qiáng)電磁場、耐電離輻射，能在有害的環(huán)境中安全運(yùn)行，在很多高溫、高熱等惡劣環(huán)境下具有特殊優(yōu)勢，近年來已廣泛應(yīng)用于煤礦、隧道的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)，也可用于油庫、危險(xiǎn)品庫、軍火庫、工礦企業(yè)的生產(chǎn)車間、智能大廈、民用建筑屋內(nèi)的溫度檢測和火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)。一、工作原理光纖用作溫度探測器的主要依據(jù)是其光時(shí)域反射（OTDR：optical time domain reflectome-try）原理及背向拉曼散射（Raman Scat-foring）溫度效應(yīng)。DTS系統(tǒng)根據(jù)ORDR原理進(jìn)行分布式溫度探測和跟蹤，系統(tǒng)工作原理為：光纖溫度激光雷達(dá)中采用雷達(dá)技術(shù)，激光

3、光源沿光纖注入光脈沖，脈沖大部分能傳到光纖末端并消失，但一小部分拉曼散射光會(huì)沿光纖反射回來，對(duì)這一后向散射光進(jìn)行信號(hào)采集并在光電裝置中進(jìn)行分析，從而提供溫度信息。當(dāng)頻率為V0（假定中心波長為1300nm）的激光入射光纖中，光纖中的分子會(huì)對(duì)入射光產(chǎn)生散射。散射光譜中，除與入射光頻率V0相同的中心譜線外，其兩側(cè)還存在（V0-v）及（V0+v）兩條譜線。中心譜線為瑞利散射譜線，低頻一側(cè)頻率（V0-v）波長為s的譜線稱為斯托克斯線（Stokes），高頻一側(cè)頻率（VV0-v）波長為as的譜線稱為反斯托克斯線（Anti-stokes），跟據(jù)拉曼散射理論，在自然拉曼條件下，反斯托克斯光強(qiáng)Ias與斯托克斯光強(qiáng)

4、Is之比為：R（T）=Ias/Is=（s/as）exp（-hcv/KT）（1）式中：as=1229nm，為反斯托克斯光中心波長s=1378nm為斯托克斯光中心波長H=6.62×10-34J.sec,為普郎克常量C=3.0×108m/s為真空中光速V:440cm-1,為喇曼頻移波數(shù)K=1.38×10-23J.K-1,為玻爾茲曼常數(shù)T,為絕對(duì)溫度從式(1)看出,比值R(T)僅與溫度T有關(guān)而與光強(qiáng)、入射條件、光纖彎曲、壓力變化及光纖幾何尺寸等無關(guān)。因此可借助探測反斯托克斯及斯托克斯后向拉曼散射光強(qiáng)之比值R（T）實(shí)現(xiàn)溫度絕對(duì)測量，再利用光時(shí)域反射計(jì)（OTDR）實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度場

5、空間分布及時(shí)間變化信息的探測。二、基本構(gòu)成及主要性能1、系統(tǒng)基本構(gòu)成（1）火災(zāi)報(bào)警控制主機(jī)：內(nèi)置繼電器、RS232接口、LED、MODBUS、DRUT（2）探測光纖及光纖接線盒（3）智能型反饋/控制模塊（4）火災(zāi)報(bào)警計(jì)算機(jī)（5）聲光報(bào)警器（6）智能型手動(dòng)報(bào)警按鈕火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)放置在管理中心的控制室內(nèi)，與火災(zāi)報(bào)警控制器相連，將報(bào)警信號(hào)通過繼電器輸出上傳給火災(zāi)報(bào)警器，從而實(shí)現(xiàn)聯(lián)動(dòng)控制。同時(shí)，火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)主機(jī)通過與一臺(tái)專用的控制電腦（火災(zāi)報(bào)警計(jì)算機(jī)）相配接，將所測環(huán)境內(nèi)任何一點(diǎn)的實(shí)時(shí)溫度通過分布曲線直觀的顯示出來。2系統(tǒng)主要性能（1）溫度實(shí)時(shí)監(jiān)控應(yīng)用光纖分布式感溫火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)，無論平時(shí)還是災(zāi)時(shí)，所

6、測的煤礦、隧道或其他環(huán)境溫度都可用圖形或溫度數(shù)字筐形式實(shí)時(shí)顯示在本地CRT上，并在報(bào)警時(shí)使軟件界面自動(dòng)彈開，強(qiáng)制以最高優(yōu)先級(jí)顯示給操作人員，做到早期預(yù)警，誤報(bào)率極低。（2）分布式DTS系統(tǒng)為分布式測溫，連續(xù)監(jiān)測信號(hào)，任意溫度點(diǎn)報(bào)警。即時(shí)顯示最長可達(dá)4-12KM范圍內(nèi)每隔1M各點(diǎn)的溫度變化。（3）先進(jìn)性DTS光纖分布式溫度檢測系統(tǒng)是在線監(jiān)測的最有效手段，技術(shù)非常成熟完善，在國外已取代傳統(tǒng)的線性感溫材料。通過采用不同的外護(hù)套材料，DTS監(jiān)測系統(tǒng)可適應(yīng)各種環(huán)境。發(fā)生火災(zāi)時(shí)現(xiàn)場操作人員可根據(jù)實(shí)時(shí)溫度曲線變化及文本記錄溫度表的溫度值來評(píng)估火災(zāi)現(xiàn)場情況，判斷火災(zāi)蔓延趨勢，為現(xiàn)場人員及時(shí)拯救、滅火及相關(guān)控制

7、操作提供依據(jù)和數(shù)據(jù)。（4）準(zhǔn)確性DTS系統(tǒng)可在終端上清晰顯示所測線路內(nèi)部第一點(diǎn)的溫度變化，進(jìn)行精確的溫度數(shù)值輸出與空間空位。終端機(jī)內(nèi)的激光發(fā)射裝置每秒鐘會(huì)發(fā)射上萬次光脈沖，并將取樣溫度平均值輸出到顯示系統(tǒng)，基本消除誤差。DTS可根據(jù)用戶設(shè)定的每個(gè)防火分區(qū)的平均溫度值、最高溫度值、溫升速率報(bào)警，且每秒報(bào)警都有預(yù)報(bào)警，在預(yù)報(bào)警后可由人工手動(dòng)確認(rèn)報(bào)警，系統(tǒng)也可自動(dòng)在預(yù)報(bào)警后3s再次核實(shí)溫度而自動(dòng)報(bào)警，避免了誤報(bào)的可能性。（5）靈活性DTS監(jiān)測系統(tǒng)是一個(gè)連續(xù)的監(jiān)測信號(hào)，可設(shè)置多個(gè)定溫報(bào)警值，如：30初報(bào)警，40預(yù)報(bào)警，50采取措施等，并可根據(jù)不同環(huán)境進(jìn)行修正。為避免誤報(bào)，在定溫報(bào)警的同時(shí)，可就溫升速度

8、進(jìn)行測量，并提供相應(yīng)多級(jí)報(bào)警信號(hào)輸出。報(bào)警控制區(qū)可編程，并可按照用戶要求進(jìn)行設(shè)計(jì)，針對(duì)環(huán)境變化設(shè)置200個(gè)不同報(bào)警控制區(qū)域。（6）擴(kuò)展性在精度允許范圍內(nèi)，可對(duì)標(biāo)準(zhǔn)測量距離進(jìn)行擴(kuò)充（降低部分技術(shù)指標(biāo)）。（7）兼容性系統(tǒng)可通過RS232標(biāo)準(zhǔn)接口及繼電器輸出與其他控制設(shè)備進(jìn)行互連，在消防應(yīng)用中可與任何消防報(bào)警控制主機(jī)連接，提供信號(hào)進(jìn)行聲光報(bào)警，信號(hào)輸出準(zhǔn)確、完整。光纜分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)可根據(jù)不同報(bào)警區(qū)分段、分級(jí)輸出信號(hào)，以適應(yīng)不同控制盤的需要。（8）安全性光纜分布式溫度監(jiān)測系統(tǒng)具備安全記錄功能，可儲(chǔ)存一年以內(nèi)的歷史數(shù)據(jù)，并可進(jìn)行有效審核；可通過調(diào)制解調(diào)器由專門工程師提供最低限度的系統(tǒng)遠(yuǎn)程診斷：DTS

9、系統(tǒng)可隨時(shí)進(jìn)行對(duì)主機(jī)與光纜本身安全性與有效性的自檢，任何因連接、熔接及外部受損引起的系統(tǒng)功能損傷，都能被主機(jī)探測到，并精確定位事故點(diǎn)、判斷事故原因，且可以方便地利用外部設(shè)備對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行修復(fù)，不影響系統(tǒng)正常工作：DTS系統(tǒng)的光纜探測器采用光信號(hào)傳輸，無電氣特性，本質(zhì)安全。三、使用方法及注意事項(xiàng)1、使用方法光纖分布式溫度檢測火災(zāi)報(bào)警是集傳感、數(shù)據(jù)采集與處理、顯示于一體的智能化高科技產(chǎn)品。因主機(jī)和被測對(duì)象之間只用光纜相連，可延伸至幾公里范圍，實(shí)現(xiàn)不帶電的遠(yuǎn)距離監(jiān)控，又因主機(jī)可智能化自動(dòng)工作，可在安裝完成并進(jìn)行系統(tǒng)初始化處理后實(shí)現(xiàn)自動(dòng)溫度測量、記錄和異常溫度報(bào)警等功能，實(shí)現(xiàn)無人值守，提高效率。光纖分布式

10、溫度傳感系統(tǒng)的使用大致分為：（1）安裝主機(jī)：要求放置在溫度為10-35、濕度低于70%的環(huán)境中，如果在此環(huán)境外使用則需要重新定標(biāo)。主機(jī)上配有FC活動(dòng)光纖插座，與測溫光纖近端的FC/APC活動(dòng)插頭匹配。探測光纜：系統(tǒng)的安裝實(shí)際上是測溫光纜的安裝，即如何把測溫光纖敷設(shè)在被測溫對(duì)象上，實(shí)現(xiàn)最準(zhǔn)確、有效的測量，保證所要求的測溫精度和空間分辨率。在實(shí)際應(yīng)用中，需要分布式測溫的場合是多樣的，因此測溫光纖的安裝方法也多樣。A.管狀被測溫對(duì)象（如電纜、管道、隧道）：直接把光纖鋪設(shè)到被測對(duì)象外表面，并加以固定，有條件的地方，可將光纖裝入套管嵌入測溫對(duì)象保護(hù)套內(nèi)，實(shí)現(xiàn)一體化。B.面狀被測溫對(duì)象（如油罐、鍋爐等）：

11、可依照其外部形狀和定位要求把光纖緊貼其表面并加以固定，或?qū)⒐饫w裝入套管直接埋入其結(jié)構(gòu)內(nèi)部。C.立體被測溫對(duì)象（如倉庫等）：可以把測溫光纖立地吊裝在倉庫的不同位置。（2）系統(tǒng)初始化在系統(tǒng)安裝后，開始測溫前，或在系統(tǒng)定期定標(biāo)前，需使測溫光纖處于常溫下，運(yùn)行系統(tǒng)初始化程序，記錄一條測溫光纖的傳輸曲線作為參考背景。（3）溫度測量、顯示與存儲(chǔ)運(yùn)行系統(tǒng)的測溫程序，根據(jù)主機(jī)所在環(huán)境溫度及測溫精度要求，在程序菜單中輸入環(huán)境溫度和數(shù)據(jù)平均次數(shù)，之后系統(tǒng)便自動(dòng)進(jìn)行溫度測量、顯示和存儲(chǔ)。典型的顯示方式是在計(jì)算機(jī)屏幕上顯示一條溫度隨距離的分布曲線；也可根據(jù)用戶需要，把光纖長度按所在區(qū)域分段，以直觀圖形界面顯示特定被測

12、溫對(duì)象的溫度；也可在程序菜單中根據(jù)實(shí)際物理環(huán)境設(shè)置預(yù)警、報(bào)警溫度值，一旦發(fā)現(xiàn)所測值超過標(biāo)準(zhǔn)設(shè)定報(bào)警值時(shí)，測溫光纜將向光纖測溫控制主機(jī)發(fā)出火災(zāi)報(bào)警信號(hào)，光纖測溫主機(jī)輸出繼電器動(dòng)作，消防報(bào)警主機(jī)通過模塊收到繼電器動(dòng)作監(jiān)視信號(hào)，系統(tǒng)確認(rèn)為火警。在監(jiān)控中心，可通過火災(zāi)監(jiān)控計(jì)算機(jī)觀察檢測環(huán)境內(nèi)的火情發(fā)生位置、所影響區(qū)域、火勢蔓延方向及現(xiàn)場信息。檢測對(duì)象劃分為幾個(gè)火災(zāi)報(bào)警區(qū)段，由于區(qū)段劃分與中央閉路電視攝像機(jī)的監(jiān)控范圍相匹配，在接收火災(zāi)信息后，可聯(lián)動(dòng)火災(zāi)發(fā)生區(qū)域的攝像機(jī)進(jìn)一步確認(rèn)并自動(dòng)錄像，并且火災(zāi)情況可在對(duì)應(yīng)閉路電視監(jiān)視器中直觀顯示。測溫程序根據(jù)菜單設(shè)定的時(shí)間間隔定時(shí)保存溫度分布曲線，曲線的文件名以當(dāng)時(shí)

13、時(shí)間命名。（4）歷史記錄查詢運(yùn)行歷史記錄查詢程序后，系統(tǒng)能夠顯示測溫光纖的特定距離點(diǎn)或該點(diǎn)的特定設(shè)備溫度在設(shè)定時(shí)間段內(nèi)的溫度變化曲線，以便對(duì)設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視，有利于設(shè)備的維護(hù)和檢修。2注意事項(xiàng)因?yàn)闇y溫光纖不但是信號(hào)載體，還是溫度傳感器，測溫主機(jī)及其它設(shè)備都是精密儀器，安裝質(zhì)量直接關(guān)系到測量的準(zhǔn)確性，因此，應(yīng)特別注意以下幾個(gè)方面：（1）托運(yùn)主機(jī)：注意防潮、防雨、防震。光纜：符合通信光纜的托運(yùn)要求。（2）安裝光纜：尾端應(yīng)密封，一者避免光線傷害眼睛，二者防止水氣進(jìn)入光纜內(nèi)部，影響其性質(zhì)，三者保證光纖清潔度，減少其反射；不能過力拉光纜，應(yīng)在允許最大拉力范圍之內(nèi)；光纜的彎曲半徑不小于最大允許值；光纖接頭必須保持清潔，為此可先鋪設(shè)光纖，再安裝接頭。主機(jī)：環(huán)境應(yīng)符合安裝要求；與光纜連接應(yīng)用密封連接盒，避免水氣進(jìn)入，同時(shí)可防止雷擊；嚴(yán)格記錄光纜所走路徑坐標(biāo)，以便準(zhǔn)確定位；安裝避雷針措施。（3）運(yùn)行運(yùn)行前檢查系統(tǒng)各處情況，完全確認(rèn)正常后才能打開主機(jī)；運(yùn)行中不能拔下光源連接頭，不能用眼睛看，以免損傷。（4）維修發(fā)現(xiàn)光纜斷裂時(shí)應(yīng)停機(jī)、更換光纖段，應(yīng)采用相同型號(hào)的光纖，并詳細(xì)記錄光纖段的位置和長度。四、結(jié)束語光纖分布式溫度檢測系統(tǒng)在火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)中的應(yīng)用，代表著火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的革新，該系統(tǒng)安裝方便、反應(yīng)靈敏、數(shù)據(jù)可靠、報(bào)警位置準(zhǔn)確。分布式光