火灾报警中分布式光纤温度传感系统设计

   1 引 言

   分布式光纤感温技术是一种实时的、在线的、多点的温度传感技术，是近年来发展起来的一种可用于实时测量温度场的新技术。在分布式光纤温度传感系统中，光纤既是传感器又是信号传输的通道，系统利用光纤所处空间温度场对光纤中的后向散射光信号进行调制，再经过信号的解调、采集和处理之后将温度信息实时地显示出来。在时间上，利用光纤中光波的传输速度和后向光回波的时间差，结合OTDR技术对所测得的温度点进行准确定位。分布式光纤传感系统由于其抗干扰力强、耐腐蚀、耐高温等特性，在很多高温、高热等恶劣环境下具有特殊的优势，近年来已经广泛地应用于煤矿、隧道的火灾自动报警系统，也可用于油库、危险品库、军火库的火灾报警系统。

  2 系统主要原理及可行性设计 分布式光纤传感技术是将光纤沿温度场铺设，利用光纤几何上的一维特性进行测量，它把被测量作为光纤位置长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的测量，为工业和研究领域提供了同时获取被测物理参量的空间分布状态和随时间变化的信息的手段。 火灾报警系统主要是要求对温度的响应要快，定位要准，误报漏报少，设备简单。同时根据起火时刻的特征，在起火点附近的环境温度会发生跃变，而不同于一般情况下空气温度的缓慢变化。设计方案：沿被测物理量(温度)的分布场铺设光缆，并在光纤上安装多个形状记忆合金探头。激光光源从光纤入射，光在传输过程中产生后向散射光返回光入射处。在火灾发生的初期，环境温度的升高使记忆合金探头发生收缩，从而导致光纤形变，引起光纤的微弯损耗，在光注入处用光探测器件(APD)可将后向Rayleigh散射光采集到中心控制室进行数据的分析和处理。分析光纤中衰减系数的动态变化，当某点的衰减系数达到报警条件时系统就会自动报警。系统的原理框图，如图1所示。图1 分布式光纤温度传感系统框图

   2．1 形状记忆合金探头 形状记忆合金(SMA)是智能结构常用的驱动材料。形状记忆效应可描述如下：在高温条件下具有特定形状的物体(合金材料)，在低温时对其施加外部应力使其产生塑性变形，当对其进行加热时将保持初始(记忆)形状(即在高温时的形状)。 材料的形状记忆效应按其在被加热恢复其高温相状态下的形状后又被冷却的条件下，其形状的变化情况可分为三种：单程记忆效应、双程记忆效应和全程记忆效应。如又被冷却后依然保持其高温相形状则称为单程形状记忆效应；如恢复到低温相形状则称为双程记忆效应；如恢复为高温相形状但取向相反则称为全程形状记忆。 在火灾报警系统中根据用户的要求可选择各种恢复温度下的探头。本传感系统中采用的是在66℃时发生形变的具有双程记忆效应的NiTi合金探头。当这种探头周围的环境温度到达66℃时，会发生形变，从而在所处位置对光纤产生拉力，导致光纤发生形变。

2．2 光时域反射(OTDR)技术 OTDR是利用分析光纤中后向散射光或前向散射光的方法，测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，通过显示损耗与光纤长度的关系来检测外界信号场分布于光纤上的扰动信号。 光纤上距离始端Z处长度为dZ的一段光纤上产生的后向散射光传播至光纤始端的光功率可以用(1)式表示为： S--后向散射因子； W--注入光脉冲的宽度； Vg--传输光的群速度； Na--光纤的数值孔径。 在使用探头使光纤发生形变的系统中可以看出：衰减系数at的变化直接影响了P(Z)，所以外界因素引起的沿光纤长度上的某一点散射信号的变化可以用OTDR技术探测而不受其他点的影响。注意这里说的"某一点"实际是dZ＝W·Vg／2的光纤长度。dZ段内所有的后向散射光在同一时刻t到达始端，而dZ外的后向散射光在不同于t的时刻到达。dZ实际就是分布式光纤传感器的空间分辨率。 在使用OTDR技术的传感系统中，通过PC采集到的曲线是光强I与时间T的函数。但是考虑到系统主要是探测衰减系数at的变化。可以把采集到的光强I一空间距离Z信号在PC上转化为衰减系数at一空间距离Z的函数，并绘出直观的曲线图。

  2．3 基于后向Rayleigh散射测量光纤中的微弯衰减 在光纤中的光导波到达光纤微弯变形处以前，以大于临界角的角度在纤芯中传播(全反射条件)，光纤中的导波分布如图2所示。而当光线到达光纤微小变形处时，在纤芯一包层界面上发生的相继反射中，光以小于临界角的角度入射到界面表面，结果一部分光就辐射到包层中去了，

图2可看到在光纤之外有辐射波，这意味着光在光纤中传播时被衰减了。 图2 光纤微弯损耗示意图 后向散射法是将大功率的窄脉冲光注入待测光纤，然后在同一端检测沿光纤轴向向后返回的散射光的功率。由于主要的散射是瑞利散射，且瑞利散射光的波长与入射光的波长相同，其光功率与入射点的光功率成正比。因此，测量沿光纤轴向返回的后向瑞利散射光功率就可以获得沿光纤传输损耗衰减信息，从而可以检测到光纤的衰减。它可以提供光纤衰减与长度关系的详细信息。研究基于瑞利背后散射的分布式光纤传感器正是采用后向散射法的原理测量光纤的损耗点的位置，而这些损耗是由探头在温度的作用下使夹在其中的光纤弯曲引起的。 对于均匀、连续、无接头和缺陷的光纤，后向散射法测量衰减的结果是足够准确的。以图3中的均匀段如斜率为常数的ab段为例，可以计算出衰减系数。由于经过正向和反向两次衰减，因而ab段的衰减和衰减系数可按(2)式(3)式计算：

图3 后向散射测量光纤衰减曲线 衰减曲线横坐标的长度标尺可以通过时标换算出来，即可以根据光在光纤中的传播速度和传播时间换算成长度。将(3)式改写为： 式中：把光纤细分为N段，Δai(λ)为第；段的损耗系数；Ui+1：为第i段光纤的末端的返回光电压；Ui为第i段光纤前端的返回光电压。传感光纤在正常情况下各小段的衰减系数基本上绕着一个固定值即平均值以很小的幅度变化。当外界温度发生突然变化(急剧上升)，则处于该处的夹在探头中的光纤在探头的作用下，衰减系数也会突然发生变化，其变化幅度如果超出警戒阈值则视为火灾报警，以此判断报警点的空间位置。

   2．4 光探测器--雪崩光电二级管(APD) 在许多接收信号的光探测系统中都使用APD作探测器。其原因是该器件的量子效率高，具有内部增益，可将光电信号倍增上百倍，而倍增后的噪声仅与放大器自身噪声水平相当，从而大大提高了接收系统的信噪比。实践证明，APD的雪崩增益(响应度)是环境温度和偏置电压的函数，其关系如图4所示。电压／V 图4 APD1.06um时响应度(增益)一温度一偏压曲线 APD在长时间的工作中会导致APD自身温度的变化。从图4可知，为了避免自身温度变化对APD量子效应的影响，使APD以恒定的增益工作，可以通过保持APD环境温度不变和偏置电压恒定达到。恒温恒压法的框图如图5所示。此方法能在较大的温度变化范围内保持增益恒定，通常精度不会超过±0.1℃。当环境温度变化0.1℃时，引起的输出电压的变化率为3％，基本上满足传感系统的要求。 图5 APD的恒温恒压系统框图

  2．5 火灾报警的软件设计 利用高速采集卡可以将光纤上反映的温度场信号每隔1 m进行采集。首先要对采集到的数据进行线性拟合，以提高系统的精度和准确度。然后对采集到的数据进行报警条件的判断。采用衰减系数比较方式进行判断：即对采集到的数据先计算出整个光纤的衰减系数的平均值 ，在这个动态的平均值上加一个Δa作为判断标准。当温度升高，光纤弯曲处的曲率半径减小，衰减系数相应增大，如果在某时刻某处的衰减系数大于 +Δa，则说明此处发生了火灾，系统报警。因为衰减系数Δa对应着温差ΔT，所以实际上这是一种差温测量法。这样可以消除非起火条件下由于温度的突变导致的误报警，并且可根据具体使用传感系统的环境设置Δa，设置适当的报警温差阈值。

  3 系统稳定性分析 在实际应用中影响整个系统稳定性的因素主要有：APD的温度漂移、光源(LD)的温度漂移、光时域反射计的性能以及A／D、D／A转换的精度等。经过上述对各个部分的分析以及采取相应的措施，整个系统的稳定性可以得到大幅度提高，同时各个部分的精度均能达到要求。

  4 结束语 对于可利用在工业应用中的火灾和热探测设备，目前可以提供隧道火情预警和火灾过热报警的最有效的方法就是光纤分布式温度监测系统。该系统具有测量范围宽，抗干扰能力强，集传感与传输于一体，可实现远距离测量等优点，可以实现沿温度场的在线监测报警，并且稳定可靠。 但是实际应用中还有不尽人意之处。可以通过分析复合火灾信号，利用模糊处理方法，将复合火灾传感信号的特征信号(输出信号的幅度、持续时间、变化量等)模糊化，根据模糊推理原则得出无烟明火、阴燃火、有烟明火等探测结论，采用质量中心法以得到报警或不报警的系统输出，或者可以采用多判据探测报警等。总之，在火灾报警研究领域仍然存在很多问题尚待进一步研究。