HO-3000光纤光栅

隧道火灾监测系统技术方案

HO-3000光纤光栅隧道火灾监测系统

一.系统概述

HO-3000光纤光栅隧道火灾监测系统是我司研发的基于光纤光栅传感技术的新型火灾监测报警系统，通过实时检测光纤光栅温度传感器中心波长信号，实现隧道内部多个测点的温度在线监测和火灾报警。

光纤光栅传感器具有体积小、重量轻、无源检测、防电磁干扰、阻燃防爆、易于远程监测等优点，采用光纤光栅温度传感器的火灾监测系统具备以下*优点：

1. 将测点的温度变化转换成光纤光栅中心波长的变化，通过对光波波长的测量，获得测点的温度信息，从本质上消除了系统光功率波动、传输链路损耗变化对测量精度的影响，定温定位更加稳定精准。
2. *的光栅技术：使传感器的中心波长与安装位置一一对应，可以精确确定每个监测点位火灾的位置和温度曲线变化，易于确定事故位置。
3. 测量精度高，响应时间短。测温精度可达±1℃，温度采样时间小于0.2秒。
4. 传感器具有良好的重复性，长期稳定性好。
5. 具有定温和温升速率预警功能：在火情发生前期，温度变化异常情况时及时提前预警并报警，提前防范火情于未然，真正意义上做到实时火情监控，为人生生命和国家物资财产安全作出特殊的监测贡献。
6. 标准的以太网接口，且通信协议可以开放，利于上位机的软件兼容。

HO-3000光纤光栅隧道火灾监测主机通过以太网络与监控计算机进行通信，可实现远程集中监控；通过继电器接口与报警控制器相连，实现分区、分测点过温报警；通过多级可配置报警温度设置，实现火灾预警与报警。另外，系统的调试、区域设置、报警参数设置等操作均可在测温主机或远程监控计算机上完成，操作、维护方便。

此外，技术方案中的核心器件，选用国内**的扫描激光器，优于传统厂家核心部件的可动机械部件，整个设备不含任何可动的机械部件，稳定可靠，寿命可长达30年。

 *的全波段扫描激光器的解调方案，使得连接到设备的所有传感器均能定位，设备*自检功能，任何一个传感器故障或者报警，系统均可以精确定位到该传感器。大大缩短故障或者报警的定位时间，为排查故障点位，精确定位火情点，实施火情预判功能消除火灾隐患节约时间。

二.工作原理

HO-3000光纤光栅隧道火灾监测系统基于光纤光栅温度传感技术，利用光纤光栅的温度敏感特性，通过隔离应力、应变的封装结构，实现对温度变化的精确测量。

光纤光栅是近年来发展起来的一种新型传感技术，它是利用光纤芯层材料的光敏特性配合增敏处理，通过紫外曝光的方式在光纤芯层产生一段周期性的折射率变化，形成Bragg光栅结构。

 Bragg光栅具有窄带反射的特性，一个宽谱的入射光（带宽约40nm）经过光纤光栅后，只有满足波长匹配条件的极小谱宽的光信号被反射（3dB带宽约0.15nm），其余波长的光信号透射进入下一个光纤光栅，如图1所示。反射光的中心波长与Bragg光栅的栅格周期、光纤芯层的折射率成正比。

由于光纤材料自身的热胀冷缩和热光效应，当环境温度变化时，光纤光栅的栅格周期以及光纤芯层的折射率都会发生变化，使得光纤光栅的反射光中心波长随之改变。通过对反射光中心波长的数字化精确测量，既可获得待测温度的变化情况。

一个典型的单通道光纤光栅传感系统如图2所示，若干个不同中心波长的光纤光栅传感器串联成一个传感器阵列，宽带光源发出的光信号经过光纤光栅传感器阵列反射后，进入到波长检测系统，完成光电信号的转换、采集和处理，获得每个传感器的温度测量值。作为整个光纤光栅传感系统的核心，波长检测系统的性能直接决定了整个传感系统的性能。

对光纤光栅反射光中心波长的检测有多种不同的方案，HO-3000系统将反射光通过一个散射分光成像系统（如图3所示），利用光电探测器阵列获得整个40nm带宽范围内所有光纤光栅的反射光谱信息，利用*的光谱分析技术，通过对光谱曲线的分析与处理，精确获得每个反射峰的中心波长值。结合预先设定传感器温度敏感参数，计算得到每个光纤光栅传感器所在位置的温度信息。整个波长检测系统无可动部件，相对可调谐滤波器波长解调方案，避免了由于可调谐滤波器压电陶瓷老化特性带来的长期稳定性问题，系统可靠性高，长期稳定性好。

三.系统特点

HO-3000光纤光栅隧道火灾监测系统是根据公路、地铁隧道等消防安全监测的实际需求，结合先进的光纤光栅传感技术研制开发的新型温度监测报警系统。和其他感温火灾监测系统相比，本系统具有如下特点：

1. 本质安全，防燃防爆

HO-3000系统测温部分采用全光纤结构，真正实现了无源温度监测，自身不带电，不发热，不会因为传感系统的布设带来安全隐患。

1. 测温精度高

整个温度传感系统的温度分辨率为0.1℃，温度测量精度为±2摄氏度，并且系统测量精度和温度分辨率不随光缆长度、温度测点个数的增加而降低。

1. 响应时间短

本系统采用并行光谱采集处理技术，每通道的测量时间与通道内的传感器个数无关，每通道的光谱数据采集实现小于2毫秒，加上数据处理以及与外部通信，每通道温度刷新时间不大于0.2秒，并且与温度分辨率、测量精度无关。

1. 实时在线监测

本系统能够对隧道中所有测点的温度进行7x24小时不间断监测，并且可根据需要定时保存温度测量数据，为隧道的结构健康监测提供辅助数据。

1. 精确的空间定位

光纤光栅温度传感属于准分布式温度测量，一个传感器与一个测点对应，并且每个传感器具有全局性。通过监测软件可以精确确定发生过温报警的传感器位置，定位偏差仅为传感器布设间距的一半（约3米）。

1. 灵活的报警控制

用户可以直接远程登录主机或通过远程监测软件，对整个火灾报警系统的报警参数进行设置，并可根据传感器位置及当期气候条件，对每个传感器的报警温度进行分别设置，也可设置多级报警条件，如温度预警、温升预警、温度报警和温升报警等，结合实测温度和温度变化情况对真实的火灾事故进行甄别，基本消除误报和漏报。

1. 完善的自我诊断功能

本系统中每个光纤传感通道上的每个温度传感器具有波长性，任何一个传感器的损坏包括断纤都可以监控软件中精确定位。系统每进行一次温度测量的同时进行系统的自我检测与诊断，实时发现传感器失效和光缆损坏，以便于及时的维修与维护。

1. 强大的软件功能

远程监测软件通过网络与测温主机进行通信，在人机界面上实时显示每个温度测点的位置、温度值、温度变化情况等。当测量温度大于预设报警温度时，测温主机触发报警控制器动作，启动喷水降温装置或灭火装置，监控软件亦能触发软件界面的声光报警，提醒值班人员尽快处理。同时操作人员还可以对每个温度测点的历史温度数据、报警纪录进行多条件查询，生产安全运行报表等。

四.系统组成

HO-3000光纤光栅隧道火灾监测系统主要由以下六部分组成：

• 光纤光栅温度传感器阵列
• 传输光缆
• 信号处理系统
• 火灾报警控制器
• 手动报警模块
• 光纤通信模块

五.安装施工

1. HO-3000光纤光栅隧道火灾监测系统传感链路安装示意图

1. 光纤光栅温度传感器布设示意图

根据项目的需求测温主机配8个通道测温主机，每个光纤通道可连接一条测温光纤光栅传感器阵列，一条测温光纤光栅传感器阵列由20只温度传感器组成，传感器阵列中的每只传感器间距10米，每条传感器阵列可检测200米。

1. 安装流程

1. 温度传感器阵列部分

温度传感器阵列通常安装在隧道顶部，距隧道顶10~20厘米，以保证传感器周围良好的空气流动。

1. 使用电锤，根据膨胀螺栓的大小选择钻头，在隧道顶中间打孔，将支架每隔20米安装一个，一般每个支架至少用三支膨胀螺栓固定。

1. 安装钢绞线，从洞口位置先把钢索一端牢牢固定在支架上，然后依次把钢索轻轻固定在支架卡槽，制药可以挂住钢索不掉落即可，连续200米左右，使用钢索拉力器将钢索拉直（此时拉力非常巨大，确保*个固定支架的牢固性，以防钢索弹回发生危险），依次把支架中的固定夹拧紧，保证钢索与隧道顶平行。

1. 安装光纤光栅链路，先把条链路以滚轮的方式轻轻展开，以尾端开始从隧道口安装，没隔两米使用挂钩将链路挂到钢索上。尾端使用扎带固定以防花落挂钩，链路应以松弛状态挂在挂钩上。安装完毕*条，第二条则以首端开始，使两串链路首首相接，首端两只传感器间距10米，剩余首端光纤通过开槽埋管的方式从隧道顶端穿到弱电电缆沟中，依次将8条链路安装完毕。

1. 传输光缆部分

传输光缆采用标准G652型铠装通信光缆，从离主控室远的两串链路引导电缆沟位置开始敷设到集控室内。链路引到电缆沟位置预留5米光缆，以方便光纤熔接。如图11

1. 测温主机

测温主机（副机）安装在隧道设备室的19英寸机架上，采用220V交流供电。当温度传感器阵列可通过传输光缆连接到主机的输出通道上。

1. 火灾报警控制器部分

火灾报警控制器和测温主机一起安装在隧道设备机架上，采用220V交流供电，通过RS485接口与主机通信。

1. 手动报警按钮部分

手动报警按钮安装在隧道侧面，安装位置距地面1.4m，安装间隔为50米，连接线为双绞线，穿管敷设至设备隧道洞，与火灾报警控制器连接。

六.系统设计

在隧道火灾监测报警系统设计时，除遵守国家法律法规要求外，还要根据实际情况选择合适的系统配置，以便于设计出一个可靠、经济、实用的火灾自动报警监控系统。

项目中隧道设计案例。

1.      1.63公里隧道

主要参数：

温度测点个数：160个

单条传感器阵列监测距离：200米

温度测点间距：10米

主要设备：

8通道HO-3000型测温主机：1台   

光纤光栅温度传感器阵列JC-W02：8条

监测软件（JC-SOFT）：1套

传输光缆：12芯多心光缆1.8公里

研华工控机IPC-610