HO-3000光纖光柵
隧道火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)技術(shù)方案
HO-3000光纖光柵隧道火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)
一.系統(tǒng)概述
HO-3000光纖光柵隧道火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是我司研發(fā)的基于光纖光柵傳感技術(shù)的新型火災(zāi)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，通過(guò)實(shí)時(shí)檢測(cè)光纖光柵溫度傳感器中心波長(zhǎng)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)隧道內(nèi)部多個(gè)測(cè)點(diǎn)的溫度在線監(jiān)測(cè)和火災(zāi)報(bào)警。
光纖光柵傳感器具有體積小、重量輕、無(wú)源檢測(cè)、防電磁干擾、阻燃防爆、易于遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，采用光纖光柵溫度傳感器的火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)具備以下*優(yōu)點(diǎn)：
- 將測(cè)點(diǎn)的溫度變化轉(zhuǎn)換成光纖光柵中心波長(zhǎng)的變化，通過(guò)對(duì)光波波長(zhǎng)的測(cè)量，獲得測(cè)點(diǎn)的溫度信息，從本質(zhì)上消除了系統(tǒng)光功率波動(dòng)、傳輸鏈路損耗變化對(duì)測(cè)量精度的影響，定溫定位更加穩(wěn)定精準(zhǔn)。
- *的光柵技術(shù)：使傳感器的中心波長(zhǎng)與安裝位置一一對(duì)應(yīng)，可以精確確定每個(gè)監(jiān)測(cè)點(diǎn)位火災(zāi)的位置和溫度曲線變化，易于確定事故位置。
- 測(cè)量精度高，響應(yīng)時(shí)間短。測(cè)溫精度可達(dá)±1℃，溫度采樣時(shí)間小于0.2秒。
- 傳感器具有良好的重復(fù)性，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。
- 具有定溫和溫升速率預(yù)警功能：在火情發(fā)生前期，溫度變化異常情況時(shí)及時(shí)提前預(yù)警并報(bào)警，提前防范火情于未然，真正意義上做到實(shí)時(shí)火情監(jiān)控，為人生生命和國(guó)家物資財(cái)產(chǎn)安全作出特殊的監(jiān)測(cè)貢獻(xiàn)。
- 標(biāo)準(zhǔn)的以太網(wǎng)接口，且通信協(xié)議可以開(kāi)放，利于上位機(jī)的軟件兼容。
HO-3000光纖光柵隧道火災(zāi)監(jiān)測(cè)主機(jī)通過(guò)以太網(wǎng)絡(luò)與監(jiān)控計(jì)算機(jī)進(jìn)行通信，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程集中監(jiān)控；通過(guò)繼電器接口與報(bào)警控制器相連，實(shí)現(xiàn)分區(qū)、分測(cè)點(diǎn)過(guò)溫報(bào)警；通過(guò)多級(jí)可配置報(bào)警溫度設(shè)置，實(shí)現(xiàn)火災(zāi)預(yù)警與報(bào)警。另外，系統(tǒng)的調(diào)試、區(qū)域設(shè)置、報(bào)警參數(shù)設(shè)置等操作均可在測(cè)溫主機(jī)或遠(yuǎn)程監(jiān)控計(jì)算機(jī)上完成，操作、維護(hù)方便。
此外，技術(shù)方案中的核心器件，選用國(guó)內(nèi)**的掃描激光器，優(yōu)于傳統(tǒng)廠家核心部件的可動(dòng)機(jī)械部件，整個(gè)設(shè)備不含任何可動(dòng)的機(jī)械部件，穩(wěn)定可靠，壽命可長(zhǎng)達(dá)30年。
*的全波段掃描激光器的解調(diào)方案，使得連接到設(shè)備的所有傳感器均能定位，設(shè)備*自檢功能，任何一個(gè)傳感器故障或者報(bào)警，系統(tǒng)均可以精確定位到該傳感器。大大縮短故障或者報(bào)警的定位時(shí)間，為排查故障點(diǎn)位，精確定位火情點(diǎn)，實(shí)施火情預(yù)判功能消除火災(zāi)隱患節(jié)約時(shí)間。
二.工作原理
HO-3000光纖光柵隧道火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)基于光纖光柵溫度傳感技術(shù)，利用光纖光柵的溫度敏感特性，通過(guò)隔離應(yīng)力、應(yīng)變的封裝結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度變化的精確測(cè)量。
光纖光柵是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新型傳感技術(shù)，它是利用光纖芯層材料的光敏特性配合增敏處理，通過(guò)紫外曝光的方式在光纖芯層產(chǎn)生一段周期性的折射率變化，形成Bragg光柵結(jié)構(gòu)。
Bragg光柵具有窄帶反射的特性，一個(gè)寬譜的入射光（帶寬約40nm）經(jīng)過(guò)光纖光柵后，只有滿足波長(zhǎng)匹配條件的極小譜寬的光信號(hào)被反射（3dB帶寬約0.15nm），其余波長(zhǎng)的光信號(hào)透射進(jìn)入下一個(gè)光纖光柵，如圖1所示。反射光的中心波長(zhǎng)與Bragg光柵的柵格周期、光纖芯層的折射率成正比。
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圖1 光纖光柵溫度傳感原理圖 |
由于光纖材料自身的熱脹冷縮和熱光效應(yīng)，當(dāng)環(huán)境溫度變化時(shí)，光纖光柵的柵格周期以及光纖芯層的折射率都會(huì)發(fā)生變化，使得光纖光柵的反射光中心波長(zhǎng)隨之改變。通過(guò)對(duì)反射光中心波長(zhǎng)的數(shù)字化精確測(cè)量，既可獲得待測(cè)溫度的變化情況。
一個(gè)典型的單通道光纖光柵傳感系統(tǒng)如圖2所示，若干個(gè)不同中心波長(zhǎng)的光纖光柵傳感器串聯(lián)成一個(gè)傳感器陣列，寬帶光源發(fā)出的光信號(hào)經(jīng)過(guò)光纖光柵傳感器陣列反射后，進(jìn)入到波長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)，完成光電信號(hào)的轉(zhuǎn)換、采集和處理，獲得每個(gè)傳感器的溫度測(cè)量值。作為整個(gè)光纖光柵傳感系統(tǒng)的核心，波長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)的性能直接決定了整個(gè)傳感系統(tǒng)的性能。
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圖2 光纖光柵傳感系統(tǒng)示意圖 |
對(duì)光纖光柵反射光中心波長(zhǎng)的檢測(cè)有多種不同的方案，HO-3000系統(tǒng)將反射光通過(guò)一個(gè)散射分光成像系統(tǒng)（如圖3所示），利用光電探測(cè)器陣列獲得整個(gè)40nm帶寬范圍內(nèi)所有光纖光柵的反射光譜信息，利用*的光譜分析技術(shù)，通過(guò)對(duì)光譜曲線的分析與處理，精確獲得每個(gè)反射峰的中心波長(zhǎng)值。結(jié)合預(yù)先設(shè)定傳感器溫度敏感參數(shù)，計(jì)算得到每個(gè)光纖光柵傳感器所在位置的溫度信息。整個(gè)波長(zhǎng)檢測(cè)系統(tǒng)無(wú)可動(dòng)部件，相對(duì)可調(diào)諧濾波器波長(zhǎng)解調(diào)方案，避免了由于可調(diào)諧濾波器壓電陶瓷老化特性帶來(lái)的長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題，系統(tǒng)可靠性高，長(zhǎng)期穩(wěn)定性好。
三.系統(tǒng)特點(diǎn)
HO-3000光纖光柵隧道火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是根據(jù)公路、地鐵隧道等消防安全監(jiān)測(cè)的實(shí)際需求，結(jié)合先進(jìn)的光纖光柵傳感技術(shù)研制開(kāi)發(fā)的新型溫度監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)。和其他感溫火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)相比，本系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：
- 本質(zhì)安全，防燃防爆
HO-3000系統(tǒng)測(cè)溫部分采用全光纖結(jié)構(gòu)，真正實(shí)現(xiàn)了無(wú)源溫度監(jiān)測(cè)，自身不帶電，不發(fā)熱，不會(huì)因?yàn)閭鞲邢到y(tǒng)的布設(shè)帶來(lái)安全隱患。
- 測(cè)溫精度高
整個(gè)溫度傳感系統(tǒng)的溫度分辨率為0.1℃，溫度測(cè)量精度為±2攝氏度，并且系統(tǒng)測(cè)量精度和溫度分辨率不隨光纜長(zhǎng)度、溫度測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)的增加而降低。
- 響應(yīng)時(shí)間短
本系統(tǒng)采用并行光譜采集處理技術(shù)，每通道的測(cè)量時(shí)間與通道內(nèi)的傳感器個(gè)數(shù)無(wú)關(guān)，每通道的光譜數(shù)據(jù)采集實(shí)現(xiàn)小于2毫秒，加上數(shù)據(jù)處理以及與外部通信，每通道溫度刷新時(shí)間不大于0.2秒，并且與溫度分辨率、測(cè)量精度無(wú)關(guān)。
- 實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)
本系統(tǒng)能夠?qū)λ淼乐兴袦y(cè)點(diǎn)的溫度進(jìn)行7x24小時(shí)不間斷監(jiān)測(cè)，并且可根據(jù)需要定時(shí)保存溫度測(cè)量數(shù)據(jù)，為隧道的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)提供輔助數(shù)據(jù)。
- 精確的空間定位
光纖光柵溫度傳感屬于準(zhǔn)分布式溫度測(cè)量，一個(gè)傳感器與一個(gè)測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)，并且每個(gè)傳感器具有全局性。通過(guò)監(jiān)測(cè)軟件可以精確確定發(fā)生過(guò)溫報(bào)警的傳感器位置，定位偏差僅為傳感器布設(shè)間距的一半（約3米）。
- 靈活的報(bào)警控制
用戶可以直接遠(yuǎn)程登錄主機(jī)或通過(guò)遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件，對(duì)整個(gè)火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)的報(bào)警參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，并可根據(jù)傳感器位置及當(dāng)期氣候條件，對(duì)每個(gè)傳感器的報(bào)警溫度進(jìn)行分別設(shè)置，也可設(shè)置多級(jí)報(bào)警條件，如溫度預(yù)警、溫升預(yù)警、溫度報(bào)警和溫升報(bào)警等，結(jié)合實(shí)測(cè)溫度和溫度變化情況對(duì)真實(shí)的火災(zāi)事故進(jìn)行甄別，基本消除誤報(bào)和漏報(bào)。
- 完善的自我診斷功能
本系統(tǒng)中每個(gè)光纖傳感通道上的每個(gè)溫度傳感器具有波長(zhǎng)性，任何一個(gè)傳感器的損壞包括斷纖都可以監(jiān)控軟件中精確定位。系統(tǒng)每進(jìn)行一次溫度測(cè)量的同時(shí)進(jìn)行系統(tǒng)的自我檢測(cè)與診斷，實(shí)時(shí)發(fā)現(xiàn)傳感器失效和光纜損壞，以便于及時(shí)的維修與維護(hù)。
- 強(qiáng)大的軟件功能
遠(yuǎn)程監(jiān)測(cè)軟件通過(guò)網(wǎng)絡(luò)與測(cè)溫主機(jī)進(jìn)行通信，在人機(jī)界面上實(shí)時(shí)顯示每個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的位置、溫度值、溫度變化情況等。當(dāng)測(cè)量溫度大于預(yù)設(shè)報(bào)警溫度時(shí)，測(cè)溫主機(jī)觸發(fā)報(bào)警控制器動(dòng)作，啟動(dòng)噴水降溫裝置或滅火裝置，監(jiān)控軟件亦能觸發(fā)軟件界面的聲光報(bào)警，提醒值班人員盡快處理。同時(shí)操作人員還可以對(duì)每個(gè)溫度測(cè)點(diǎn)的歷史溫度數(shù)據(jù)、報(bào)警紀(jì)錄進(jìn)行多條件查詢，生產(chǎn)安全運(yùn)行報(bào)表等。
四.系統(tǒng)組成
HO-3000光纖光柵隧道火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由以下六部分組成：
- 光纖光柵溫度傳感器陣列
- 傳輸光纜
- 信號(hào)處理系統(tǒng)
- 火災(zāi)報(bào)警控制器
- 手動(dòng)報(bào)警模塊
- 光纖通信模塊
五.安裝施工
- HO-3000光纖光柵隧道火災(zāi)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)傳感鏈路安裝示意圖
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圖11溫度傳感器陣列安裝示意圖 |
- 光纖光柵溫度傳感器布設(shè)示意圖
根據(jù)項(xiàng)目的需求測(cè)溫主機(jī)配8個(gè)通道測(cè)溫主機(jī)，每個(gè)光纖通道可連接一條測(cè)溫光纖光柵傳感器陣列，一條測(cè)溫光纖光柵傳感器陣列由20只溫度傳感器組成，傳感器陣列中的每只傳感器間距10米，每條傳感器陣列可檢測(cè)200米。
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圖12光纖光柵溫度傳感器布設(shè)側(cè)面示意圖 |
- 安裝流程
- 溫度傳感器陣列部分
溫度傳感器陣列通常安裝在隧道頂部，距隧道頂10~20厘米，以保證傳感器周?chē)己玫目諝饬鲃?dòng)。
- 使用電錘，根據(jù)膨脹螺栓的大小選擇鉆頭，在隧道頂中間打孔，將支架每隔20米安裝一個(gè)，一般每個(gè)支架至少用三支膨脹螺栓固定。
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圖13支架安裝示意圖 |
- 安裝鋼絞線，從洞口位置先把鋼索一端牢牢固定在支架上，然后依次把鋼索輕輕固定在支架卡槽，制藥可以掛住鋼索不掉落即可，連續(xù)200米左右，使用鋼索拉力器將鋼索拉直（此時(shí)拉力非常巨大，確保*個(gè)固定支架的牢固性，以防鋼索彈回發(fā)生危險(xiǎn)），依次把支架中的固定夾擰緊，保證鋼索與隧道頂平行。
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圖14鋼索安裝示意圖 |
- 安裝光纖光柵鏈路，先把條鏈路以滾輪的方式輕輕展開(kāi)，以尾端開(kāi)始從隧道口安裝，沒(méi)隔兩米使用掛鉤將鏈路掛到鋼索上。尾端使用扎帶固定以防花落掛鉤，鏈路應(yīng)以松弛狀態(tài)掛在掛鉤上。安裝完畢*條，第二條則以首端開(kāi)始，使兩串鏈路首首相接，首端兩只傳感器間距10米，剩余首端光纖通過(guò)開(kāi)槽埋管的方式從隧道頂端穿到弱電電纜溝中，依次將8條鏈路安裝完畢。
- 傳輸光纜部分
傳輸光纜采用標(biāo)準(zhǔn)G652型鎧裝通信光纜，從離主控室遠(yuǎn)的兩串鏈路引導(dǎo)電纜溝位置開(kāi)始敷設(shè)到集控室內(nèi)。鏈路引到電纜溝位置預(yù)留5米光纜，以方便光纖熔接。如圖11
- 測(cè)溫主機(jī)
測(cè)溫主機(jī)（副機(jī)）安裝在隧道設(shè)備室的19英寸機(jī)架上，采用220V交流供電。當(dāng)溫度傳感器陣列可通過(guò)傳輸光纜連接到主機(jī)的輸出通道上。
- 火災(zāi)報(bào)警控制器部分
火災(zāi)報(bào)警控制器和測(cè)溫主機(jī)一起安裝在隧道設(shè)備機(jī)架上，采用220V交流供電，通過(guò)RS485接口與主機(jī)通信。
- 手動(dòng)報(bào)警按鈕部分
手動(dòng)報(bào)警按鈕安裝在隧道側(cè)面，安裝位置距地面1.4m，安裝間隔為50米，連接線為雙絞線，穿管敷設(shè)至設(shè)備隧道洞，與火災(zāi)報(bào)警控制器連接。
六.系統(tǒng)設(shè)計(jì)
在隧道火災(zāi)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)，除遵守國(guó)家法律法規(guī)要求外，還要根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的系統(tǒng)配置，以便于設(shè)計(jì)出一個(gè)可靠、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用的火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警監(jiān)控系統(tǒng)。
項(xiàng)目中隧道設(shè)計(jì)案例。
- 1.63公里隧道
主要參數(shù)：
溫度測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)：160個(gè)
單條傳感器陣列監(jiān)測(cè)距離：200米
溫度測(cè)點(diǎn)間距：10米
主要設(shè)備：
8通道HO-3000型測(cè)溫主機(jī)：1臺(tái)
光纖光柵溫度傳感器陣列JC-W02：8條
監(jiān)測(cè)軟件（JC-SOFT）：1套
傳輸光纜：12芯多心光纜1.8公里
研華工控機(jī)IPC-610
