分布式光纤温度传感系统及在隧道监测中的应用(共7页).doc

精选优质文档-倾情为你奉上分布式光纤温度传感系统及在隧道监测中的应用涂勤昌 , 李涉英 , 顾海涛 , 张艳辉 , 王健(1. 聚光科技(杭州)有限公司, 浙江杭州; 2. 杭州电子科技大学电子信息学院, 浙江杭州)摘 要: 分布式光纤温度传感系统(Distributed Temperature Sensing,DTS)是一种新型的线型感温探测器, 具有测量距离长、测温精度高、定位精确、响应速度快、报警方式灵活等优点。介绍了分布式光纤温度测量原理, 详细描述了系统的主要组成结构和各模块的功能特点。系统性能测试结果表明该系统关键技术指标达到国际先进水平。最后说明了该系统在隧道火灾监测中的实际应用情况。现场点火试验结果表明该系统具有响应速度快(22s) 、测量精度高等优点, 为隧道安全运营提供了充分保障。关键词: 光纤传感; 分布式温度传感; 隧道监测中图分类号：TP27 文献编织码：ADistributed Temperature Sensing System and Applications for Tunnel MonitoringTU Qin-chang, LI She-ying, GU Hai-tao, ZHANG Yan-hui,WANG Jian(1. Focused Photonic (Hangzhou) Inc, Hangzhou , China; 2. Electronic Information College, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou , China)Abstract: Distributed temperature sensing system is a novel linear temperature sensor and has many advantages, such as long sensing distance, high temperature resolution, high location accuracy, fast response and smart alarm mode. The measuring principle of distributed temperature sensing is introduced. And the main configuration and the features are described in detail. The test reports indicate its key performances achieve the international advanced level. The applications for tunnel monitoring is presented and the fire test results show that the system has excellent performance such as fast response time (22s) , high precision and can provide safeguard for tunnel operation.Key words: fiber sensing; distributed temperature sensing; tunnel monitoring1引言隧道是高速公路及城市公路的重要组成部分。近年来，我国公路和城市交通隧道建设飞速发展，长大隧道的数量不断增加，给隧道的消防安全带来挑战。隧道空间狭长、环境密闭、交通量大，一旦发生火灾，火灾蔓延速度快，温度急剧上升，若不能迅速报警和及时处理，将造成重大人员伤亡和巨大财产损失 。传统的线型感温电缆等火灾探测器，测量精度低、响应速度慢、误报率高，不能满足隧道火灾可靠监测需求。分布式光纤温度传感系统是一种新型的实时测量温度分布的探测系统，具有测量距离长、测温精度高、定位精确、响应速度快、报警方式灵活等优点。近年来已广泛应用于公路交通隧道、地铁火情监测和高压电缆温度监测等领域 。本文主要介绍了自主研发的分布式光纤温度传感系统的结构和性能以及在隧道火灾监测应用的具体应用。2测量原理DTS测量原理包括光纤拉曼散射效应和光时域反射技术(OTDR)。其中，温度位置由背向拉曼散射光返回到入射端的时间确定，温度高低由温度敏感的反斯托克斯(Anti-stokes)光强与温度不敏感的斯托克斯(Stokes)光强的比值R(T)确定： （1） （2） 式中,h为普朗克常数；k为波尔兹曼常数；v为拉曼频移量；为与波长相关的常数；分别为反斯托克斯光和斯托克斯光对应的光纤损耗系数；z为测量距离。3DTS系统组成 聚光科技的DTS系统主要由光路模块、传感光缆、电路模块和应用软件组成。 光路模块主要包括光源产生、信号提取与探测；传感光缆既是感温元件, 又是信号传输介质，采用渐变型多模光纤被覆而成，沿探测区域线型敷设；应用软件用于实时观察的监测状态和温度分布的情况。DTS系统组成，如图1所示。图1 DTS系统组成DTS系统的光路模块是系统核心,主要包括大功率半导体激光器、分光光路、探测器组成。半导体激光器发出的脉冲激光经分光光路后进入传感光缆，激光在光缆传输过程中因分子热振动而发生背向拉曼散射光，背向拉曼散射光经分光光路分离出反斯托克斯光和斯托克斯光，并由探测器接收，经放大电路后由高速数据采集电路同步采集，信号处理单元实现温度信号计算及火灾报警判断。DTS系统的电路模块主要由控制及信息处理电路、驱动电路、探测电路、高速采集电路、接口电路等组成。控制及信息处理电路实现对整个电路模块及光电器件的控制和协调，并对采集信号进行温度计算，可实现定温、差温火灾报警判断。驱动电路实现大功率半导体激光器发出高功率、窄脉宽激光脉冲。探测电路实现微弱背向散射信号的放大、调理。高速采集电路实现高速信号采集与硬件累加功能。接口电路实现测温主机和外部设备之间的数据和状态信息的通讯，实现远程数据传输和系统运行状态的远程监控。DTS系统提供了丰富的外部接口, 温度分布曲线及状态信息可通过LAN，USB或RS232传输到PC机显示，火灾及故障信息可通过继电器输出到火灾报警控制器，并用红色及黄色LED指示。DTS系统还可装配GPRS模块。通过GPRS模块可实现远程数据传输和系统运行状态的远程监控，并进行反馈控制。DTS系统探测到火灾报警信息后，GPRS模块能自动将报警类型(差温或定温)和报警位置以短信方式发送给相关管理人员。4DTS性能测试 温度分辨率、空间分辨率和测量距离是DTS相互制约的关键技术指标。聚光科技自主研发的分布式光纤温度传感系统DTS-2000采用先进光电测量技术和微弱信号探测技术，实现了最大测量距离12km、空间分辨率1m、最大测量通道8通道，通道最短测量时间5s。空间分辨率2m时温度分辨率与测量距离关系图,如图2所示。图2 温度分辨率与测量距离关系图图2表明系统关键技术指标达到国际先进水平。DTS系统的一组线性度测试数据, 如图3 所示。 图3 线性度测试数据系统在室温和80下进行校准，然后将传感光缆置于40，50, 60，70 环境下测试，测量结果表明线性回归系数R为0.9988，线性度误差约为1。DTS系统响应时间测试数据(按线型光纤感温探测器GB/T21197-2007测试方法)，如图4所示。 图4 响应时间测试数据报警温度设置为60，传感光缆放入84油槽内，17s后发出定温报警信息，小于国标要求的30s。5DTS在隧道监测中的应用 DTS作为最新一代线型光纤火灾探测器非常适合长距离隧道火灾监测，与传统火灾探测器相比，DTS具有如下特点: 分布式实时测量，感温探测区域覆盖100 %隧道，精确定位火灾发生位置。 报警方式灵活，可实现差定温多级报警方式，确保火灾初期可靠报警。 探测光缆既是信号传输载体，又是感温元件，安装方便，可靠性高。 测量精度高，测量距离长，误报率极低。 完全采用光传输方式，光纤本身安全防爆防雷，不受电磁场的干扰。 探测光缆寿命可达30年之久，适于高温、高湿、污秽严重的恶劣环境下正常工作。聚光科技DTS22000应用于重庆某隧道火灾报警系统中，隧道总长2000m，为单洞双向行驶。测温主机放在隧道变电所内，传感光缆从变电所内引出，安装于隧道拱顶，居中布置，光缆采用专用Z型支架固定，固定支架每隔1m设置1个。DTS-2000探测到隧道火情后，测温主机的界面红色指示灯闪烁，并发出火灾报警声音，上位机软件界面有火灾类型(差温、定温)以及火灾发生位置的文字及图像报警提示，同时测温主机还能通过继电器输出方式将报警信息传送到火灾报警控制器FAS。值班人员确认火灾报警信息后，可及时采取相应控制措施，包括启动通风照明消防设备、信号灯、车道控制灯、灭火设备等，调整各外场设备的显示信息，以便快捷、有序的引导隧道内车辆及人员，保证隧道的安全运营。隧道实时温度分布曲线，如图5所示。 图 5 隧道实时温度分布曲线由于前端有一段光缆预留在变电所内，有一段光缆安装于地下电缆沟，因此温度分布曲线前端200m的温度偏低。为验证DTS-2000的火灾探测响应性能，在隧道内进行了点火的试验。火盆尺寸1m(长)×1m(宽)×0.2m (高)，火盆支架高90cm，燃油为5L93#汽油，共点火2次，测试情况见表1。表1 隧道点火试验情况点火次序纵向风速报警时间报警方式结 论12.2m/s21s温度报警合 格22.0m/s22s温度报警合 格由于设置的定温报警温度为60，受隧道纵向风速影响，隧道拱顶的最高温度<60 ，因此没有触发定温报警，但及时发出了差温报警信号。根据公路隧道火灾报警系统技术条件JT/T610-2004，点火后控制器应发出火灾报警声光信号，报警响应时间不超过60s。因此，DTS-2000的火灾报警响应时间完全符合要求。6结语隧道火灾报警系统是公路交通隧道安全监测的重要子系统，分布式光纤温度传感系统作为一种全新的线性感温探测器具有分布式测量、定位精确、性价比高等优点，可满足隧道火灾监测需求。聚光科技研制的分布式光纤温度传感系统具有测量距离长、测温精度高、响应速度快、定位精确等优点，可实现长大隧道火灾的快速、准确测量，为隧道安全运营提供重要保障。参考文献:1 彭辉，燕科.常用隧道火灾探测器的比较J.公路交通科技,2006,20(1): 38239.2 李丽芳.光纤分布式温度监测在汕梅高速公路火灾报警系统中的应用J. 公路，2004，11(10):.3 Dakin J P，Prattm J，Bibby GW,etal.Distributed optical fiber temperature sensor using a semiconductor light source detectorJ. E2lectron Lett,1985,21(13):569-570.4 Hartog A.Distributed fibre-optic temperature sensors:technologyand applications in the power industry J.Power Engineering Journal, 1995,9(3):114-120.5 Bolognini G, Park J, SotoMA, etal. Analysis of distributed temper-ature sensing based on Raman scattering using OTDR coding and discrete Raman amplification J.Meas Sci Technol,2007,18(10):3211-3218.6 彭伟，霍然，胡隆华，等. 隧道内纵向风速对火源上方烟气温度影响的试验J中国科学技术大学学报，2006，36(10):1063-1068.专心-专注-专业