云南和亚消防检测评价有限公司检测部-王继业(公路隧道火灾自动报警系统应用手册(最新).doc
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公路隧道火灾自动报警系统应用手册
主编：
王信友
副主编：
杨瑞新霍然
执行主编：
杨瑞新
参编人员：
第一章：
鲍学俊、李志厚
第二章：
杨瑞新、胡隆华、陈雪峰
第三章：
殷寿陶、李磊、西安、武汉、能美、胡隆华、鲍学俊
第四章：
鲍学俊、李志厚、马定超、殷寿陶、李磊、胡隆华、田锦林、李殿臣
目录
第一章公路隧道概论
第二章公路隧道火灾危险性
第三章公路隧道火灾报警系统适用性分析
第四章公路隧道火灾自动报警系统设计
第五章公路隧道火灾自动报警系统施工及维护管理
第三章公路隧道工程中常见火灾自动报警系统适用性分析
一、空气管感温报警系统（殷寿陶负责）
（一）基础理论
（二）探测机理
（三）技术指标
二、缆式感温报警系统（定温、差定温，李辉负责）
（一）基础理论
（二）探测机理
（三）技术指标
三、红外火灾自动报警系统（能美负责）
（一）基础理论
（二）探测机理
（三）技术指标
四、分布式光纤火灾报警系统（李磊负责）
（一）基础理论
（二）探测机理
（三）技术指标
五、光纤光栅火灾自动报警系统（武汉理工负责）
（一）基础理论
（二）探测机理
（三）技术指标
六、各类火灾自动报警系统在隧道内的适用性分析（武汉理工大学负责）
（一）隧道环境因素、火灾特性等对系统探测及报警的影响
（二）根据影响火灾探测的因素，分析各类型报警产品优缺点
（三）从灾害后果对各类型报警产品进行经济和技术分析
（四）各类型报警产品在隧道内的适用性比较
建议：
将“四、分布式光纤火灾报警系统”修改为“四、光纤喇曼散射火灾报警系统”，其他几节都是以探测原理冠以名称，“分布式”是一种传感网络的分布方式，不足以表达本节所述的内容
五、光纤光栅火灾自动报警系统
光纤布喇格光栅传感器是国内外刚刚兴起的新一代传感器。
以准分子紫外激光在光纤纤芯中写入具有一定中心波长的光纤布喇格光栅，它实际上是具有选择性波长反射的无源器件，其反射光波长（即布喇格波长）会受到外界温度等参数变化的影响而产生波长移动，通过一种光纤光栅解调装置，对波长移动进行监测，即可知道温度的变化情况。
这种传感系统的与传统的机电传感器相比具有很多优势，如：
本质防爆、抗电磁干扰、抗辐射、抗腐蚀、耐高温、体积小、重量轻、灵活方便等，因此其应用范围非常广泛，并且特别适于易燃易爆和电磁干扰等恶劣环境中的应用。
另外，光纤光栅传感技术采用波长调制的方法，信号可远传，在实际工程中完成了20km无中继的远程火灾监测。
光纤光栅感温火灾自动报警系统已在国内的六十余条隧道火灾报警系统中得到应用，系统长期运行稳定，多次准确成功的报警案例，为事故的及时处理赢得了宝贵时间，获得业主好评。
（一）基础理论
光纤布喇格光栅的基本结构为沿纤芯折射率周期性的调制（如图1所示），所谓调制就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。
A为栅距
芯层
包层
A
光波
折射率n1
折射率n2
折射率n
反射光
光栅
图光纤布喇格光栅结构示意图
光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。
通过对芯层掺杂（通常是掺锗），使芯层折射率n1比包层折射率n2大，形成波导，光就可以在芯层中传播。
当芯层折射率受到周期性调制后，即成为布喇格光栅。
布喇格光栅会对入射的宽带光进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光（带宽通常约为0.1～0.5nm）。
此中心波长称之为布喇格波长。
所谓相位相匹配是指布喇格波长决定于折射率调制的空间周期和调制的幅度大小，它们满足模式耦合理论的一级近似相位匹配条件，用数学公式表示如下：
为光栅的布喇格波长，为光栅的有效折射率（折射率调制幅度大小的平均效应），为光栅条纹周期（折射率调制的空间周期）。
显然当光栅常数发生变化时，光栅所选择反射窄带光的中心波长也发生变化，即：
光栅的温度发生变化时，由于热胀冷缩效应，光栅的条纹周期会发生变化；由于热光效应，光栅的有效折射率也会发生变化。
所以：
或者写成：
上式右边第一项为热膨胀效应：
因热膨胀引起的条纹周期变化，为光纤的热膨胀参数；第二项为热光效应：
因温度变化引起的折射率变化，为光纤的热光系数。
实验表明，和基本上不随温度变化，和具有很好的线性关系。
因此只要能够精确地测量光栅反射光的布喇格波长，就可以精确地知道光纤光栅处的温度，这就是光纤光栅温度传感器的工作原理。
这一传感机制的优点在于测量精度高、长期稳定性好、系统可靠，能进行绝对测量，能方便地使用波分复用技术，在一根光纤中串接多个甚至上百个布喇格光栅探测点进行分布式、远程测量，可实现数字式传感。
（二）探测机理
光纤布喇格光栅传感器一个主要的优点就是：
能方便地使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅进行分布式测量。
光纤布喇格光栅分布式传感系统的基本原理如图2所示：
一根光纤上串接的多个布喇格光栅具有不同的光栅常数，宽带光源所发射的宽带光经Y型分路器通过所有的布喇格光栅，每个布喇格光栅反射不同中心波长的光，反射光经Y型分路器的另一端口耦合进解调仪，通过解调仪探测反射光的波长及变化，就可以知道各个布喇格光栅处被测量的情况。
被测量变化
严格地讲,一般光纤布喇格光栅分布式传感系统应称为准分布式系统,因为光纤布喇格光栅分布式传感系统难以做到连续分布,而是点式分布。
但布喇格光栅的长度可以做到毫米量级,实际应用的空间分辨率要比基于时域技术的连续分布系统高得多,时域连续分布系统的空间分辨率只能达到米量级。
分路器
宽带光源
S1
S2
S3
Sn
S1
S2
S3
Sn
光纤光栅解调器
图光纤布喇格光栅分布式传感系统原理示意图
感温探头是光纤光栅温度监测报警系统的核心部分，由测量光栅、导热感温元件（无电元件）等部分组成，使用不锈钢管进行保护。
实际使用时，检测现场可以安装多个感温探头（具体数量根据使用需要确定），它们之间相互串接起来，采用特殊结构与光缆连接。
图3为单个感温探头结构简图。
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图感温探头结构简图
其中，1为连接光缆，2为探头保护管，3为测量光栅，4为导热感温元件，5为单模光纤。
探头环境温度发生变化时，由探头保护管经导热感温元件传导到测量光栅，导致布喇格波长发生变化。
通过探测此波长的变化，获得环境温度，达到温度传感的目的。
光纤光栅温度监测报警系统主要是针对所监测目标温度的异常升高进行实时测量，显示温度变化并进行报警。
其结构示意图如图4所示：
图感温监测报警系统结构示意图
图4中，光纤光栅感温探头分别布设在各个探测点上，感温传感信号通过光纤和波长解调系统送到受计算机中进行判断处理。
波长解调系统为光纤光栅温度监测报警系统的解调部分，它包括宽带光源、光分路器、标准恒温解调器、波长调节设定单元、光探测器以及相应的电子电路，能够可靠地实现现场信号实时检测，同时输出两级报警控制信号，分别实现超温报警和极限报警；而且每级报警信号可输出两路报警控制信号，一路提供给显示仪表进行声光报警，一路提供给计算机系统进行集中控制。
（三）技术指标
光纤光栅感温火灾探测系统除具有光纤光栅传感技术现场无电检测，不受电磁干扰，波长信号不受光强影响，长期稳定性好的一般特点外，还针对隧道这一特定的应用，开发了光纤光栅隧道分区火灾报警系统，实现了大容量光纤光栅远程无中继火灾探测。
传统的光纤光栅复用系统一般采用光纤通信中波分复用（WDM）技术，这种多点波分复用技术如图2所示，系统复用能力有限，限制了光纤光栅感温火灾探测技术在工程中的应用。
光纤光栅多区波分复用系统的设计，如图5所示，该技术根据现有隧道火灾报警技术标准对防火分区的规定开展设计，在同一个防火分区采用布喇格中心反射波长相同的光纤光栅传感器，而在不同的防火分区采用布喇格中心反射波长不同的光纤光栅传感器，称为光纤光栅多区波分复用技术。
该技术将系统的复用能力成倍提高，降低成本的同时，能及时准确的完成火灾探测并产生报警信号。
图多区波分复用技术示意图
图光纤光栅隧道火灾探测报警系统
在隧道监控技术标准中，一般100m为一个防火分区，如果采用多区波分复用技术，每个光通路复用的容量可达到上百个探测单元，一条光纤光栅火灾探测器的探测范围跨越4个防火分区。
如图6所示，火灾探测器安装在隧道内，无需电力供应，免维护；火灾探测信号处理器安装在远程监控所内，探测器和信号处理器之间用通信光缆连接，无需中继。
光纤光栅多区波分复用技术代替传统的多点波分复用技术，解决了复用容量有限的问题，实现了隧道分区火灾报警的技术要求。
主要性能指标如下：
①复用能力：
单光通路串联探测点数≥60个，系统复用能力≥960个
②光通道数：
16条光通路并行同步扫描，可扩展；
③远程监测：
信号无中继有效传输距离20km；
④报警方式：
差、定温复合；
⑤报警响应时间：
小于60秒，优于《公路隧道火灾报警技术要求》规定
⑥接口能力：
多路温度报警和自检故障报警开关信号，RS485/232,LAN,VGA等；
⑦检错能力：
自动巡检，识别故障光通路，产生故障报警信号；
⑧容错能力：
隔离故障光通路，不影响其他光通路的工作状态。
六、各类火灾自动报警系统在隧道内的适用性分析
（一）隧道环境因素
隧道的特殊结构和地理位置决定了隧道内的特殊环境，这些环境因素会对不同种类的火灾探测系统造成不同程度的影响。
隧道内烟气较大，会影响感烟类和感光类的火灾探测及报警。
隧道是封闭管状结构，当交通流量较大时，车辆会产生大量尾气，由于无法及时通过通风系统排出会大量的堆积在隧道顶部。
感烟类火灾探测器如果安装在隧道顶部，烟气浓度达到一定的程度会引起探测器的误报，所以该类产品一般使用于如隧道监控所或监控中心等建筑内环境。
另外，烟尘还会堆积在感光类探测器的探测窗上，降低探测器对火焰光的敏感程度，产生报警滞后甚至漏报的情况。
所以对于感光类探测器，如红外火灾报警系统，必须有工作人员定期对其进行维护，才能保证其在隧道内正常工作。
隧道内自然环境恶劣，温度变化大，湿度大，会对红外类和感温电缆类火灾自动报警系统造成影响。
对于红外火灾自动报警系统，探测器内的感光器件有一定的工作温度范围，当温度过低时，则无法正常启动，若通过加热装置，则会在探测器窗上出现结露仍然无法工作。
另外，感温电缆是利用温敏金属或温敏绝缘层的电阻随温度变化的特性测量温度，但是在高温高湿度的环境下，金属的氧化和高分子聚合物的老化，将导致其温敏特性随使用时间的推移而改变，长期可靠性差。
隧道内是强电磁干扰环境，光纤类火灾探测技术较传统的机电类火灾探测技术更有优势。
隧道内的各种机电设备和经过的车辆等都会产生强烈的电磁场，对传统的的机电类火灾探测报警系统产生影响，如本指南所提到的缆式感温报警系统和红外火灾自动报警系统等。
上述系统为避免电磁干扰，都采用在信号探测部分设置参考路或设计高频电子电路的方法减少电磁噪声的影响，而在信号传输部分则直接采用光纤通信的方法，因为电信号不仅受电磁干扰，而且极易衰减，不能远传。
光纤类火灾探测技术是利用温度对光纤内传输光的强度或波长的影响进行感温火灾探测的新兴技术。
由于光纤的材质是非金属无机质，长期稳定性好，光信号可远传，不受电磁干扰，光纤类火灾探测系统非常适合于隧道内应用环境。
（二）火灾探测影响因素
燃烧是物体快速氧化，产生光和热的过程，火灾探测技术则是通过感知光或热，判断火灾的发生并产生报警信号。
火灾发生时，隧道内空气的流动、环境温度和伴随火灾产生的大量烟气，都会对火灾探测及报警产生影响。
隧道内的自然风、风机开启通风和汽车通过时都会对空气产生扰动。
当有火灾发生时，空气的流动会影响火焰和烟气的走向，改变隧道内无风条
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