CN101308598A - 光纤光栅感温火灾探测*** - Google Patents

Abstract

本发明涉及光纤光栅感温火灾探测***，包括光源模块、波长标准具、光纤耦合器、光探测器、主控模块、信号输出模块、温度传感器，所述的光源模块、波长标准具分别与光纤耦合器连接，所述的波长标准具、信号输出模块分别与主控模块连接，所述的温度传感器与光纤耦合器连接，所述的光纤耦合器与光探测器连接，所述的光探测器、光纤耦合器组合模块与主控模块连接。与现有技术相比，本发明具有测量精度高，性能长期稳定性好，分布式测量，采样频率高的特点。

Description

光纤光栅感温火灾探测***

技术领域

本发明涉及火灾探测***，特别涉及光纤光栅感温火灾探测***。

背景技术

光纤光栅感温火灾探测***是基于光纤光栅感温技术的新型火灾探测***，具有灵敏度高，性能长期稳定性好，分布式安装测量等特点，由于其全光纤无源测量的特性，特别适合在易燃，易爆和强电磁等恶劣环境下使用。

光纤光栅传感器是用光纤光栅制成的一种新型光纤传感器，是20世纪90年代发展起来的全光纤无源器件，利用光纤光栅可制成多种传感器，如温度、应变、应力、加速度、压强等传感器。不同的光纤光栅传感器可具有不同的工作波长，因此可以利用波分复用技术，在一根光纤级联多个光纤光栅传感器作分布式测量，增强了布线的灵活性。光纤传感器具有体积小、重量轻、与光纤兼容、***损耗低、性能长期稳定性好等特点。

光纤温度传感器是光纤传感器中发展最快的一个分支，取代了传统的温度传感器，如电阻应变片。与传统的电阻应变片相比，光纤传感器具有体积小，重量轻，不受电磁干扰，抗辐射，分布式测量等显而易见的优势，所以在温度测量领域得到了广泛的应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种灵活稳定的光纤光栅感温火灾探测***。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：光纤光栅感温火灾探测***，其特征在于，包括光源模块、波长标准具、光纤耦合器、光探测器、主控模块、信号输出模块、温度传感器，所述的光源模块、波长标准具分别与光纤耦合器连接，所述的波长标准具、信号输出模块分别与主控模块连接，所述的温度传感器与光纤耦合器连接，所述的光纤耦合器与光探测器连接，所述的光探测器、光纤耦合器组合模块与主控模块连接。

所述的光源模块采用大功率宽带ASE光源，大大提高了传感器温度监测的准确性和灵敏度。

所述的波长标准具使得传感器中心波长的检测更加准确和迅速，提高了波长检测的精确性。

所述的主控模块采用工控机对数据进行处理和显示，工控机的大容量快速数据处理能力缩短了本***的响应时间，使得传感器波长解调非常精确和迅速。

所述的温度传感器阵列采用波分复用技术，一路光纤上可复用多个温度传感器，使***具有分布式数据采集的特点，提高***安装的灵活性，特别适合多点火灾监控。

与现有技术相比，本发明具有测量精度高，性能长期稳定性好，分布式测量，采样频率高的特点。

附图说明

图1是本发明光纤光栅感温火灾探测***的结构示意图；

图2是本发明光纤光栅感温火灾探测***的测温原理图；

图3是本发明光纤光栅感温火灾探测***的传感器波长随温度的变化示意图；

图4是本发明光纤光栅感温火灾探测***的波长间隔示意图。

具体实施方式

光纤传感器的测温原理

光纤光栅就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。根据模耦合理论，λ_B＝2nΛ的波长就被光纤光栅所反射回去(其中λB为光纤光栅的中心波长，Λ为光栅周期，n为纤芯的有效折射率)。

如图2所示，反射的中心波长信号λ_B，跟光栅周期Λ，纤芯的有效折射率n有关，所以当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会导致反射的中心波长的变化。也就是说光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况。光纤光栅的中心波长与温度和应变的关系为：

$\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_B}{{\mathrm{\λ}}_B}=({\mathrm{\α}}_f+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}+(1-P_e)\mathrm{\Δ\ϵ}$

其中， ${\mathrm{\α}}_f=\frac{1}{\mathrm{\Λ}}\frac{\mathrm{d\Λ}}{\mathrm{dT}}$ 为光纤的热膨胀系数， $\mathrm{\ξ}=\frac{1}{n}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{dT}}$ 为光纤材料的热光系数， $P_e=-\frac{1}{n}\frac{\mathrm{dn}}{\mathrm{d\ϵ}}$ 为光纤材料的弹光系数。在1550nm窗口，中心波长的温度系数约为10.3pm/℃，应变系数为1.209pm/με。如果将光纤传感器封装在温度增敏材料中，可以提高它的温度系数灵敏度，进而得到更大的测量精度。

传感器波长随温度的变化

传感器波长指的就是传感器反射谱中尖峰的中心波长。这些峰值波长随着应变和温度的改变而改变。当温度升高或应变增大时，传感器的峰值波长变长。如图3所示，如果一个传感器从20℃加热到60℃，传感器的峰值波长将增加(每℃变化约10pm)。大多数波长查询***工作在50nm窗范围内，从1520nm到1570nm。

传感器波长间隔

传感器波长间隔就是两个传感器的中心波长的差。传感器阵列包含了大量传感光栅，因此必须保证能“寻址”每一个光栅，即根据独立变化的中心波长确认每一个光栅。为此，要求每个通道内各个光栅的中心波长λ₁，λ₂，…λ_n及其工作范围Δλ₁，Δλ₂，…Δλn，互不重迭，如图4所示。所以其中有两个方面需要考虑：传感光栅之间的缓冲区(buffer)和每个传感光栅的探测范围Δλ。而探测范围Δλ是由测量范围决定的，测量范围越大，探测范围就越大。例如若测量范围为±3000με，探测范围就为6nm。每个传感器都需要具有足够的波长漂移的空间以捕捉所期望的应变和温度的变化范围。

传感器参数指标

项目	参数
		标准量程	-60℃～+300℃
测量精度	±2℃
		分辨率	0.1℃
外观尺寸	75mm×￠6mm

安装方式	表面或直埋
		波长范围	1525nm～1565nm
反射率	≥90％
		尾纤种类	金属铠装
连接方式	FC/PC或熔接
		使用温度	-60℃～299℃
储存温度	-60℃～299℃

光纤光栅感温火灾探测***，采用了世界领先的光谱检测技术，***既提供高精度的波长分辨率，又满足工业环境长期运行稳定性的要求。***采用波分复用(WDM)解调技术来解调光纤温度传感器阵列，主控单元采用工控机进行数据处理，这种高速的大容量数据处理设备可以快速处理光谱分析所需的大量数据。***包括的基本功能模块如图1所示，包括：温度传感器，光源模块，波长标准具，光纤耦合器，光探测器，主控模块，信号输出模块。

温度传感器阵列采用波分复用技术，一路光纤上可复用多个温度传感器，使***具有分布式数据采集的特点，提高***安装的灵活性，特别适合多点火灾监控。

光源模块采用大功率宽带ASE光源，大大提高了传感器温度监测的准确性和灵敏度。

波长标准具使得传感器中心波长的检测更加准确和迅速，提高了波长检测的精确性。

主控模块采用当前最先进的工控机对数据进行处理和显示，工控机的大容量快速数据处理能力缩短了本***的响应时间，使得传感器波长解调非常精确和迅速。

主控模块的软件根据传感器的中心波长变化，计算得到环境温度的变化，同时根据用户的设定，可以及时发出高温报警和差温报警。

光学指标：

通道数                                 1可扩展

每通道最大传感器数量                   80

波长范围                        1525～1565nm

绝对精度                        ±5pm

动态范围                        ＞50dB

分辨率                          1pm

扫描频率                        1Hz或用户自选

典型波长间隔                    0.5nm

光学接头                        FC/PC或FC/APC

电器特性：

电源                            220VAC

机械特性：

尺寸                            510×440×180mm

工作温度                        0～40℃

光纤光栅感温火灾探测***，具有测量精度高，性能长期稳定性好，分布式测量，采样频率高等特点，使其能适应众多的温度探测需求，主要应用于以下方面：1、住宅小区火灾探测；2、商业大楼温度监测；3、油库油罐温度监测；4、防爆场所温度监测；5、土木建筑工程监测；6、油井井下温度分布。

Claims (5)

1.光纤光栅感温火灾探测***，其特征在于，包括光源模块、波长标准具、光纤耦合器、光探测器、主控模块、信号输出模块、温度传感器，所述的光源模块、波长标准具分别与光纤耦合器连接，所述的波长标准具、信号输出模块分别与主控模块连接，所述的温度传感器与光纤耦合器连接，所述的光纤耦合器与光探测器连接，所述的光探测器、光纤耦合器组合模块与主控模块连接。

2.根据权利要求1所述的光纤光栅感温火灾探测***，其特征在于，所述的光源模块采用大功率宽带ASE光源，大大提高了传感器温度监测的准确性和灵敏度。

3.根据权利要求1所述的光纤光栅感温火灾探测***，其特征在于，所述的波长标准具使得传感器中心波长的检测更加准确和迅速，提高了波长检测的精确性。

4.根据权利要求1所述的光纤光栅感温火灾探测***，其特征在于，所述的主控模块采用工控机对数据进行处理和显示，工控机的大容量快速数据处理能力缩短了本***的响应时间，使得传感器波长解调非常精确和迅速。

5.根据权利要求1所述的光纤光栅感温火灾探测***，其特征在于，所述的温度传感器阵列采用波分复用技术，一路光纤上可复用多个温度传感器，使***具有分布式数据采集的特点，提高***安装的灵活性，特别适合多点火灾监控。

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