光譜吸收型光纖傳感器在智能樓宇消防系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張華軍，王榮琤

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院，江蘇南京210019；2.南京高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇南京210019)

光譜吸收型光纖傳感器在智能樓宇消防系統(tǒng)中的應(yīng)用研究

張華軍1,2，王榮琤1,2

(1.江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院南京分院，江蘇南京210019；2.南京高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校，江蘇南京210019)

該文介紹了現(xiàn)階段智能建筑中火災(zāi)報(bào)警探測(cè)器的不足，提出了以光譜吸收型為基礎(chǔ)的光纖傳感器在火災(zāi)可燃?xì)怏w檢測(cè)報(bào)警探測(cè)中應(yīng)用的廣闊前景，分析了光譜吸收型傳感器的工作原理及其相對(duì)于傳統(tǒng)探測(cè)器的優(yōu)勢(shì)，指出了其不能在智能消防工程廣泛的原因和解決方法。

智能消防；火災(zāi)報(bào)警；氣體檢測(cè)；光譜吸收型；光纖傳感技術(shù)

Abstract：This discourse introduces the intelligent building fire alarm detector,the optical fiber sensor with spectral absorption type Based on the broad prospect of application in the detection of combustible gas detection and alarm of fire,analyzes the spec?trum absorption principle of sensor and its relative to the traditional detecting advantage,pointing out that it cannot in intelligent fire protection engineering extensive and solutions.

Key words：intelligent extinguishing and protection;fire alarm;Gas detection;Spectral absorption;optical fiber sensing technology

1 概述

智能建筑是以建筑物為平臺(tái)，基于對(duì)各類智能化信息的綜合應(yīng)用，集架構(gòu)、系統(tǒng)、應(yīng)用、管理及優(yōu)化組合為一體，具有感知、傳輸、記憶、推理、判斷和決策的綜合智慧能力，形成以人、建筑、環(huán)境互為協(xié)調(diào)的整合體，為人們提供安全、高效、便利及可持續(xù)發(fā)展功能環(huán)境的建筑。從而，智能建筑的迅速發(fā)展也給消防帶來了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，一方面是因?yàn)槟壳暗闹悄芙ㄖ蠖鄶?shù)都是高層建筑，高層建筑的特點(diǎn)是建筑樓層高、建筑面積很大、建筑內(nèi)人員密集、并且設(shè)備和材料較多，豎井很容易產(chǎn)生煙囪效應(yīng)，使得引起火災(zāi)的可能性會(huì)增大；另一方面是由于現(xiàn)代化的智能建筑比傳統(tǒng)的高層建筑引入了較多的技術(shù)先進(jìn)、功能齊全、價(jià)格昂貴的建筑智能化設(shè)備和系統(tǒng)，如果發(fā)生火災(zāi)后果不堪設(shè)想。

自1984年美國(guó)哈特福德市的第一座智能大廈建成以來，智能建筑在世界各國(guó)陸續(xù)出現(xiàn)。在智能建筑中，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警及消防聯(lián)動(dòng)控制系統(tǒng)(簡(jiǎn)稱消防系統(tǒng))是樓宇智能化系統(tǒng)中非常重要的一個(gè)子系統(tǒng)，智能樓宇是現(xiàn)代化信息技術(shù)發(fā)展的產(chǎn)物，是計(jì)算機(jī)技術(shù)及傳感器技術(shù)應(yīng)用的重要體現(xiàn)。消防系統(tǒng)作為智能建筑的重要子系統(tǒng)之一，必須與傳感技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)以及信息技術(shù)等各種技術(shù)很好的結(jié)合，從而適應(yīng)現(xiàn)代化智能建筑的發(fā)展需要。

2 火災(zāi)探測(cè)傳感器介紹

2.1 消防系統(tǒng)中火災(zāi)報(bào)探測(cè)傳感器的作用

建筑消防系統(tǒng)的核心是火災(zāi)報(bào)警監(jiān)測(cè)技術(shù)，它是預(yù)防和遏制智能樓宇火災(zāi)發(fā)生的重要前提條件。火災(zāi)探測(cè)器是火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)的前端重要部件之一，它在整個(gè)系統(tǒng)進(jìn)行工作期間，猶如系統(tǒng)的感覺器官，能不間斷地監(jiān)測(cè)所監(jiān)控區(qū)域火災(zāi)初期的信號(hào)。在火災(zāi)報(bào)警探測(cè)器中的核心部件是傳感器，其性能的好壞直接決定能否快速準(zhǔn)確的識(shí)別火災(zāi)，起到迅速識(shí)別的作用。

2.2 現(xiàn)階段火災(zāi)探測(cè)傳感器存在的問題

近年來，我國(guó)火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警工程應(yīng)用技術(shù)有了較大的發(fā)展，但由于在實(shí)際應(yīng)用中，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)與智能樓宇中的其他系統(tǒng)相互獨(dú)立，火災(zāi)信號(hào)的自動(dòng)報(bào)警技術(shù)還相對(duì)滯后，并存在以下幾個(gè)方面的問題：

1)探測(cè)穩(wěn)定性較低。傳感器在工作狀態(tài)下的基本響應(yīng)穩(wěn)定性，主要由它的零點(diǎn)漂移所決定。由其火災(zāi)發(fā)生的概率事件是小概率事件，長(zhǎng)時(shí)間都會(huì)處于正常的工作狀態(tài)，不能像傳統(tǒng)探測(cè)器一樣，探頭易氧化，從而產(chǎn)生休眠模式，導(dǎo)致對(duì)探測(cè)氣體不能作出反應(yīng)。

2)誤報(bào)、漏報(bào)問題較多。由于環(huán)境的適應(yīng)性差，經(jīng)常會(huì)受到各種因素的干擾，造成火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)誤報(bào)、漏報(bào)情況較多

3)超早期火災(zāi)探測(cè)報(bào)警技術(shù)的應(yīng)用還幾乎處于空白。火災(zāi)發(fā)生的整個(gè)過程經(jīng)歷了陰燃階段(沒有明火，有大量煙霧)、初期階段(局部產(chǎn)生明火，溫度升高)、全部著火階段(猛烈燃燒，溫度急劇上升)和火勢(shì)衰減階段(可燃性物質(zhì)全部燒盡)等幾個(gè)階段?；馂?zāi)發(fā)現(xiàn)的越早越好，最好能在陰燃階段的開始，這樣就能及早的發(fā)現(xiàn)火災(zāi)，消滅火災(zāi)，減少損失。

4)智能化程度低。由于傳感器件探測(cè)的設(shè)計(jì)時(shí)，參數(shù)較少，缺乏對(duì)各種算法足夠驗(yàn)證準(zhǔn)確性等，火災(zāi)自動(dòng)報(bào)警系統(tǒng)很難準(zhǔn)確判斷煙霧粒子的濃度、現(xiàn)場(chǎng)的溫度以及可燃?xì)怏w的濃度等指標(biāo)，造成火災(zāi)報(bào)警系統(tǒng)報(bào)警準(zhǔn)確率不高。

3 光譜吸收型光纖氣體傳感器

3.1 光譜吸收型光纖氣體傳感器概述

光譜吸收型光纖氣體傳感技術(shù)如圖1所示，通過結(jié)合了光譜分析技術(shù)和現(xiàn)代光纖應(yīng)用技術(shù)，將在實(shí)驗(yàn)室氣體分析中應(yīng)用的光譜分析技術(shù)應(yīng)用到實(shí)際工程檢測(cè)中。同時(shí)，通過利用光纖傳播容量大、速度快、保密性好等優(yōu)點(diǎn)，使光譜分析技術(shù)在遠(yuǎn)程遙測(cè)、探測(cè)靈敏度、多點(diǎn)智能化測(cè)量等方面有了重大的突破。

圖1 光譜吸收型光纖氣體傳感器結(jié)構(gòu)圖

3.2 光譜吸收型光纖氣體傳感器的工作原理介紹

各種氣體都有其自身固有的吸收光譜波長(zhǎng)，當(dāng)光源的發(fā)射光譜與氣體的吸收光譜相同時(shí),將會(huì)產(chǎn)生共振而吸收,該氣體的吸收強(qiáng)度與其體積分?jǐn)?shù)相關(guān),可以通過測(cè)量出光譜的吸收強(qiáng)度，從而測(cè)量氣體的體積分?jǐn)?shù)。當(dāng)一束光強(qiáng)為I0的輸入光經(jīng)過測(cè)量氣體時(shí),如果光源光譜覆蓋一個(gè)或多個(gè)氣體的吸收光譜,則光通過氣體時(shí)因阻隔發(fā)生衰減。根據(jù)比爾-朗伯定律，當(dāng)波長(zhǎng)為λ的單色光在充有待測(cè)氣體的氣室中傳播距離為L(zhǎng)后，其吸收后的光強(qiáng)為：

上式中，I0(λ)為波長(zhǎng)為λ的光源透過不含待測(cè)氣體的氣室時(shí)的光強(qiáng)；αλ為光通過介質(zhì)的吸收系數(shù)；C為吸收氣體的濃度。整理可得：

利用檢測(cè)通氣前和通氣后光強(qiáng)的變化，從而測(cè)出待測(cè)氣體的濃度，如圖2所示。

圖2 光譜吸收型光纖氣體傳感器原理框圖

3.3 光譜吸收型光纖氣體傳感器在建筑消防系統(tǒng)中的檢測(cè)原理

如果測(cè)出的氣體為發(fā)生火災(zāi)的現(xiàn)場(chǎng)氣體，如CO、NO2等，就能確定是否有火災(zāi)的發(fā)生。常見燃燒氣體(CO、CO2、NO2)在石英光纖低損窗口都會(huì)產(chǎn)生泛頻吸收線，如表1所示。在這一波段發(fā)光器件和接受器件都具有比較理想的特性，所以利用光譜的方法可以對(duì)多種氣體濃度進(jìn)行較高精度的測(cè)量。

表1 常見的燃燒氣體在近紅外波段的吸收線

3.4 光譜吸收型光纖傳感器的優(yōu)點(diǎn)

光譜吸收型光纖傳感器具有較簡(jiǎn)單、可靠的氣室結(jié)構(gòu)和氣體傳感探頭，采用的基于氣體吸收譜測(cè)量的吸收型傳感技術(shù)具有較高的測(cè)量靈敏度；具有快速的響應(yīng)能力，并對(duì)環(huán)境溫度、濕度等干擾具有較強(qiáng)的抵抗力，同時(shí)具有極高的不同氣體的鑒別能力。僅作為信號(hào)傳輸線的傳光型，其傳輸損耗相對(duì)較低。由光譜吸收型光纖傳感器組成的檢測(cè)系統(tǒng)可與中心計(jì)算機(jī)相連，能夠?qū)崿F(xiàn)多功能、智能化的要求。

4 光譜吸收型光纖氣體傳感器的應(yīng)用

4.1 光譜吸收型光纖氣體傳感器應(yīng)用現(xiàn)狀

4.1.1 在煤礦井中的應(yīng)用

正是因?yàn)楣庾V吸收型光纖氣體傳感器具有諸多的優(yōu)點(diǎn)，特別是因其材質(zhì)特性，具有耐高溫高壓，耐腐蝕，傳輸損耗小，且不受任何電磁干擾，適合于遠(yuǎn)距離遙測(cè)遙控等特性，使得它更適用于煤礦井下易燃易爆、環(huán)境惡劣的作業(yè)環(huán)境的要求。所以，這也是目前應(yīng)用最有前景的應(yīng)用之一。

4.1.2 在環(huán)境監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用

只要適當(dāng)?shù)剡x擇光源波長(zhǎng)和光纖，就可以利用如圖3所示的原理來設(shè)計(jì)測(cè)量各種不同氣體(或濃度)的光纖傳感器。

圖3 光纖遠(yuǎn)距離測(cè)量系統(tǒng)的組成框圖

4.2 光譜吸收型光纖氣體傳感器智能消防實(shí)用化障礙與對(duì)策

盡管光纖傳感器相比于傳統(tǒng)的傳感器優(yōu)勢(shì)明顯，但目前并沒有大規(guī)模的采用這種新型傳感器于建筑消防系統(tǒng)之中。主要原因之一是開發(fā)具有競(jìng)爭(zhēng)性和實(shí)用性的傳感器裝置的價(jià)格相對(duì)較高，但可以采用新型的現(xiàn)代傳感器件使其結(jié)構(gòu)緊湊，降低成本；第二，應(yīng)加強(qiáng)微弱信號(hào)檢測(cè)技術(shù)的研究與開發(fā)，使得傳感器準(zhǔn)確度和靈敏度得到進(jìn)一步提高，保證傳感器的性價(jià)比；第三，可以通過現(xiàn)代計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)信號(hào)檢測(cè)和處理的智能化，探索在單根光纖或少數(shù)幾根光纖上實(shí)現(xiàn)多參數(shù)同時(shí)檢測(cè)，使得光譜吸收型光纖氣體傳感器朝著小型多功能、智能化的方向發(fā)展。

5 結(jié)論

隨著建筑智能化行業(yè)的飛速發(fā)展，城市智能建筑的自動(dòng)化程度的日益提高，安全、高效、靈敏、能夠?qū)崿F(xiàn)提前預(yù)報(bào)的火災(zāi)氣體探測(cè)技術(shù)將會(huì)有更大更廣的市場(chǎng)需求，隨著研究技術(shù)的不斷提高，生產(chǎn)的技術(shù)不斷改進(jìn)，為了預(yù)防火災(zāi)發(fā)生，光譜吸收型光纖氣體傳感器必將在智能樓宇消防領(lǐng)域有一個(gè)廣闊的應(yīng)用前景。

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The Application of Optical Fiber Sensor Based on Spectral Absorption in the Fire Protection System of Intelligent Building

ZHANG Hua-jun1,2，WANG Rong-cheng1,2
(1.Jiangsu Union Technical Institute Nanjing Branch,Nanjing 210019,China;2.Nanjing Technical Vocational College,Nanjing 210019,China)

TP311

A

1009-3044(2017)24-0214-02

2017-07-13

南京市“十三五”重點(diǎn)規(guī)劃項(xiàng)目：建筑智能化綜合創(chuàng)新實(shí)訓(xùn)基地的研究與實(shí)踐(編號(hào)：L/2016/031)

張華軍(1983—)，男，江蘇南京人，樓宇智能化專業(yè)教研室主任，講師，主要研究方向?yàn)楦呗毥逃?、建筑智能化控制技術(shù)；王榮琤(1989—)，男，江蘇南京人，助教，碩士，主要研究方向?yàn)楦呗毥逃?、建筑智能化控制技術(shù)。