CN102280004B - 高灵敏拉曼传感光纤感温火灾探测器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高灵敏特种拉曼传感光纤感温火灾探测器，它是基于高灵敏度拉曼传感光纤，集成型光纤波分复用技术，利用传感光纤的反斯托克斯拉曼光子强度受光纤温度调制原理和光时域反射原理制成的感温火灾探测器，包括光脉冲激光器，集成型光纤波分复用器，高灵敏度拉曼传感光纤，两个光电接收、放大模块，数字信号处理器和显示器、报警器。高灵敏度特种拉曼传感光纤与普通市售通信光纤相比，大大增强了光纤拉曼温度信号。本发明的高灵敏特种拉曼传感光纤感温火灾探测器是本质安全型的，具有成本低、可重复使用、结构简单、信噪比好，寿命長、可靠性好，整体技术性能超过现有缆式线型感温及普通市售拉曼光纤感温火灾探测器，适用于中、短程0-15公里工业领域线型感温及火灾探测。

Description

高灵敏拉曼传感光纤感温火灾探测器

技术领域

本发明涉及火灾探测器，尤其是分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器。

背景技术

長期以来，国内外在消防技术与工程领域主要使用缆式线型感温火灾探测器，探测器的敏感元件——感温电缆由两芯或四芯组成，采用“开/关”式或模拟原理设计的火灾探测器。当感温电缆达到预设的温度时，进行报警。感温电缆虽然价格相对低廉，但存在本身带电，非本质安全型、不能定位，、探测距离短，也很难预报防灾现场温度的変化过程等缺陷。

近十年来发展起来的利用分布式光纤散射型温度传感器和准分布式的光纤温度传感器(主要有光纤光栅型和光纤法珀型)作为线型火灾监测感温光纤的感温火灾探测器，它可以在线实时预报温度的変化，可以在很大的温度范围设置报警温度，是本质安全型的线型感温火灾探测器。在电力工业、石化企业和土木工程上已成功地应用。分布式光纤温度传感器有两种：一种是拉曼散射型，另一种是布里渊散射型。

分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器采用普通市售通信光纤作为敏感元件(中国发明专利《分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器》专利号：200810120192.4，授权公告号：CN 201266419Y)，但通信光纤的散射信号很弱，因此，拉曼温度信号也很弱，需要采用高灵敏度、低噪音的弱光信号检测设备，采用多级放大，带来结构复杂，成本很高，灵敏度太低，可靠性较差等缺陷。

发明内容

本发明的目的是提供一种成本低、结构简单、信噪比好，可靠性好的高灵敏度拉曼传感光纤的分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器。

发明的高灵敏度拉曼传感光纤的分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器，包括光脉冲激光器，集成型光纤波分复用器，高灵敏度拉曼传感光纤，两个光电接收、放大模块，数字信号处理器和显示器或报警器，集成型光纤波分复用器具有四个端口，其中的1550nm端口与光脉冲激光器相连，COM端口与本征型感温光纤相连，1450nm端口与第一光电接收、放大模块相连，1660nm端口与第二光电接收、放大模块相连，第一光电接收、放大模块的另一端和第二接收、放大模块的另一端分别与数字信号处理器相连，数字信号处理器的信号输出端连接显示器和报警器。温度信号通过通讯接口、通讯协议进行远程网络传输，当高灵敏度拉曼传感光纤上的拉曼光子感温火灾探测点所在空域温度达到设定的火灾报警温度时，向火灾报警控制器发出火灾报警信号。

上述的光脉冲激光器采用中心波长为1550nm，光谱宽度为0.1nm，激光脉冲宽度为16ns，峰值功率为10W，重复频率为4kHz的光脉冲激光器。本发明中的高灵敏度拉曼传感光纤的特征是具有高温度灵敏度的特种62.5/125或50/125多模传感光纤或单模传感光纤，高灵敏度拉曼传感光纤的温度传感信号要比市售通信光纤强五倍以上，長度为100m～15km。光纤由透明二氧化硅(SiO2)的石英材料做成的纤芯和在它周围采用比纤芯的折射率稍低的材料做成的包层组成，高灵敏度拉曼传感光纤是在二氧化硅(SiO2)纤芯中掺入较高浓度的23mol.％二氧化锗(GeO2)，纤芯与包层的折射率差约为0.030。在特种场合使用，可在光纤表面涂敷碳膜，构成碳涂层传感光纤。

高灵敏度拉曼传感光纤铺设在防灾现场，该光纤不带电，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀，既是传输介质又是传感介质。光脉冲激光器发出激光脉冲通过集成型光纤波分复用器射入高灵敏度拉曼传感光纤，在高灵敏度拉曼传感光纤上产生的背向斯托克斯和反斯托克斯拉曼光子波经集成型光纤波分复用器分束，分别经两个光电接收、放大模块，由两者的强度比，得到光纤各段的温度信息，给出高灵敏度拉曼传感光纤上各感温探测点的温度，温度变化速度和方向，利用光时域反射对感温光纤上拉曼光子感温火灾探测点定位(光纤雷达定位)。通过数字信号处理器解调，经过温度定标，在30秒内得到高灵敏度拉曼传感光纤上拉曼光子感温火灾探测点各空域处的温度变化量，测温精度±1℃，空间分辨率不大于1m，在-30℃-300℃范围内进行火灾在线监测预报，由显示器显示并通过通讯接口、通讯协议进行远程网络传输，当高灵敏度拉曼传感光纤上的拉曼光子感温火灾探测点所在空域温度达到设定的火灾报警温度时，向火灾报警控制器发出火灾报警信号。

高灵敏度拉曼传感光纤分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器的测温原理：

光纤脉冲激光器发出激光脉冲通过集成型光纤波分复用器射入高灵敏度拉曼传感光纤，激光与传感光纤分子的非线性相互作用，入射光子被一个分子散射成另一个低频斯托克斯光子或高频反斯托克斯光子，相应的分子完成两个振动态之间的跃迁，放出一个声子称为斯托克斯拉曼散射光子，吸收一个声子称为反斯托克斯拉曼散射光子，光纤分子的声子频率为13.2THz。光纤分子能级上的粒子数热分布服从波尔兹曼(Boltzmann)定律，反斯托克斯拉曼散射光与斯托克斯拉曼散射光的强度比R(T)：

$R\left(T\right)={\left[\frac{v_{\mathrm{as}}}{v_s}\right]}^4{e}^{-\left(\frac{\mathrm{h\Δ}{v}_r}{\mathrm{kT}}\right)}---\left(1\right)$

其中vas，vs分别是反斯托克斯拉曼散射光子与斯托克斯拉曼散射光子的频率，h是波朗克(Planck)常数，Δvr是一光纤分子的声子频率为13.2THz，k是波尔兹曼常数，T是凱尔文(Kelvin)绝对温度。

由两者的强度比，得到光纤各段的温度信息。拉曼散射光子的温度灵敏度，由(1)式得到：

$\frac{1}{R\left(T\right)}\frac{\mathrm{dR}\left(T\right)}{\mathrm{dT}}=\frac{{\mathrm{h\Δv}}_r}{{\mathrm{kT}}^2}---\left(2\right)$

所说的集成型光纤波分复用器可由分立的光纤双向耦合器、光纤平行光路、斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光宽带滤光片集成，具有1550nm，COM，1450nm和1660nm四个端口。

本发明的有益效果在于：

本发明采用高灵敏特种拉曼传感光纤，光纤拉曼温度信号增强了五倍以上，大大提高了分布式光纤拉曼光子温度传感器系统的信噪比，可靠性和空间分辨率，降低了成本；铺设在防灾现场的高灵敏度拉曼传感光纤是绝缘的，不带电的，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀的，是本质安全型的，光纤既是传输介质又是传感介质，是高灵敏度拉曼传感光纤，并具有50年以上的長寿命，本发明适用于中、短程0-15公里工业领域线型感温火灾探测。由于本传感光纤的灵敏度比普通市售通讯光纤高5倍以上，因此在工程设计上可架空安装在被保护动力电缆上方，可大大方便用户维护检修，及大幅度降低工程成本。(缆式线型感温和普通市售拉曼传感光纤都要接触安装在被保护动力电缆表面，因此在检修动力电缆时要把它们统统拆掉再重新安装上。)

附图说明

图1是高灵敏度拉曼传感光纤的分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器的示意图。

具体实施方式

参照图1，高灵敏度拉曼传感光纤的分布式光纤拉曼光子感温火灾探测器包括光脉冲激光器10，集成型光纤波分复用器11，高灵敏度拉曼传感光纤12，两个光电接收放大模块13、14，数字信号处理器15显示器和报警器16，集成型光纤波分复用器11具有四个端口，其中的1550nm端口与光脉冲激光器10相连，COM端口与本征型感温光纤12相连，1450nm端口与第一光电接收放大模块13相连，1660nm端口与第二光电接收放大模块14相连，第一光电接收放大模块13的另一端和第二光电接收放大模块14的另一端分别与信号处理器15相连，信号处理器15的信号输出端连接显示器和报警器16。温度信号通过通讯接口、通讯协议进行远程网络传输，当高灵敏度拉曼传感光纤上的拉曼光子感温火灾探测点所在空域温度达到设定的火灾报警温度时，向火灾报警控制器发出火灾报警信号。

其中，光脉冲激光器采用中心波长为1550nm，光谱宽度为0.1nm，激光脉冲宽度为16ns，峰值功率为10W，重复频率为4kHz的光脉冲激光器。铺设在防灾现场的高灵敏度拉曼传感光纤为15公里長的62.5/125多模光纤，感温長度为3米，具有5000个感温探测点。数字信号处理器采用通用的信号处理卡，插在计算机内，信号处理器可采用美国NI公司的双通道100MHz带宽，100MS/s采集率的NI5911型信号处理卡，或采用加拿大GaGe公司双通道，500MS/s采集率的CS21GB-1GHz型信号处理卡。

Claims (5)

1.高灵敏特种拉曼传感光纤感温火灾探测器，包括光脉冲激光器(10)，集成型光纤波分复用器(11)，高灵敏度拉曼传感光纤(12)，第一、第二光电接收放大模块(13)、(14)，数字信号处理器(15)和显示器和报警器(16)；所述集成型光纤波分复用器(11)具有四个端口，其中的1550nm端口与光脉冲激光器(10)相连，COM端口与高灵敏度拉曼传感光纤(12)相连，1450nm端口与第一光电接收放大模块(13)相连，1660nm端口与第二光电接收放大模块(14)相连，第一光电接收放大模块(13)的另一端和第二光电接收、放大模块(14)的另一端分别与数字信号处理器(15)相连，数字信号处理器(15)的信号输出端连接显示器和报警器(16)；

其特征在于：所述高灵敏度拉曼传感光纤(12)是具有高灵敏度的特种62.5/125或50/125多模光纤或单模光纤，長度为100m～15km，

其在二氧化硅(SiO2)纤芯中掺入23mol.％浓度的二氧化锗(GeO2)，纤芯与包层的折射率差约为0.030。

2.根据权利要求1所述的高灵敏特种拉曼传感光纤感温火灾探测器，可在所述高灵敏度拉曼传感光纤表面涂敷碳膜，构成碳涂层传感光纤。

3.根据权利要求1所述的高灵敏特种拉曼传感光纤感温火灾探测器，所述第一、第二光电接收放大模块(13)、(14)是由InGaAs光电雪崩二极管和相应的放大模块组成。

4.根据权利要求1所述的高灵敏特种拉曼传感光纤感温火灾探测器，所述集成型光纤波分复用器(11)，由分立的光纤双向耦合器、光纤平行光路、斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射光宽带滤光片集成。

5.根据权利要求1所述的高灵敏特种拉曼传感光纤感温火灾探测器，所述光脉冲激光器(10)的中心波长为1550nm，光谱宽度为0.1nm，激光脉冲宽度为16ns，峰值功率为10W，重复频率为4kHz。