CN102521942A

CN102521942A - 光纤探测器结构的火灾报警装置

Info

Publication number: CN102521942A
Application number: CN2012100115720A
Authority: CN
Inventors: 李恩邦
Original assignee: Tianjin Polytechnic University
Current assignee: Tianjin Polytechnic University
Priority date: 2012-01-16
Filing date: 2012-01-16
Publication date: 2012-06-27

Abstract

本发明公开了一种光纤探测器结构的火灾报警装置。该装置包括宽带光源、四端光纤环行器、参考光纤布拉格光栅、传输光纤、由光纤布拉格光栅构成的光纤探测器、电转换器、信号放大器、电平鉴别电路和逻辑判别与报警电路。本发明优点在于：光纤探测器适合高温环境下使用，测量现场无电信号，具有抗强电磁干扰、抗强烈振动的特点，能实现多点分布式或是连续分布式火灾探测，信号检测简单、可靠，调试方便且具有制造成本低。

Description

光纤探测器结构的火灾报警装置

技术领域

本发明涉及一种光纤探测器结构的火灾报警装置，属于光纤传感与火灾报警技术领域。

背景技术

火灾是指在时间和空间上失去控制的燃烧所造成的灾害。火灾一旦发生通常会对公共或个人财产带来严重损害，甚至会造成生命的损失。防止火灾的发生对于人们日常生产和生活都是极其重要的。防止火灾发生的最为有效措施之一就是在建筑物内、有火源的地点或有可燃性物体附近设置火灾探测器和报警装置。根据用途和应用场合不同，火灾探测器可以有不同的种类，常见的有以下几种：(1)感烟型火灾探测器：燃烧会产生烟雾，通过探测是否有烟雾可以判断是否有火灾发生。感烟型探测器可根据其工作原理又可分为离子感烟型、光电感烟型和激光感烟型等。其中离子感烟探测器灵敏度高、寿命长、价格低、安装使用方便，对人体无危害，故应用最为普遍。(2)感温型火灾探测器：燃烧产生热量，使周围环境温度升高，所以检测温度的变化就能够判断是否有火灾发生。感温型火灾探测器有两种，一种有火灾征兆、温度升高，当达到一定温度时，热敏元件就感应报警，这种称为定温式探测器。另一种是检测温度的上升速度，当升温速度超过某一特定值时，感应报警，称为差温式探测器。(3)感光火灾探测器：利用光敏元件探测火焰发出的光，或是利用发光器件如激光器发出一束光线，由光电探测器接收，当有燃烧产生的烟雾或其它燃烧产物出现在发光器件和光电探测器之间时，光束被散射和吸收，光电探测器接收的光功率下降，当到达设置的值时即认为有火灾发生而发出报警信号。上述火灾探测器和报警装置的使用环境温度一般在200℃以下，对于普通的火灾探测是可以满足使用要求。另一类火灾是发生在正常工作在高温，由于温度超出正常使用范围而造成局部过热，发生火灾。例如航空发动机和各种高温加热设备就属于这一类。在这种情况下，上述的普通火灾探测器和报警装置则无法使用。现有的方法包括采用能在高温下工作的温度传感器，如热电耦，探测温度，来判断是否有过热的情况出现。采用该方法尽管设备简单，成本低，但在恶劣环境下易受其它因素(如强电磁场)干扰，其可靠性会受到影响。此外，当需要进行多点或连续探测时，就要使用多个热电耦。现有的一种连续式探测元件是在因康合金管子的中心设有一根导线，导线和管子之间充填由共晶盐浸过的绝缘材料。此共晶盐的电阻在常温下很高，近似绝缘体。当温度升高到440°F/227℃时，其电阻突然减小，将中心导线和合金管连通，因康合金管是接地的，中心导线和控制电路相连，因此控制电路就得到一个接地信号。这种探测器也易受强电磁场或强烈振动的干扰。

发明内容

本发明的目的在于提供一种光纤探测器结构的火灾报警装置。该火灾报警装置不但具有抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀、灵敏度高的特点，而且便于实现多点复用和组网远程监测。

本发明是通过下述技术方案加以实现的，一种光纤探测器结构的火灾报警装置，该火灾报警装置包括一个四端光纤环行器102，四端光纤环行器的第一个端口连接宽带光源101，第二个端口连接参考光纤布拉格光栅103，第四个端口连接光电转换器108，光电转换器之后依次连接信号放大器109、电平鉴别电路110和逻辑判别与报警电路111，其特征在于，四端光纤环形器的第三个端口通过传输光纤104，连接由光纤布拉格光栅构成的光纤探测器105。

上述的光纤探测器为由一个或者多个光纤布拉格光栅构成的光纤探测器，或为由一个连续分布的光纤布拉格光栅构成的光纤探测器。

上述的火灾报警装置，当光纤探测器采用一个或者多个光纤布拉格光栅时，其实现火灾报警的过程是：由宽带光源发出的光输入至四端光纤环行器的第一端口，经四端光纤环行器的第二端口至参考光纤布拉格光栅，参考光纤布拉格光栅的中心波长为λ_R，中心波长为λ_R的光谱部分被参考光纤布拉格光栅反射后，由四端光纤环行器的第三端口经传输光纤输入至一个或者多个由光纤布拉格光栅构成光纤探测器，光纤探测器的中心波长为λ_S，λ_S≤λ_R，当某一个或多个光纤探测器因其感受的温度升高，光纤探测器的中心波长λ_S向长波长方向移动，当温度升至一预先设置的温度TC时，λ_S＝λ_R，中心波长为λ_R的光谱部分被光纤探测器反射，经传输光纤回到四端光纤环行器的第三端口，再由四端光纤环行器的第四端口输入至光电转换器，转换为电信号，经放大器进行直流电压放大，由电平鉴别电路与一设定的电压值比较，当信号电平超过设定的值时，触发逻辑电路发出三种报警信号：TTL电平由低变高，LED指示器点亮，蜂鸣器发出蜂鸣声；使用逻辑电路的复位键进行复位操作，完成报警过程。

上述的火灾报警装置，当光纤探测器采用一个连续分布光纤布拉格光栅时，其实现火灾报警的过程是：由宽带光源发出的光输入至四端光纤环行器的第一端口，经四端光纤环行器的第二端口至参考光纤布拉格光栅，参考光纤布拉格光栅的中心波长为λ_R，中心波长为λ_R的光谱部分被参考光纤布拉格光栅反射后，由四端光纤环行器的第三端口经传输光纤输入至一个连续分布光纤布拉格光栅构成光纤探测器，光纤探测器的中心波长为λ_S，λ_S≤λ_R，当该连续分布光纤布拉格光栅的某一部分因其感受的温度升高，光纤探测器的反射光谱出现两个峰值，其中之一的中心波长保持不变，另一个中心波长λ_S向长波长方向移动，当温度升至一预先设置的温度T_C时，λ_S＝λ_R，中心波长为λ_R的光谱部分被光纤探测器反射，经传输光纤回到四端光纤环行器的第三端口，再由四端光纤环行器的第四端口输入至光电转换器，转换为电信号，经放大器进行直流电压放大，由电平鉴别电路与一设定的电压值比较，当信号电平超过设定的值时，触发逻辑电路发出三种报警信号：TTL电平由低变高，LED指示器点亮，蜂鸣器发出蜂鸣声；使用逻辑电路的复位键进行复位操作，完成报警过程。

与现有技术相比，本发明火灾报警装置具有如下显著的进步：采用光纤布拉格光栅作为探测元件，适合高温环境下使用，特别适合包括航空发动机和各种高温加热设备这一类特殊场合的应用；采用全光纤设计可以实现测量现场无电信号，具有抗强电磁干扰、抗强烈振动的特点。同时具有本征安全的特点，这对于易燃、易爆场合的测量是至关重要的；可以实现多点分布式火灾探测，或是连续分布式火灾探测，而且所有的探测器均以串接的方式由同一传输光纤连接；信号检测简单、可靠，调试方便且具有制造成本低的优点；利用光纤布拉格光栅的波分复用特性，可以进行多点连网和远程监测。

附图说明

图1为本发明火灾报警装置结构框图。

图中：101为宽带光源；102为四端光纤环行器；103为参考光纤布拉格光栅；104为传输光纤；105为由光纤布拉格光栅构成的光纤探测器；108为光电转换器；109为信号放大器；110为电平鉴别电路；111为逻辑判别与报警电路。

图2为由三个分立的光纤布拉格光栅构成的光纤探测器结构示意图。

图中：201为单模光纤；202、203、204为光纤布拉格光栅；205为火源。

图3为由一个连续分布的光纤布拉格光栅构成的光纤探测器结构示意图。

图中：201为单模光纤；205为火源；206为光纤布拉格光栅；207为光纤布拉格光栅的受热部分。

图4为光纤布拉格光栅反射光谱图。

图中：301为参考光纤布拉格光栅的反射光谱；302为光纤探测器在常温下的反射光谱；303为光纤探测器温度升高时的反射光谱；304为连续分布的光纤布拉格光栅构成的光纤探测器的某一部分温度升高时的反射光谱；305为连续分布的光纤布拉格光栅构成的光纤探测器的受热部分的反射光谱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。本发明所涉及的光纤探测器可以通过不同的形式加以实现。可以将一个或者多个长度较短的光纤布拉格光栅构成分立的点式光纤探测器。或是使用一个具有一定长度的光纤布拉格光栅构成一个连续分布式的光纤探测器。

实施例1：以点式光纤探测器构成的火灾报警装置：

如附图1所示，宽带光源101为普通市售的ASE光源模块，其输出光谱范围为1520-1565nm，输出功率为5mW。四端光纤环行器102是普通通信波段的环行器。参考光纤布拉格光栅103采用JDS Uniphase生产的WDM光纤光栅产品，其中心波长λ_R为1550.2nm，该光纤光栅具有温度补偿封装，在外界温度发生变化时，λ_R保持稳定。传输光纤104为普通单模光纤。宽带光源101的输出与四端光纤环行器102的第一端口相连，四端光纤环行器102的第二端口与参考光纤布拉格光栅103的一端相连，参考光纤布拉格光栅103的另一端切8度角，以减少端面反射。四端光纤环行器102的第三端口通过传输光纤104与由光纤布拉格光栅构成分立的点式光纤探测器105相连。光纤探测器的数目可根据需要决定，可以是一个，也可以是多个。

光纤探测器中的光纤布拉格光栅采用红外飞秒激光器制作，光栅是由激光脉冲在普通单模光纤中引起的物理损伤构成的。所以，与一般的光纤布拉格光栅不同，由此制成的光栅可以在1200℃温度下工作，而不会擦除光栅结构或是使布拉格光栅老化，因此具有耐高温的特点。在本实施例中，光纤布拉格光栅202、203、204的长度为5mm，它们之间的距离为500mm，该间距可根据具体应用情况改变。由于光纤布拉格光栅的长度远小于它们之间的间距，故所构成的光纤探测器属分立的点式光纤探测器。光纤布拉格光栅202、203、204在室温(23℃)下具有相同的中心波长λ_S＝1538.0nm。通过选择参考光纤布拉格光栅103的中心波长λ_R和探测器光纤布拉格光栅202、203、204的中心波长λ_S的值，可以设置报警温度。在本实施例中报警温度设置在810℃。

光电转换器108使用Thorlabs公司提供的带光纤接口的DET01CFC探测器，信号放大器109使用LM324集成运算放大器，电平鉴别电路110采用LM311电压比较器，逻辑判别与报警电路111主要由74LS175构成。

如附图1所示，在火灾报警装置处于常温状态时，由宽带光源101产生的宽谱光中的以λ_R为中心波长的部分被参考光纤布拉格光栅103反射。但由于此时λ_S≤λ_R，这部分光将通过传输光纤104和光纤探测器105，没有光被反射回光电转换器108。此时光电转换器108的输出仅为其暗电流，信号放大器109输出的电压低于设定的电平，电平鉴别电路110输出低电平，逻辑判别与报警电路111输出低电平。当光纤探测器105周围的温度升高时，其反射光谱将向长波方向移动(图4中的303)。当温度升至810℃时，λ_S＝λ_R，光纤探测器105将被参考光纤布拉格光栅103反射的光再次反射至光电转换器108，使之输出电流增大，信号放大器109输出电压上升，高于设定的电平，电平鉴别电路110输出高平，逻辑判别与报警电路111输出高平，同时点亮LED指示器，蜂鸣器发出蜂鸣声，进行报警。逻辑判别与报警电路111设有复位键，按下复位键取消报警信号。

实施例2：以连续分布式的光纤探测器构成的火灾报警装置：

如附图1和附图3所示，本发明的第二种实施方式与第一种实施方式的区别在于，光纤探测器是由一长度为100mm的光纤布拉格光栅经封装制成。100mm的栅区形成一个连续分布的温度敏感区。在此区间内，任何部分的温度升高都会使光纤布拉格光栅的反射峰由一个分裂成两个(图4中的304和305)，其中一个反射峰304的中心波长保持不变，另一个反射峰305的中心波长随温度升高而向长波方向移动。在本实施例中，光纤布拉格光栅在室温(23℃)下的中心波长1538.0nm。当温度升至810℃时，反射峰305的中心波长λ_S＝λ_R，光纤探测器将被参考光纤布拉格光栅103反射的光再次反射至光电转换器108，使之输出电流增大，信号放大器109输出电压上升，高于设定的电平，电平鉴别电路110输出高平，逻辑判别与报警电路111输出高平，同时点亮LED指示器，蜂鸣器发出蜂鸣声，进行报警。逻辑判别与报警电路111设有复位键，按下复位键取消报警信号。

本领域的专业技术人员都清楚，本发明的思想可采用上面列举的具体实施方式以外的其它方式实现。

Claims

1.一种光纤探测器结构的火灾报警装置，该火灾报警装置包括一个四端光纤环行器(102)，四端光纤环行器的第一个端口连接宽带光源(101)，第二个端口连接参考光纤布拉格光栅(103)，第四个端口连接光电转换器(108)，光电转换器之后依次连接信号放大器(109)、电平鉴别电路(110)和逻辑判别与报警电路(111)，其特征在于，四端光纤环行器的第三个端口通过传输光纤(104)，连接由光纤布拉格光栅构成的光纤探测器(105)。

2.按权利要求1所述的光纤探测器结构的火灾报警装置，其特征在于，光纤探测器为由一个或者多个光纤布拉格光栅构成的光纤探测器，或为由一个连续分布的光纤布拉格光栅构成的光纤探测器。