CN106297150A - 一种隧道温度监测系统及温度监测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种隧道温度监测系统，包括：四端口耦合器，其第一端口与宽带光源连，第二端口与三角形光纤光栅一端连，第三端口与n个布拉格光纤光栅串联，第四端口与第一光电探测器连，第一光电探测器与第一中央处理器连；第二光电探测器，其与三角形光纤光栅另一端连，第二光电探测器与第一中央处理器连，第一中央处理器与无线发射器连；无线接收器，其与无线发射器连，无线接收器与第二中央处理器连，第二中央处理器与智能终端连。本发明还提供了一种隧道温度监测系统的温度监测方法。本发明的有益效果：结构简单、成本低、稳定性好、可实现大范围监测、并能准确判断出发生危险情况的位置。

Description

一种隧道温度监测系统及温度监测方法
技术领域
本发明涉及安全监测技术领域，具体而言，涉及一种隧道温度监测系统及温度监测方法。
背景技术
隧道跟我们的日常生活息息相关，每天都有大量的车辆在隧道中行驶，其高负荷运行都会使其极易损害，任何细小的事故都将导致严重的后果。其中，火灾是隧道的高度危险之一。火灾一旦发生，往往会一发不可收拾，很可能造成重大伤亡。为了确保火灾报警的可靠无误，希望火灾监测系统应能迅速探测温度变化。现有隧道火灾监控系统具有以下缺点：
(1)对明火明光进行探测，容易受到干扰，会引起漏报或误报，影响正常工作运作；
(2)易受电磁干扰，传输距离短；
(3)检测信号微弱对激光光源的要求较高且易损坏，而且分析计算的计算量较大，监测距离越远、要求的空间分辨率和温度精度越高，其相应速度就越低；
(4)传感光纤光栅和匹配光纤光栅的数量相同，且波长完全匹配，结构复杂，制作麻烦。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种隧道温度监测系统及温度监测方法，以解决现有技术中存在的问题。
本发明提供了一种隧道温度监测系统，包括：
四端口耦合器，其第一端口与宽带光源连接，所述四端口耦合器的第二端口与三角形光纤光栅的一端连接，所述四端口耦合器的第三端口与第一至第n布拉格光纤光栅串联连接，所述四端口耦合器的第四端口与第一光电探测器的输入端连接，所述第一光电探测器的输出端与第一中央处理器的输入端连接；
第二光电探测器，其输入端与所述三角形光纤光栅的另一端连接，所述第二光电探测器的输出端与所述第一中央处理器的输入端连接，所述第一中央处理器的输出端与无线发射器的输入端连接；
无线接收器，其输入端与所述无线发射器的输出端连接，所述无线接收器的输出端与第二中央处理器的输入端连接，所述第二中央处理器的输出端与智能终端连接；
其中，
n≥2，所述第一至第n布拉格光纤光栅的中心波长均相等，反射率均不相同。
作为本发明进一步的改进，所述四端口耦合器由四端口环形器取代，所述四端口环形器的第一端口与宽带光源连接，所述四端口环形器的第二端口与三角形光纤光栅的一端连接，所述四端口环形器的第三端口与第一至第n布拉格光纤光栅串联连接，所述四端口环形器的第四端口与第一光电探测器的输入端连接，所述第一光电探测器的输出端与第一中央处理器的输入端连接。
作为本发明进一步的改进，所述第一至第n布拉格光纤光栅的中心波长均为1520nm～1580nm，所述三角形光纤光栅的中心波长为1510nm～1610nm。
作为本发明进一步的改进，所述第一中央处理器和所述第二中央处理器均采用单片机。
作为本发明进一步的改进，所述宽带光源为ASE光源。
作为本发明进一步的改进，所述智能终端采用平板或手机。
本发明还提供了一种隧道温度监测系统的温度监测方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，将所述第一至第n布拉格光纤光栅均匀布置在隧道的顶壁上，其中，所述第一至第n布拉格光纤光栅的中心波长均为λ，反射率分别为R81、R82、R83、…、R8n；
步骤2，获取所述宽带光源的初始光功率P0和隧道没有发生火灾时的初始温度T0；
步骤3，分别对所述第一至第n布拉格光纤光栅进行初始测试，通过所述第二光电探测器分别探测所述第一至第n布拉格光纤光栅透过所述三角形光纤光栅的初始光功率P81、P82、P83、…、P8n；
步骤4，当隧道温度变化时，根据所述第二光电探测器探测到透过所述三角形光纤光栅的光功率P1，并根据所述第一光电探测器探测到的光功率P2来判断所述宽带光源是否有波动；
如果P2＝0，则所述宽带光源没有波动，所述第一中央处理器将P1与P81、P82、P83、…、P8n的值进行比较；
如果P2≠0，则所述宽带光源有波动，所述第一中央处理器将所述第一光电探测器和所述第二光电探测器进行校准，消除所述宽带光源的波动影响，将所述第二光电探测器探测到透过所述三角形光纤光栅的光功率校准为P1/(1-P2/P0)，所述第一中央处理器将P1/(1-P2/P0)与P81、P82、P83、…、P8n的值进行比较；
步骤5，所述第一中央处理器根据比较的结果，判断光功率差最大的布拉格光纤光栅处发生火灾危险，并将该危险信号通过所述无线发射器和所述无线接收器发送到所述第二中央处理器，所述第二中央处理器将该危险信号通过所述智能终端显示并报警提示，根据报警提示，人工现场判断该处是否发生火灾危险，如果是发生危险，则进行步骤6；
步骤6，所述第二中央处理器将该危险信号进行波长解调，根据光功率的变化量得到波长漂移量，得到温度变化值Ti；
步骤7，重复步骤4-6，得到N个温度变化值；
步骤8，所述第二中央处理器计算N个温度变化值的统计量：
温度变化均值：
温度变化方差：
式中，Ti为N个温度变化值中的第i个温度变化值；
步骤9，所述第二中央处理器根据计算出的统计量判断是否落在统计量参考范围内，如果是，则说明温度变化值解调正确，将这N个温度变化值存储在所述第二中央处理器中；
步骤10，统计标定完成后，所述第二中央处理器根据接收到的危险信号和统计量进行比较，直接判断出是否发生火灾危险并确定发生危险的布拉格光纤光栅位置，通过所述智能终端进行显示并报警，提示工作人员进行现场处理。
本发明的有益效果为：
1、结构简单、易于实现、能实现长距离监测；
2、采用两个光电探测器，消除了光源波动的影响，能准确判断出发生危险情况的位置；
3、采用三角形光纤光栅作为匹配光栅，带宽较宽，适应于大范围监测，稳定性好，可以有效分离温度特性和应变特性，同时，三角形光纤光栅的反射率随入射光的波长变化，呈线性关系，可以有效将入射光波长的变化转换为光功率的变化，实现滤波器功能，减少环境温度波动的影响，提高解调精度；
4、通过对温度变化值的统计量进行分析，可以准确判断出火灾发生的位置，避免人为因素造成的影响；
5、采集处理设备结构简单、整体成本低。
附图说明
图1为本发明实施例所述的一种隧道温度监测系统的结构示意图；
图2为本发明实施例所述的一种隧道温度监测系统的温度监测方法流程示意图。
图中，
1、宽带光源；2、四端口耦合器；3、三角形光纤光栅；41、第一光电探测器；42、第二光电探测器；51、第一中央处理器；52、第二中央处理器；6、无线发射器；7、无线接收器；81、第一布拉格光纤光栅；82、第二布拉格光纤光栅；83、第三布拉格光纤光栅；8n、第n布拉格光纤光栅；9、智能终端。
具体实施方式
下面通过具体的实施例并结合附图对本发明做进一步的详细描述。
实施例1，如图1所示，本发明实施例的一种隧道温度监测系统，包括：
四端口耦合器2，其第一端口与宽带光源1连接，四端口耦合器2的第二端口与三角形光纤光栅3的一端连接，四端口耦合器2的第三端口与第一至第n布拉格光纤光栅81、82、83、…、8n串联连接，四端口耦合器2的第四端口与第一光电探测器41的输入端连接，第一光电探测器41的输出端与第一中央处理器51的输入端连接。
第二光电探测器42，其输入端与三角形光纤光栅3的另一端连接，第二光电探测器42的输出端与第一中央处理器51的输入端连接，第一中央处理器51的输出端与无线发射器6的输入端连接。
无线接收器7，其输入端与无线发射器6的输出端连接，无线接收器7的输出端与第二中央处理器52的输入端连接，第二中央处理器52的输出端与智能终端9连接。
其中，n≥2，第一至第n布拉格光纤光栅81、82、83、…、8n的中心波长均相等，反射率均不相同。第一至第n布拉格光纤光栅81、82、83、…、8n的中心波长均为1520nm～1580nm。本发明的布拉格光纤光栅取此范围内的任意中心波长，并且中心波长均相同。第一至第n个窄带布拉格光纤光栅的反射率为0％～100％。本发明的布拉格光纤光栅取此范围内的任意反射率，并且反射率均不相同。可以根据测试范围和测试精度来确定布拉格光纤光栅的数量。三角形光纤光栅3的中心波长为1510nm～1610nm。
第一中央处理器51和第二中央处理器52均采用单片机。智能终端9采用平板或手机。宽带光源1为ASE光源。
实施例2，与实施例1不同之处在于，四端口耦合器2由四端口环形器取代，四端口环形器的第一端口与宽带光源1连接，四端口环形器的第二端口与三角形光纤光栅3的一端连接，四端口环形器的第三端口与第一至第n布拉格光纤光栅81、82、83、…、8n串联连接，四端口环形器的第四端口与第一光电探测器41的输入端连接，第一光电探测器41的输出端与第一中央处理器51的输入端连接。
第三实施例，如图2所示，本发明一种隧道温度监测系统的温度监测方法，该方法包括以下步骤：
步骤1，将第一至第n布拉格光纤光栅81、82、83、…、8n均匀布置在隧道的顶壁上，其中，第一至第n布拉格光纤光栅81、82、83、…、8n的中心波长均为λ，反射率分别为R81、R82、R83、…、R8n；
步骤2，获取宽带光源1的初始光功率P0和隧道没有发生火灾时的初始温度T0；
步骤3，分别对第一至第n布拉格光纤光栅81、82、83、…、8n进行初始测试，通过第二光电探测器42分别探测第一至第n布拉格光纤光栅81、82、83、…、8n透过三角形光纤光栅3的初始光功率P81、P82、P83、…、P8n；
步骤4，当隧道温度变化时，根据第二光电探测器42探测到透过三角形光纤光栅3的光功率P1，并根据第一光电探测器41探测到的光功率P2来判断宽带光源1是否有波动；
如果P2＝0，则宽带光源1没有波动，第一中央处理器51将P1与P81、P82、P83、…、P8n的值进行比较；
如果P2≠0，则宽带光源1有波动，第一中央处理器51将第一光电探测器41和第二光电探测器42进行校准，消除宽带光源1的波动影响，将第二光电探测器42探测到透过三角形光纤光栅3的光功率校准为P1/(1-P2/P0)，第一中央处理器51将P1/(1-P2/P0)与P81、P82、P83、…、P8n的值进行比较；
步骤5，第一中央处理器51根据比较的结果，判断光功率差最大的布拉格光纤光栅处发生火灾危险，并将该危险信号通过无线发射器7和无线接收器8发送到第二中央处理器52，第二中央处理器52将该危险信号通过智能终端9显示并报警提示，根据报警提示，人工现场判断该处是否发生火灾危险，如果是发生危险，则进行步骤6；
步骤6，第二中央处理器52将该危险信号进行波长解调，根据光功率的变化量得到波长漂移量，得到温度变化值Ti；
步骤7，重复步骤4-6，得到N个温度变化值；
步骤8，第二中央处理器52计算N个温度变化值的统计量：
温度变化均值：
温度变化方差：
式中，Ti为N个温度变化值中的第i个温度变化值；
步骤9，第二中央处理器52根据计算出的统计量判断是否落在统计量参考范围内，如果是，则说明温度变化值解调正确，将这N个温度变化值存储在第二中央处理器52中；
步骤10，统计标定完成后，第二中央处理器52根据接收到的危险信号和统计量进行比较，直接判断出是否发生火灾危险并确定发生危险的布拉格光纤光栅位置，通过智能终端9进行显示并报警，提示工作人员进行现场处理。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种隧道温度监测系统，其特征在于，包括：
四端口耦合器(2)，其第一端口与宽带光源(1)连接，所述四端口耦合器(2)的第二端口与三角形光纤光栅(3)的一端连接，所述四端口耦合器(2)的第三端口与第一至第n布拉格光纤光栅(81、82、83、…、8n)串联连接，所述四端口耦合器(2)的第四端口与第一光电探测器(41)的输入端连接，所述第一光电探测器(41)的输出端与第一中央处理器(51)的输入端连接；
第二光电探测器(42)，其输入端与所述三角形光纤光栅(3)的另一端连接，所述第二光电探测器(42)的输出端与所述第一中央处理器(51)的输入端连接，所述第一中央处理器(51)的输出端与无线发射器(6)的输入端连接；
无线接收器(7)，其输入端与所述无线发射器(6)的输出端连接，所述无线接收器(7)的输出端与第二中央处理器(52)的输入端连接，所述第二中央处理器(52)的输出端与智能终端(9)连接；
其中，
n≥2，所述第一至第n布拉格光纤光栅(81、82、83、…、8n)的中心波长均相等，反射率均不相同。
2.根据权利要求1所述的隧道温度监测系统，其特征在于，所述四端口耦合器(2)由四端口环形器取代，所述四端口环形器的第一端口与宽带光源(1)连接，所述四端口环形器的第二端口与三角形光纤光栅(3)的一端连接，所述四端口环形器的第三端口与第一至第n布拉格光纤光栅(81、82、83、…、8n)串联连接，所述四端口环形器的第四端口与第一光电探测器(41)的输入端连接，所述第一光电探测器(41)的输出端与第一中央处理器(51)的输入端连接。
3.根据权利要求1所述的隧道温度监测系统，其特征在于，所述第一至第n布拉格光纤光栅(81、82、83、…、8n)的中心波长均为1520nm～1580nm，所述三角形光纤光栅(3)的中心波长为1510nm～1610nm。
4.根据权利要求1所述的隧道温度监测系统，其特征在于，所述第一中央处理器(51)和所述第二中央处理器(52)均采用单片机。
5.根据权利要求1所述的隧道温度监测系统，其特征在于，所述智能终端(9)采用平板或手机。
6.根据权利要求1所述的隧道温度监测系统，其特征在于，所述宽带光源(1)为ASE光源。
7.一种利用权利要求1所述的隧道温度监测系统的温度监测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤1，将所述第一至第n布拉格光纤光栅(81、82、83、…、8n)均匀布置在隧道的顶壁上，其中，所述第一至第n布拉格光纤光栅(81、82、83、…、8n)的中心波长均为λ，反射率分别为R81、R82、R83、…、R8n；
步骤2，获取所述宽带光源(1)的初始光功率P0和隧道没有发生火灾时的初始温度T0；
步骤3，分别对所述第一至第n布拉格光纤光栅(81、82、83、…、8n)进行初始测试，通过所述第二光电探测器(42)分别探测所述第一至第n布拉格光纤光栅(81、82、83、…、8n)透过所述三角形光纤光栅(3)的初始光功率P81、P82、P83、…、P8n；
步骤4，当隧道温度变化时，根据所述第二光电探测器(42)探测到透过所述三角形光纤光栅(3)的光功率P1，并根据所述第一光电探测器(41)探测到的光功率P2来判断所述宽带光源(1)是否有波动；
如果P2＝0，则所述宽带光源(1)没有波动，所述第一中央处理器(51)将P1与P81、P82、P83、…、P8n的值进行比较；
如果P2≠0，则所述宽带光源(1)有波动，所述第一中央处理器(51)将所述第一光电探测器(41)和所述第二光电探测器(42)进行校准，消除所述宽带光源(1)的波动影响，将所述第二光电探测器(42)探测到透过所述三角形光纤光栅(3)的光功率校准为P1/(1-P2/P0)，所述第一中央处理器(51)将P1/(1-P2/P0)与P81、P82、P83、…、P8n的值进行比较；
步骤5，所述第一中央处理器(51)根据比较的结果，判断光功率差最大的布拉格光纤光栅处发生火灾危险，并将该危险信号通过所述无线发射器(6)和所述无线接收器(7)发送到所述第二中央处理器(52)，所述第二中央处理器(52)将该危险信号通过所述智能终端(9)显示并报警提示，根据报警提示，人工现场判断该处是否发生火灾危险，如果是发生危险，则进行步骤6；
步骤6，所述第二中央处理器(52)将该危险信号进行波长解调，根据光功率的变化量得到波长漂移量，得到温度变化值Ti；
步骤7，重复步骤4-6，得到N个温度变化值；
步骤8，所述第二中央处理器(52)计算N个温度变化值的统计量：
温度变化均值：
温度变化方差：
式中，Ti为N个温度变化值中的第i个温度变化值；
步骤9，所述第二中央处理器(52)根据计算出的统计量判断是否落在统计量参考范围内，如果是，则说明温度变化值解调正确，将这N个温度变化值存储在所述第二中央处理器(52)中；
步骤10，统计标定完成后，所述第二中央处理器(52)根据接收到的危险信号和统计量进行比较，直接判断出是否发生火灾危险并确定发生危险的布拉格光纤光栅位置，通过所述智能终端(9)进行显示并报警，提示工作人员进行现场处理。
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