CN112798562A - 一种透射式隧道火灾监测装置及监测方法 - Google Patents

一种透射式隧道火灾监测装置及监测方法 Download PDF

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潘孙强
刘素梅
胡朋兵
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Abstract

本发明提供一种透射式隧道火灾监测装置，包括至少一对架设在隧道内相对位置的发射单元、接收单元、连接发射单元和接收单元的光纤以及上位机。发射单元的光路部分包括激光器，分光镜，第一透镜、第一光电探测器和扩束镜，发射单元的电路部分包括滤波放大电路、模数转换电路、发射端无线通信模块；接收单元光路部分包括第二透镜、第二光电探测器，接收单元的电路部分包括锁相放大器、模数转换电路和接收端无线通信模块；光路采用双端结构，激光器发出的经过调制的光束由分光镜分成两路。本发明同时给出采用此种装置的火灾监测方法。本发明具有稳定性好，精确度高的优点。

Description

一种透射式隧道火灾监测装置及监测方法
技术领域
本发明涉及一种隧道内火灾的监测的装置，基于光电技术，设计用于隧道中的火灾监测和预警。装置通过实时监测隧道中大气的消光系数，实现隧道现场中非接触式的火灾预警功能，用于对铁路、公路内隧道内火灾的长期在线监测和报警。
背景技术
隧道作为交通的咽喉要道，其建筑建构复杂，环境密闭，建筑结构多为狭长型，空间小，道路小，通风条件较差。隧道内多种事故类型均可能导致火灾的发生，例如车辆本身故障，车辆撞击，运输货物起火等。由于隧道的结构特征，一旦发生火灾后，相较于开阔地带，隧道内火灾的燃烧蔓延速度更快，烟雾扩散更快，由于隧道的通风条件差，烟雾很容易在隧道内呈现聚焦的状态，难以排出隧道外，隧道内的烟雾和有毒气体浓度非常高。因此，隧道火灾的监测及报警装置的重要性不言而喻。
目前在高速公路中，常用的火灾监测装置包括，线性感温电缆、分布式光纤探测器和双波长火焰探测器。线性感温电缆是目前在我国使用最广泛的火灾报警手段，它由两根弹性钢丝分别包裹热敏材料，绞对成型，绕包带再加外护套而制成，当电缆周围温度上升到额定温度时，其钢丝间热敏绝缘材料性能被破坏，绝缘电阻接近于短路，火灾报警控制器检测到这一变化后报出火灾信号。其优点是便宜，且在恶劣环境下具有较好的可靠性。但其缺点是隧道内温度场本身变化较大，容易产生漏报和误报，另外响应时间长，无法真正的实现预警的效果。分布式光纤探测器也是受外界温度影响较大。双波长火焰探测器问题较多，比如易受到光污染，且在事故判断时，由于隧道内的能见度较差，探测器可能不被处触发，此外，该系统对维护的要求较高。
发明内容
本发明的目的是提供一种可靠性高，可以实现隧道火灾长期在线精确监测和报警的监测装置，并给出利用此种装置实现的火灾监测和报警方法。技术方案如下：
一种透射式隧道火灾监测装置，包括至少一对架设在隧道内相对位置的发射单元、接收单元、连接发射单元和接收单元的光纤以及上位机，其特征在于，
所述的发射单元的光路部分包括激光器，分光镜，第一透镜、第一光电探测器和扩束镜，发射单元的电路部分包括滤波放大电路、模数转换电路、发射端无线通信模块；
所述的接收单元光路部分包括第二透镜、第二光电探测器，接收单元的电路部分包括锁相放大器、模数转换电路和接收端无线通信模块；
光路采用双端结构，激光器发出的经过调制的光束由分光镜分成两路，一路经第一透镜聚焦后直接由第一光电探测器采集信号，此路信号表征的是光源光强信号，另一路经过距离L处的第二透镜聚焦后再由第二光电探测器接收信号，此路信号表征的是经过L距离的大气衰减后的光强信号；
激光光源发射的经过调制的光束被分光镜分光后由第一光电探测器直接测量所得，第一光电探测器接收的信号经滤波放大电路和模数转换后得到光源光强信号，此信号经过发射端无线通信模块发送出去；
激光光源发射的经过调制的光束经过L距离的大气衰减后由第二光电探测器接收；激光光源的调制信号经由连接发射单元和接收单元的光纤传输后作为锁相放大电路的参考信号；通过所述的锁相放大电路将第二光电探测器接受到的有用信号提取出来并放大，经解调和模数转换后得到大气衰减后的光强信号，此信号经过接收端无线通信模块发送出去；
上位机，用于接收发射单元和接收单元发送的光源光强信号和大气衰减后的光强信号，并对同一对发射单元和接收单元发送的信号进行反演计算，获得当前的大气消光系数。
进一步地，发射单元和接收单元之间的最大安装距离为100m。
进一步地，激光器作为光源发射波长650nm的经过调制的红光。
本发明同时提供利用所述的透射式隧道火灾监测装置实现的火灾监测方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)上位机利用无线通信方式接收同一对发射单元和接收单元发送的光源光强信号和大气衰减后的光强信号；
(2)上位机进行反演计算，获得当前的大气消光系数获取监测隧道内气体环境的消光系数，激光器发出的光强I0的光和经光程距离L后衰减成光强值I的光，根据下列公式计算出大气消光系数α：
Figure BDA0002900420560000021
光源的光强I0和衰减后的光强值(I)分别由第一光电探测器和第二光电探测器监测得到；k为标定系数；
(2)上位机在监测到根据同一对发射单元和接收单元发送的信号反演的消光系数发生明显变化，且此处的监测数据较其它布点处的监测数据差异明显，变化值超出预设阈值，形成“是否发生火灾”的复合条件判断，实现隧道内火灾的预警。
进一步地，使用已知透过率的光学衰减片模拟大气消光特性进行标定，确定系数k值。
本发明利用针对隧道内温度场本身变化较大，且能见度较差的特点，设计了双端结构的光路系统，以经过调制的激光器发射光束作为光源，在隧道内不同的监测位置各架设一组发射单元、接收单元，在发射单元和接收单元之间还连接有光纤进行调制光信号的传输。激光光源发射的经过调制的光束经过L距离的大气衰减后由第二光电探测器接收；激光光源的调制信号经由连接发射单元和接收单元的光纤传输后作为锁相放大电路的参考信号；通过所述的锁相放大电路将第二光电探测器接受到的有用信号提取出来并放大，经解调和模数转换后得到大气衰减后的光强信号，此信号经过接收端无线通信模块发送出去；上位机接收发射单元和接收单元发送的光源光强信号和大气衰减后的光强信号，并对同一对发射单元和接收单元发送的信号进行反演计算，获得当前的大气消光系数，在监测到根据同一对发射单元和接收单元发送的信号反演的消光系数发生明显变化，且此处的监测数据较其它布点处的监测数据差异明显，变化值超出预设阈值，形成“是否发生火灾”的复合条件判断，实现隧道内火灾的预警。本发明具有可靠性高，不易受外界温度影响，且能够实现长期、精确的火灾监测和预警的优点。
附图说明：
图1透射式隧道火灾监测装置安装示意图
图2透射式隧道火灾监测装置的光学结构示意图
图3透射式隧道火灾监测装置的工作原理图
附图标记说明如下：
1发射单元的固定支架 2发射单元
3连接发射和接收单元的光纤 4接收单元
5接收单元的固定支架 6半导体激光器
7分光镜 8透镜
9光电探测器 10扩束镜
11透镜 12光电探测器
具体实施方式
以下将结合附图及具体实施，对本发明提出的透射式隧道火灾监测装置及监测方法进行详细说明。
本发明基于比尔朗伯定律，利用激光透射，实现隧道内的火灾报警。如图1所示，透射式隧道火灾监测装置包括一个发射单元和一个接收单元。图1中，2为透射式隧道火灾监测装置的发射单位，1为发射单元的固定支架，4为透射式隧道火灾监测装置的接收单元，5为接收单元的固定支架，3为连接发射和接收单元的光纤。根据隧道的建筑设计确定透射式隧道火灾监测装置的装置布点数及两单元间的安装距离(两单元间的最大安装距离为100m)。
透射式隧道火灾监测装置主要由光学部分和电路部分构成。其中，光学部分主要包括激光器，分光镜，扩束镜，透镜和光电探测器构成，图2为透射式隧道火灾监测装置的光学结构示意图，图2中6为半导体激光器，7为分光镜，8为透镜，9为光电探测器，10为扩束镜，11为透镜，12为光电探测器，图2中的6,7,8,9,10五个部分包括在图1中的第2部分中，即在发射单元中，图2中的透镜11,光电探测器12两个部分包括在图1中的第4部分，即在接收单元中。如图1所示，系统光路采用双端结构，发射单元采用半导体激光二极管作为光源，光源为波长650nm的红光。为避免长期工作时光源功率不稳对测量结果造成影响，光学系统部分引入分光镜和参考探测器对光源发光强度进行实时监测，即光源发出的光束由分光镜分成两路，一路经透镜8聚焦后直接由光电探测器采集信号，作为参考信号，另一路经过距离L处的透镜11聚焦后再由光电探测器接收信号。
火场起火时烟雾的消光作用会导致隧道内大气消光系数的显著变化，透射式隧道火灾监测装置通过不间断监测隧道内气体环境的消光系数从而实现隧道内火灾的预警。参考图2，激光发出光源的光强(I0)和经光程距离L后衰减后的光强值(I)满足比尔朗伯定律，如下式所示
I＝kI0exp(-α·L) (1)
式中k为由系统结构决定的常数，它修正了镜片损耗等因素造成的非大气衰减的消光(k值需在出厂时进行标定)。由公式(1)可推导出消光系数
Figure BDA0002900420560000041
式中L为实际安装距离，可由激光测距仪测得；光源的光强(I0)和衰减后的光强值(I)由光电探测器监测得到；使用已知透过率的光学衰减片模拟大气消光特性，从而对仪器系统进行标定，可确定出k值及监测装置的零点漂移。由公式(2)即可反演计算出隧道中的实时消光系数。
对于无特殊情况发生时的隧道，透射式隧道火灾监测装置监测到的消光数据在时段内不会显著变化，且隧道内多个布点的监测数据差异不大。当隧道内发生火灾时，由于火灾处烟雾的消光作用，使得监测装置监测到的大气消光系数明显变化，且该处的监测数据较其它布点处的监测数据差异明显，并结合消防规范对火场能见度的指导阈值，形成“是否发生火灾”的复合条件判断，实现隧道内火灾的预警。
透射式隧道火灾监测装置的电路部分由三大部分组成：光源部分、接收部分和反演计算部分。图3是透射式隧道火灾监测装置的总体系统设计框图。在光源部分，为了减少背景光和杂散光对信号光源的干扰，采用方波对激光光源进行调制。接收部分，一路接收信号来自于激光光源被分光镜分光后由光电探测器直接测量所得，该电压信号经滤波、放大电路后，经信号解调和模数转换后，作为实时光源信号，通过发射单元的无线通信模块发送出去；另一路信号是激光经过L距离的大气衰减后由光电探测器接收到的信号，该路信号通过锁相放大电路将有用信号提取出来并放大，经解调和模数转换后通过接收单元的无线通信模块发送出去。锁相放大电路采用激光光源的调制信号作为参考信号，该路信号通过光纤及耦合器实现信号传输，将调制信号从发射端传至接收端。
现场应用中，首先确定各个监测点，然后分别在隧道的各个监测点的上方架设一对发射单元和接收单元，两者之间通过光纤连通，光纤传输的是经过调制的光源信号，以此作为接收单元的锁相放大器的参考信号。上位机根据同一对发射单元和接收单元发送的光源光强信号和大气衰减后的光强信号，进行反演计算，获得大气消光系数，在监测到同一对发射单元和接收单元发送的信号反演的消光系数发生明显变化，且此处的监测数据较其它布点处的监测数据差异明显，变化值超出预设阈值，形成“是否发生火灾”的复合条件判断，实现隧道内火灾的预警，输出“火灾预警”或“正常”的结果。
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种透射式隧道火灾监测装置，包括至少一对架设在隧道内相对位置的发射单元、接收单元、连接发射单元和接收单元的光纤以及上位机。其特征在于，
所述的发射单元的光路部分包括激光器，分光镜，第一透镜、第一光电探测器和扩束镜，发射单元的电路部分包括滤波放大电路、模数转换电路、发射端无线通信模块；
所述的接收单元光路部分包括第二透镜、第二光电探测器，接收单元的电路部分包括锁相放大器、模数转换电路和接收端无线通信模块；
光路采用双端结构，激光器发出的经过调制的光束由分光镜分成两路，一路经第一透镜聚焦后直接由第一光电探测器采集信号，此路信号表征的是光源光强信号，另一路经过距离L处的第二透镜聚焦后再由第二光电探测器接收信号，此路信号表征的是经过L距离的大气衰减后的光强信号；
激光光源发射的经过调制的光束被分光镜分光后由第一光电探测器直接测量所得，第一光电探测器接收的信号经滤波放大电路和模数转换后得到光源光强信号，此信号经过发射端无线通信模块发送出去；
激光光源发射的经过调制的光束经过L距离的大气衰减后由第二光电探测器接收；激光光源的调制信号经由连接发射单元和接收单元的光纤传输后作为锁相放大电路的参考信号；通过所述的锁相放大电路将第二光电探测器接受到的有用信号提取出来并放大，经解调和模数转换后得到大气衰减后的光强信号，此信号经过接收端无线通信模块发送出去；
上位机，用于接收发射单元和接收单元发送的光源光强信号和大气衰减后的光强信号，并对同一对发射单元和接收单元发送的信号进行反演计算，获得当前的大气消光系数。
2.根据权利要求1所述的透射式隧道火灾监测装置，其特征在于，发射单元和接收单元之间的最大安装距离为100m。
3.根据权利要求1所述的透射式隧道火灾监测装置，其特征在于，激光器为半导体激光器。
4.根据权利要求1所述的透射式隧道火灾监测装置，其特征在于，激光器作为光源发射波长650nm的经过调制的红光。
5.根据权利要求1所述的透射式隧道火灾监测装置，其特征在于，激光器发射的是经过方波调制的光束。
6.根据权利要求1所述的透射式隧道火灾监测装置，其特征在于，上位机根据所获得当前的大气消光系数，做“是否发生火灾”条件判断，输出“火灾预警”或“正常”的结果。
7.利用权利要求1所述的透射式隧道火灾监测装置实现的火灾监测方法，其特征在于，包括下列步骤：
(1)上位机利用无线通信方式接收同一对发射单元和接收单元发送的光源光强信号和大气衰减后的光强信号；
(2)上位机进行反演计算，获得当前的大气消光系数获取监测隧道内气体环境的消光系数，激光器发出的光强I0的光和经光程距离L后衰减成光强值I的光，根据下列公式计算出大气消光系数α：
Figure FDA0002900420550000021
光源的光强I0和衰减后的光强值(I)分别由第一光电探测器和第二光电探测器监测得到；k为标定系数；
(2)上位机在监测到根据同一对发射单元和接收单元发送的信号反演的消光系数发生明显变化，且此处的监测数据较其它布点处的监测数据差异明显，变化值超出预设阈值，形成“是否发生火灾”的复合条件判断，实现隧道内火灾的预警。
8.根据权利要求7所述的火灾监测方法，其特征在于，使用已知透过率的光学衰减片模拟大气消光特性进行标定，确定系数k值。
9.根据权利要求7所述的火灾监测方法，其特征在于，根据权利要求1所述的透射式隧道火灾监测装置，其特征在于，激光器作为光源发射波长650nm的经过调制的红光。
10.根据权利要求7所述的的火灾监测方法，其特征在于，发射单元和接收单元之间的最大安装距离为100m。
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