CN204087417U - 光纤感温火灾探测器系统 - Google Patents

光纤感温火灾探测器系统 Download PDF

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沈鑫
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孙明明
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一种光纤感温火灾探测器系统,包括:脉冲光源、光纤波分复用单元、探测光纤、Anti_Stoks光光电接收放大单元、Stoks光光电接收放大单元、信号处理单元、报警单元;所述光纤波分复用单元与脉冲光源、探测光纤、Anti_Stoks光光电接收放大单元、Stoks光光电接收放大单元相连接,Anti_Stoks光光电接收放大单元、Stoks光光电接收放大单元的另一端与信号处理单元相连接。将Anti_Stoks光光电接收放大单元作为信号通道,Stoks光光电接收放大单元作为参考通道,对二者分别进行采集并检测二者的比值,得到测量点的温度,可以避免光源不稳定或光纤弯曲接头损耗对散射强度的影响,测量精确性高。

Description

光纤感温火灾探测器系统
技术领域
[0001] 本实用新型涉及光纤测温设备领域,尤其涉及一种光纤感温火灾探测器系统。
背景技术
[0002] 随着城市化建设的不断发展,电网建设中电缆和高压开关柜越来越多,发生故障 的几率也越来越大。根据故障统计,发现电缆和开关故障率逐年有升高的趋势。而且,火灾 事故大部分是由于温度过高引起的,因此,在火灾发生之前,及时、准确地监测电缆、开关柜 的温度变化并发出报警,使用户有充分的时间采取相应的措施,这对避免事故发生或引起 火灾尤为重要。但是目前主要运用的是传统测温系统,传感器分布的检测点间断,只有检测 探头接触的点才能被检测,检测范围小,而且检测信号输出的是弱电信号,极易受到电磁干 扰;将电路作为信号通道,对于高压设备的绝缘要求特别高,检修维护很难。不适合用于对 温度系统进行全面检测的场合。 实用新型内容
[0003] 本实用新型解决的问题是提供一种光纤感温火灾探测器系统,可以实现全面检 测、实时监控、不怕干扰。
[0004] 为解决上述问题,本实用新型实施例提供一种光纤感温火灾探测器系统,包括: 脉冲光源、光纤波分复用单元、探测光纤、Anti_Stoks光光电接收放大单元、stoks光光电 接收放大单元、信号处理单元、报警单元;所述光纤波分复用单元与脉冲光源、探测光纤、 Anti_Stoks光光电接收放大单元、Stoks光光电接收放大单元相连接,Anti_Stoks光光电 接收放大单元、Stoks光光电接收放大单元的另一端与信号处理单元相连接;所述脉冲光 源向探测光纤发送激光脉冲,且光纤波分复用单元从探测光纤的背向散射光中提取Anti_ Stoks光和Stoks光,分别发送给Anti_Stoks光光电接收放大单元和Stoks光光电接收放 大单元,所述信号处理单元根据提取的Anti_Stoks光和Stoks光进行比较和判断,获得是 否探测光纤某个地方的温度是否不正常升高,当发现某个地方的温度不正常升高,报警单 元发出警报。
[0005] 可选的,Anti_Stoks光光电接收放大单兀、Stoks光光电接收放大单元包括光电 传感器、放大器和A/D转换器,所述光纤波分复用单兀、光电传感器、放大器、A/D转换器、信 号处理单元依次连接。
[0006] 可选的,所述放大单元为高增益、宽带、低噪声的放大器。
[0007] 可选的,所述光电传感器为带尾纤和前置放大器的光电雪崩二极管。
[0008] 可选的,所述所述探测光纤的数量为一条或多条,对应的Anti_Stoks光光电接收 放大单元、Stoks光光电接收放大单元的数量为一个或多个。
[0009] 可选的,还包括显示单元,用于进行探测温度的参数显示和曲线显示。
[0010] 可选的,所述探测光纤为62. 5/125 μ m渐变折射率多模光纤。
[0011] 可选的,所述信号处理单元包括定温检测模块和升温检测模块,所述定温检测模 块将检测温度与预设温度进行比较,当检测温度高于预设温度,发出警报,所述升温检测模 块当检测到预设时间内升高的温度超过预设范围,发出警报。
[0012] 可选的,所述光纤波分复用单元为薄膜干涉滤波片式光纤波分复用单元、布拉格 光栅光纤波分复用单元或光栅耦合器光纤波分复用单元。
[0013] 与现有技术相比,本技术方案具有以下优点:
[0014]本实用新型通过光纤波分复用单兀将背向散射光分波,分别提取成Anti_Stoks 光、Stoks光,并将Anti_Stoks光光电接收放大单元作为信号通道,stoks光光电接收放大 单元作为参考通道,对二者分别进行采集并检测二者的比值,得到测量点的温度,可以避免 光源不稳定或光纤弯曲接头损耗对散射强度的影响,测量精确性高。
附图说明
[0015] 图1是本实用新型实施例的光纤感温火灾探测器系统的结构示意图。
具体实施方式
[0016] 下面结合附图,通过具体实施例,对本实用新型的技术方案进行清楚、完整的描 述。
[0017] 请参考图1,为本实用新型实施例的光纤感温火灾探测器系统的结构示意图,包 括:脉冲光源10、光纤波分复用(WDM)单元20、探测光纤30、Anti_St 〇ks光光电接收放大单 元40、Stoks光光电接收放大单元50、信号处理单元60、报警单元70 ;所述光纤波分复用单 兀20与脉冲光源10、探测光纤30、Anti_Stoks光光电接收放大单元40、Stoks光光电接收 放大单元50相连接,Anti_Stoks光光电接收放大单元40、Stoks光光电接收放大单元50 的另一端与信号处理单元60相连接。
[0018] 光纤传感技术是伴随着光通信技术的发展而逐步形成的。在光通信系统中,光纤 被用作远距离传输光波信号的媒质。这时,要求光纤传输的光信号受外界干扰越小越好。但 在实际的光传输过程中,光纤受外界环境因素如温度、压力、电磁场等的影响会引起光纤光 波参数如光强、相位、频率、偏振、波长等的变化。如果测量出这些光波参数的变化,就可以 获得导致这些光波参数变化的外界影响因素的物理量的大小,实现光纤传感测量。
[0019] 在本实施例中,光纤温度传感原理的主要依据是光纤的光时域反射(0TDR)原理 以及光纤的背向Raman散射温度效应,
[0020] 当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时,这个光脉冲会沿着光纤向前传播,在传 播中的每一点都会产生Raman散射,Raman散射之中有一小部分散射光的方向正好与入射 光的方向相反(亦可称为"背向")。这种背向散射光的强度与光纤中散射点的温度有一定 的相关关系。散射点的温度(该点光纤的环境温度)越高,散射光的强度也越大。也就是 说,背向散射光的强度可以反映出散射点的温度。
[0021] 同时激光脉冲在光纤中传播时Raman散射会产生反斯托克斯信号(Anti-Stokes 光)和斯托克斯散射光信号(Stokes光),Anti-Stokes散射对温度特别敏感,而Stokes 散射与温度无关。同时由于光源有时会不稳定,且现有的光纤的长度有限,当需要检测几 公里或几十公里长的范围,不同光纤之间需要接头连接,所述接头会损耗部分光强,为了避 免光源不稳定或光纤弯曲接头损耗对散射强度的影响,提高测温准确度,在本实施例中采 用双通道双波长比较的方法,即利用Anti_Stoks光光电接收放大单元、Stoks光光电接收 放大单元分别接收对应的背向散射光,将Anti_Stoks光光电接收放大单元作为信号通道, Stoks光光电接收放大单元作为参考通道,对二者分别进行采集并检测二者的比值,得到测 量点的温度。
[0022] 在本实施例中,所述脉冲光源10包括LD驱动器和激光二极管,利用所述激光二极 管产生激光脉冲。由于光源输出的功率幅值越大,温度传感器的温度分辨率越高,光脉冲在 测量用传感光纤中的传播距离越长,说明测量的空间范围越大。本实施例中,在提高光功率 时保证在光纤的非线性阈值以下,光源的重复频率越高,在对微弱的Anti-Stokes散射和 Stokes散射信号检测时,单位时间内累积的次数就越多,信噪比改善就越高,用的时间则越 少,实时性愈强。
[0023] 所述激光脉冲发射到探测光纤30中,由于光纤的光时域反射(0TDR)原理以及光 纤的背向Raman散射温度效应,Raman散射会产生背向的Anti-Stokes光和Stokes光,所 述散射Anti_Stoks光和Stokes光传播回光纤波分复用单元20后通过回光纤波分复用单 元20进行分波提取,提取的Anti_Stoks光进入Anti_Stoks光光电接收放大单元、提取的 Stoks光进入Stoks光光电接收放大单元。在本实施例中,所述探测光纤为62. 5/125 μ m渐 变折射率多模光纤。
[0024] 在本实施例中,所述光纤波分复用单元20为薄膜干涉滤波片式光纤波分复用单 元,在其他实施例中,所述光纤波分复用单元为布拉格Bragg光栅光纤波分复用单元、光栅 耦合器光纤波分复用单元等。其中所述光栅耦合器可以为基于Mach-Zehnder干涉仪的光 纤光栅耦合器。
[0025] 在本实施例中,所述Anti_Stoks光光电接收放大单元、Stoks光光电接收放大单 元的结构相同,都包括光电传感器、放大器和A/D转换器,所述光纤波分复用单元、光电传 感器、放大器、A/D转换器、信号处理单元依次连接。
[0026] 所述光电传感器为带尾纤和前置放大器的光电雪崩二极管。所述放大单元为高增 益、宽带、低噪声的放大器。
[0027] 所述探测光纤的数量为一条或多条,对应的Anti_St〇ks光光电接收放大单元、 Stoks光光电接收放大单元的数量为一个或多个。
[0028] 在其中一个实施例中,所述探测光纤的数量为4条,对应的Anti_Stoks光光电接 收放大单元、Stoks光光电接收放大单元的数量为4个,4条探测光纤可以分别进行检测或 同时进行检测。
[0029] 由于两个Anti-Stokes散射对温度特别敏感,而Stokes散射与温度无关。利用 Anti_Stoks光光电接收放大单元、Stoks光光电接收放大单元分别接收对应的背向散射 光,将Anti_Stoks光光电接收放大单元作为信号通道,Stoks光光电接收放大单元作为参 考通道,对二者分别进行采集并检测二者的比值,得到测量点的温度。
[0030]由于激光功率沿探测光纤的损耗较小,所以测量距离较长,一般可达数公里,最长 可以达到数十公里以上。同时,根据接收的光功率可以确定当前测量温度值的位置,而此时 的测量距离是时间的函数,则接收的光功率也表示为时间的函数。若以激光脉冲注入光纤 的瞬间为计时开始,即z = 0处t = 0,则在t时刻系统测量终端接收到的反斯托克斯和斯 托克斯信号在光纤上所处的空间位置为a = 1匕^测量时刻不同,测量终端接收的光功率 也对应着传感光纤的不同空间位置;传感光纤的空间位置从z = 0增加至z = L(L为传感 If 光纤长度),对应的测量时刻从t二ο到$^在系统测量终端实现了传感光纤所处环境温度 的分布式测量,从而可以确定整个温度场的分布。
[0031]在本发明实施例中,所述信号处理单元60包括定温检测模块和升温检测模块,所 述定温检测模块将检测温度与预设温度进行比较,当检测温度高于预设温度,利用报警单 元发出警报,所述升温检测模块当检测到预设时间内升高的温度超过预设范围,利用报警 单元发出警报。
[0032] 本发明实施例中,所述光纤感温火灾探测器系统还可以包括显示单元,用于进行 探测温度的参数显示和曲线显示,当进行曲线显示时,所述曲线显示包括同一地点不同时 间的温度显示和同一时间不同地点的温度显示,且所有地方的温度可以通过缩放或左右移 动的方式进行直观获得。
[0033] 本实用新型虽然已以较佳实施例公开如上,但其并不是用来限定本实用新型,任 何本领域技术人员在不脱离本实用新型的精神和范围内,都可以利用上述揭示的方法和技 术内容对本实用新型技术方案做出可能的变动和修改,因此,凡是未脱离本实用新型技术 方案的内容,依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及 修饰,均属于本头用新型技术方案的保护范围。

Claims (9)

1. 一种光纤感温火灾探测器系统,其特征在于,包括:脉冲光源、光纤波分复用单元、 探测光纤、Anti_Stoks光光电接收放大单元、Stoks光光电接收放大单元、信号处理单元、 报警单兀; 所述光纤波分复用单元与脉冲光源、探测光纤、Anti_Stoks光光电接收放大单元、 Stoks光光电接收放大单元相连接,Anti_Stoks光光电接收放大单元、Stoks光光电接收放 大单元的另一端与信号处理单元相连接; 所述脉冲光源向探测光纤发送激光脉冲,且光纤波分复用单元从探测光纤的背向散射 光中提取Anti_Stoks光和Stoks光,分别发送给Anti_Stoks光光电接收放大单元和Stoks 光光电接收放大单元,所述信号处理单元根据提取的Anti_Stoks光和Stoks光进行比较和 判断,获得是否探测光纤某个地方的温度是否不正常升高,当发现某个地方的温度不正常 升高,报警单元发出警报。
2. 如权利要求1所述的光纤感温火灾探测器系统,其特征在于,Anti_Stoks光光电接 收放大单兀、Stoks光光电接收放大单兀包括光电传感器、放大器和A/D转换器,所述光纤 波分复用单元、光电传感器、放大器、A/D转换器、信号处理单元依次连接。
3. 如权利要求1所述的光纤感温火灾探测器系统,其特征在于,所述放大单元为高增 益、宽带、低噪声的放大器。
4. 如权利要求1所述的光纤感温火灾探测器系统,其特征在于,所述光电传感器为带 尾纤和前置放大器的光电雪崩二极管。
5. 如权利要求1所述的光纤感温火灾探测器系统,其特征在于,所述所述探测光纤的 数量为一条或多条,对应的Anti_Stoks光光电接收放大单元、Stoks光光电接收放大单元 的数量为一个或多个。
6. 如权利要求1所述的光纤感温火灾探测器系统,其特征在于,还包括显示单元,用于 进行探测温度的参数显示和曲线显示。
7. 如权利要求1所述的光纤感温火灾探测器系统,其特征在于,所述探测光纤为 62. 5/125 μ m渐变折射率多模光纤。
8. 如权利要求1所述的光纤感温火灾探测器系统,其特征在于,所述信号处理单元包 括定温检测模块和升温检测模块,所述定温检测模块将检测温度与预设温度进行比较,当 检测温度高于预设温度,发出警报,所述升温检测模块当检测到预设时间内升高的温度超 过预设范围,发出警报。
9. 如权利要求1所述的光纤感温火灾探测器系统,其特征在于,所述光纤波分复用单 元为薄膜干涉滤波片式光纤波分复用单元、布拉格光栅光纤波分复用单元或光栅耦合器光 纤波分复用单元。
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