光纤光栅感温火灾探测方法的研究

论文摘要

火灾对人类的生命财产和社会安全构成极大的危害，所以人类一直寻求杜绝和减少火灾的办法，感温式火灾探测是一种火灾早期探测和预报的方法，这种方法实时跟踪环境温度，在环境温度异常变化或温度处于火警阀值时做出预报。传统的感温火灾探测方法是采用线型感温电缆实现火灾探测，但因为感温电缆火灾探测器需要电源作为信号激励，所以无法应用在石油、化工、军工等需要本质安全防暴的特殊领域；基于喇曼散射的光纤感温火灾探测系统因其温度传感原理决定了系统需采用微弱信号检测技术，信号处理手段复杂，对温度的响应时间不能很好地满足对火灾预报的要求光纤Bragg光栅具有良好的温敏特性，本文以光纤Bragg光栅作为感温探测器，采用全同光栅技术进行火灾探测，实现了在光纤Bragg光栅温度传感技术上的火灾探测系统，应用于石化行业储油罐区安防系统中。本论文课题来源于国家科技部新产品计划，“光纤光栅感温火灾报警系统”(项目编号：[2004]ED760001)和湖北省科技厅重点攻关项目，“光纤光栅传感监测系统①光纤光栅温度传感器及感温火灾报警系统”(项目编号：2003AA101B02)。本文阐述了光纤光栅传感的基本理论，通过耦合模理论得到光纤光栅Bragg方程；波长解调技术是光纤传感技术的关键，文中介绍了目前的波长解调方法和原理，着重介绍了武汉理工大学光纤研究中心自行研制的基于边缘滤波器的光纤光栅动态信号的解调原理。通过理论分析和实验，分析了封装后的光纤光栅感温探测器的温敏特性，通过进一步的实验和分析，总结出采用二次曲线拟合实际温度曲线的方法，可以获得较为满意的温度探测精度。文中详细论述了全同光栅的工作机理，实现了光纤光栅大容量点式火灾探测，解决了光纤光栅分布式火灾探测技术中感温探测器数量受光源和波长解调器带宽限制探的问题。针对全同光栅传感信号首次提出了边缘波长和中心波长复合解调的方法，既满足了全同光栅火灾探测技术所特有的信号解调要求，又解决了因光源衰减对温度检测精度所造成的不利影响。文中将全同光栅和波分复用技术相结合，实现了可区域定位的光纤光栅感温火灾探测系统，探索性地分析和讨论了采用编码光栅技术实现可逐点定位的火灾探测系统。文中还介绍了火灾探测系统信号处理器的结构，主要介绍了信号的采集和数据的内部与外部传递的方法；论文最后介绍了光纤光栅感温火灾探测系统在石化储油罐区的具体应用实例，以及对未来工作的展望。

论文目录

• 中文摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 感温式火灾探测技术简介
• 1.1.1 感温电缆技术
• 1.1.2 基于拉曼散射的分布式感温技术
• 1.1.3 光纤Bragg光栅感温式火灾探测系统
• 1.2 光纤光栅传感技术简介
• 1.3 光纤光栅传感技术国内外发展状况
• 1.4 本论文的主要工作内容
• 1.5 本论文工作的创新点
• 第二章 光纤光栅传感理论
• 2.1 均匀各向同性介质—光纤中的波动方程
• 2.2 耦合模方程
• 2.3 光纤布喇格光栅的理论模型
• 2.4 均匀周期光纤光栅布喇格方程
• 第三章 光纤Bragg光栅解调方法
• 3.1 光谱仪检测法
• 3.2 匹配光栅滤波法
• 3.3 可调谐窄带光输入宽带检测器探测
• 3.4 非平衡M-Z干涉仪解调法
• 3.5 可调F-P滤波器解调光纤光栅原理
• 3.6 基于液晶电控双折射（ECB）的波长解调技术
• 3.7 基于边缘滤波器的光纤光栅动态信号的解调原理
• 3.7.1 电压驱动角度调谐法布里-珀罗腔
• 3.7.2 基于边缘滤波器的光纤光栅动态信号的解调原理
• 3.8 本章小结
• 第四章 光纤光栅感温探测器
• 4.1 光纤的基本结构
• 4.2 光纤传感器的分类
• 4.3 光纤Bragg光栅的写入技术
• 4.3.1 双光束干涉法
• 4.3.2 逐点写入法
• 4.3.3 相位掩膜法
• 4.4 感温探测器的封装
• 4.5 光纤Bragg光栅感温探测器的温敏特性
• 4.5.1 裸光栅的温敏特性分析
• 4.5.2 封装后的光纤Bragg光栅传感器的温度增敏性分析
• 4.6 光纤Bragg光栅火灾探测器的温敏非线性
• 4.6.1 金属的温敏非线性描述
• 4.6.2 光纤Bragg光栅火灾探测器温度非线性描述
• 4.7 本章小结
• 第五章 准分布式光纤Bragg光栅火灾探测方法
• 5.1 光纤光栅感温火灾探测系统设计准则
• 5.2 全同光栅实现准分布式火灾探测
• 5.3 双边缘均值信号处理方法
• 5.3.1 理论分析
• 5.3.2 实验与讨论
• 5.4 全同光纤Bragg光栅火灾探测方法的改进
• 5.4.1 差温火灾探测方法
• 5.4.2 全同光纤Bragg光栅检测温度校准
• 5.5 可区域定位的火灾探测系统
• 5.6 精确定位逐点感温探测方法
• 5.6.1 编码式FBG复用原理
• 5.6.2 编码式光纤光栅的数学分析
• 5.7 本章小结
• 第六章 光纤光栅火灾探测信号处理器
• 6.1 信号处理器
• 6.2 系统自举
• 6.3 系统内部数据传输
• 6.4 调谐信号发生器
• 6.4.1 扫描信号发生器
• 6.4.2 中断信号处理
• 6.4.3 采用中断方式拾取光纤光栅传感信号
• 6.5 探测系统数字信号输出
• 6.5.1 通信接口的硬件设计
• 6.5.2 通信接口的软件设计
• 6.6 本章小结
• 第七章 光纤Bragg光栅感温火灾探测系统应用实例
• 7.1 光纤光栅火灾探测系统在大型储油罐的应用
• 7.2 区域定位光纤光栅火灾探测系统
• 第八章 结论与展望
• 8.1 本论文工作总结
• 8.2 对未来工作的展望
• 参考文献
• 学习期间发表的有关论文及完成的工作
• 致谢