使用光纤通信技术提高报警系统的稳定性
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作者: 宋喜艳
摘要:光纤光栅传感技术是上世纪90年代出现的一种新型信息传感技术,并且使用基于光时反射计(OTDR)原理进行温度检测报警。作为结构组成的半导体激光器(LD)的高速驱动电路和雪崩二极管(APD)增益的温漂步长电路等优化了软件的编译和反应速度,实时累加采集卡也能提高时间分辨率,是一种稳定性明显的特征技术。
关键字:APD;光纤光栅;探测;火灾报警
光纤光栅技术在发展起来的近十多年来多用温度、压力、流量、液位等测量上,主要应用原理是使用激光加工的手段在光纤内形成多个光栅元件,在宽带光源经光纤传输时经过特定光纤光栅时某些特定波长的光被反射回来,从而进行数据检测。因此光纤通信中的光纤光栅技术提供给了报警工程设计一个稳定准确的数据保障。
一、光纤通信技术的特点
光纤通信技术本身的光纤材料就具有防爆、抗腐蚀、抗磁干扰、电绝缘等多种优点,具有特色的还是以下几点:
1.可靠性高,寿命长
光纤通信技术是依据光束波长的数字检测的,不受光源、弯曲度、探测器老化影响,而且光纤光栅技术还能规避光纤连接损耗的影响,所以具有很高的稳定性和可靠性。
2.超远距离传输,组网便利
光纤传输携带传感技术的光信号,能达到经过超远距离传输不失真的效果,传输过程中数据虽好几乎可以忽略。由于超远传输方式的便利,还可以支持大面积组网,方便网络化的监控管理。
3.可进行数字编码和传送
光纤上的光栅波长不同,传感器所得到的数据进行波分多址的复用传输能够扩大传输量,实现分布式测量,也能够实现数据化的编码和传输。
4.高反应度和精度
光纤设备的核心是光纤光栅传感器,其所使用的特征波长对温度和压力的感应明显而且快速,并且波长特征具有一致性,所以制作的传感器响应时间快,测量精度较高。
5.简单的结构利于施工
光纤本身体积小重量轻,易弯转,方便制作结构简单的传感器探头。其结构的便利性和兼容性使得工程施工的难度降低,使设备维护也能够更加简单。
6.应用范围广
由于其感应环境变化的方式其可应用在勘探、冶金、电力等行业,在其质地抗性方面也适应于石油、化工等行业,其高速、准确的数据反馈也适应于火灾、地质信息反馈等监控系统。
二、光纤通信技术的报警系统应用方式
完整的光纤通信报警系统一般由四个部分组成:宽带光源,作为数据载体的生成器产生宽带光饼传输到光纤上;光纤光栅传感器,报警系统的核心部分,一般安置在需要布控的位置,及时检测现场的温度压力等情况,是整个光纤的终端,通过光纤串联;光纤光栅解调仪,对反馈回来的反射光波长进行分析,是一种光谱仪,对反馈型号分析得出现场情况及反馈地点等重要信息;信号处理器,将解调仪分析的数据转换为测量温度等,反映与标准情况的差异,并在超出范围时发出警报。
主流光纤通信报警技术有以下几种:
1.基于OTDR的准分布光纤温度报警系统
基于OTDR的准分布光纤温度报警系统是利用背向散射法测量光纤的衰减。在光纤中,由于光纤本身的缺陷或者成分不均会导致瑞利散射。其中沿光纤轴和光脉冲传播方向相反的散射称为瑞利背向散射。这种散射提供了光纤衰减与长度的信息,因为光纤衰减信息可以反映出光纤检测区域的温度变化曲线,APD信号会被放大成电压信号。所以OTDR的测量曲线能够准确的发现固有损耗和非正常损耗之间的差别,因此系统对于温度报警可以实现空间定位,在系统检测中可以提高范围定位的稳定性和可靠性。
2.基于准分布式FBG传感器的光纤报警系统
FBG准分布传感器技术的原理是通过对外界温度、压力等反馈信息对Bragg中心波长调制实现的。FBG在温度、压力等变化都会改变光栅周期和折射率,引起反射波长的变化。
其技术优点在于复用能力强,超远距离准分布式的周边检测能力强;对于环境的适应性强;简单的结构容易与其他材料结合进行更全面的检测;隐蔽性高,成本低。FBG技术的检测精度设置可以小到脚步引起的震动,而且跳跃式的判断结果也有时间区域上的准确性,一般应用在桥梁、隧道等的安全监测。
3.后向喇曼散射分布式光纤感温报警技术
这种技术是将窄带光纤脉冲导入光纤,然后利用雷达原理测量散射光强,对温度变化实现一种持续曲线化的测量,是一种光是反射域原理的应用,具有火灾等灾害预估的提前性。
不稳定的激光器可能会是工作中所产生的波长发生偏移,波分复用器损耗加大。所以在此使用喇曼散射,降低耦合器和复用器损耗,恒压APD也能够对光信号的雪崩发生倍增起到一定的遏制作用,提升采集数据的准确性。
三、光纤通信技术对于报警系统稳定性的影响
光纤通信技术本身并不是作为一个完整的报警系统来使用,而是依靠准确的数据来报告、检测、预防隐患发生的。
其中光纤光栅的应用配合报警系统能够提高系统的自动化、网络化,其自身结构简单、反应速度快、稳定的性能具有相当高的优势,也使这种技术可以更加方便的应用在各种类型的检测中,其技术特性提供给系统准确的数据,提升系统整体的安全度。
OTDR准分布技术能够对APD和LD温度和偏压进行高精度的采样,同时还可以对光信号进行采集和过滤,其检测出的温度变化精度要远远高于其他技术的采样,与相关软硬件结合后能够提供更加全面的数据支持,对于机房温度检测,设备危险报告都有很好的帮助。
FBG的高频率偏压数值曲线能够良好的反映出震动和压力变化情况,其高频率的跳跃特性也使其具有相当准确和及时的数据反馈能力,能够降低数据漏报情况,并针对型号模型进行信号模拟,进一步精确频率间值,并更精确地防止漏报现象的出现。良好的防漏报功能使得完工的工程能够更加准确及时的提供报告,保证报警系统的全面性。
后向喇曼散射分布技术提高了激光器的稳定性,改进了量子阱激光器,对光线耦合效率进行提升,降低波长温漂的系数,提高有效脉宽。低损耗的特性使其滤波效果更为细化和明确。喇曼散射信号本身降低了光线脉冲在传播时可能出现的放大后偏移的情况,而且APD的恒定增压也使得温漂系数的恒定得到保证,让温度检测精度得到改善,并从一定程度上实现温差补偿。此技术的降噪能力较强,信号累加平均,高性能的累加采集卡对系统各项安全性和稳定性有大幅提升。这种具有提前性的准确检测和预估的技术能够有效准确的报告危险,对于工程施工后的维护工作有很大帮助。
从整体的光纤通信技术来说,激光脉冲、滤波和APD技术的使用使得整个检测系统的数值更加准确,数据反馈更加高效及时,信息波动规律的计算相对准确,受环境影响的程度较低,提高数据采集和分析的准确性,提高警报发布的及时性。
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