高速公路隧道火災報警系統工作原理研究

張澤民

【摘 要】本文列舉出高速公路隧道常用的幾種火災報警系統，分析了不同火災報警系統的探測原理與基本工作原理，并闡述了幾類火災報警系統的各自特點。

【關鍵詞】線型感溫電纜火災報警系統 感溫光纖火災報警系統 光纖光柵火災報警系統 雙波長火災報警系統 圖像檢測火災報警系統

【中圖分類號】U412.36+6【文獻標識碼】A【文章編號】1672-5158（2013）07-0282-02

一、線型感溫電纜火災報警系統

在高速公路建設的早期，高速公路隧道內使用較多的是線型感溫電纜火災報警系統。線型感溫電纜作為該系統的探測器，它的內部是兩根纏繞的彈性鋼絲，每根鋼絲外面都包有一層由熱敏絕緣材料制成的包帶。正常狀態下，由于絕緣包帶的存在，兩根鋼絲處于斷開狀態，當周邊環境溫度上升時，熱敏絕緣材料的阻值將不斷降低，當達到一定值時，兩根鋼絲的絕緣狀態發生變化，也就產生了報警信號（圖1）。

總之，線型感溫電纜火災報警系統的基本原理就是通過測量鋼絲間的阻值來確定外部環境的溫度值。由于兩根鋼絲間的阻值隨著溫度的變化而產生變化，因此可以設置不同的閾值，如60℃、100℃等。當測量的阻值達到設置的閾值所對應的阻值時，系統則產生報警信號，并將報警信號上傳至監控中心主機，這就是線型感溫電纜火災報警系統的定溫報警模式。線型感溫電纜火災報警系統的差定溫報警則是指升溫的速率超過系統的預設值，如10℃/分鐘，則系統也會產生報警信號。

線型感溫電纜火災報警系統早期在高速公路隧道曾得到較為廣泛的應用，但由于受設備材質影響，熱敏材料在老化后阻值降低，導致在未達到固定閾值的情況下，鋼絲間也會短路或產生報警信號，因此使用年限較短，且后期穩定性下降，誤報率較高?，F在線型感溫電纜火災報警系統主要使用在商場、超市、廠房、倉庫等場所。

二、感溫光纖火災報警系統

感溫光纖火災報警系統是利用光的拉曼散射的原理，由于激光在光纖中傳輸能夠產生背向散射，在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，它在光纖中傳輸的同時不斷產生背向拉曼散射，即反斯托克斯光和斯托克斯光，其中背向反斯托克斯光的強度會受到所在光纖散射點的溫度影響而有所改變。依據背向反斯托克斯光強度的解調，產生了拉曼型光纖測溫系統（圖2）。

感溫光纖報警系統是通過將散射回來的拉曼光波經波分復用、光電轉換、放大、解調后，送入信號處理系統進行處理，便可將溫度信號實時顯示出來；并且由光纖中光波的傳輸速度和背向光回波的時間對這些信息進行計算，達到定位的目的。該系統以光纖作為探測元件，每10秒種即可通過數千個溫度點對長達數千米的光纜進行測量，并獲得一個精確的溫度分布。當溫度達到系統設定的閾值時，則對系統主機發送報警信號。感溫光纖火災報警系統的原理圖如（圖3）所示：

三、光纖光柵火災報警系統

光纖光柵是光纖光柵感溫火災報警系統中的核心部件之一，它是利用光纖芯層材料的光敏特性，通過紫外準分子激光器采用掩模曝光的方法，用一段光纖（約8mm）纖芯的折射率發生永久性改變，折射率的改變呈周期性分布，形成布喇格光柵結構，如（圖4）所示。

光纖芯層的折射率為n2，被紫外光照射過的部分的折射率變為n2′，折射率的分布周期d就是光纖光柵的柵距；當寬帶光通過光纖光柵時，滿足布喇格條件的波長被光柵反射回來，其余波長的光透射，反射光波長隨光柵間的柵距d的改變而改變。由于光柵間的柵距d對環境溫度非常敏感，因此，通過檢測反射波長的變化可以計算出環境溫度的改變量。

光纖光柵火災報警系統與感溫光纖火災報警系統的不同之處在于：感溫光纖火災報警系統以光纖作為感溫元件，是連續的線型的火災探測系統。光纖光柵火災報警系統以光柵器件作為感溫元件，是點式的火災探測系統。

四、雙波長火災報警系統

雙波長火災報警系統實則是一種火焰探測系統。由于火災時的火焰所輻射的光的分光分布特點是在紅外線領域有很強的放射強度，而自然光或者環境光（各種人工照明光）的分光分布特點則是在可視光領域有很強的放射強度。雙波長火災報警系統的探測器光學檢測元件將一般照明用環境光波的輸入相對光譜和車輛火災或汽油火災時檢測到的光波的輸入相對光譜進行比較，即通過光電轉換、電子濾波、比較器比較，作為判斷火災發生的要素。

根據雙波長火焰探測器的“光學上的相對靈敏度特性”，探測器可檢測出二個火災的特征波長，分別用α和β表示。對應于波長的光能量相對輸入值，它分別用Pα和Pβ表示，如圖曲線1所示，對于環境光來說Pα-Pβ<0。而對汽油火災或者車輛火災而言，如圖曲線2所示，對火焰的輸入

値Pα-Pβ>0。利用此特性，使用在不同波長領域所具有靈敏度的2種檢出單元，分別射入的光的輸入值的差Pα-Pβ>T（T：火災閾值）時，則探測器判斷發生火災，并發出報警信號（圖5）。

雙波長火災報警系統除了以光波長作為最主要探測參量外，一般還有一個火災參量可作為參考，即火焰燃燒頻率?；馂臅r的火焰所輻射的光有規律地變動，利用這種“閃爍現象”，通過探測器的電子頻寬濾波器可以探測出火焰特有的頻率（1Hz～15Hz），以此也可作為判斷火災發生的一個要素。

雙波長火災報警系統與上述幾種火災報警系統的區別在于：雙波長火災報警系統是通過探測火焰來判定火災的一種報警系統，它無法實時反映現場環境的溫度分布，而其他幾種火災報警系統則是通過對溫度的探測來判定火災的報警系統，除了探測火災外，還能探測出非火災導致的現場環境溫度的變化。而在對火焰的判定上，雙波長火災報警系統的準確性與靈敏度則更勝一籌。

五、圖像檢測火災報警系統

這是一種較為新興的火災報警系統，它主要建立在視頻監控系統的基礎上。

圖像檢測火災報警系統通過紅外、可見光多頻攝像機等采集火災事件早期過熱、火災初期的煙霧或火焰圖像，之后通過圖像處理器中的視頻分析軟件，辨識出過熱和火災并進行告警，同時還能輸出復合后的圖像信息，通過網絡傳輸到遠端的監控中心。

火災的發生一般要經歷：過熱且陰燃無煙階段，陰燃且發出可見煙階段，火焰、可見煙并存階段。與常規探測器需要煙霧擴散或熱量輻射到探測器本身且達到一定程度才能進行報警不同，圖像檢測火災報警系統將會在第一時間捕捉火災發展過程中出現的過熱、可見煙和火焰，并進行分析和報警。

圖像檢測火災報警系統的優點在于該系統可以直接將火災現場的視頻圖像進行反饋，讓監控人員和消防隊等相關單位可以在遠距離外就能掌控火災發生發展的細節，為火災報警系統可視化、快速反應提供了良好的解決方案。該系統的缺陷則是對攝像機本身的要求比較高，且單個攝像機的探測范圍較小，一般探測攝像機的分布間隔不得超過100米，另外攝像機的探測易受到物品遮擋的影響而導致探測準確性下降。

六、結束語

通過對各類火災報警系統工作原理的研究與分析，可以得出如下結論：不論是哪種火災報警系統，火災探測的基本原理就是用一種敏感元件對火災氣體、煙霧、溫度和火焰等火災信息作出有效反應，并通過對火災信息參量的測量、分析、比較，來判斷被測區域是否有火災存在。

參考文獻

[1] 陳南，建筑火災自動報警技術，化學工業出版社，2006

[2] 袁青青、楊連武，火災報警及消防聯動系統施工，電子工業出版社，2010

[3] 趙英然，智能建筑火災自動報警系統設計與實施，知識產權出版社，2005