分布式光纖測溫系統(tǒng)技術(shù)方案

本實(shí)用新型專利技術(shù)提供分布式光纖測溫系統(tǒng)，包括控制觸發(fā)子系統(tǒng)、光信號采集子系統(tǒng)、光電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)和電信號處理子系統(tǒng)，所述控制觸發(fā)子系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)置有同步脈沖發(fā)生器，光信號采集子系統(tǒng)是由脈沖激光器、光波分復(fù)用器和傳感光纖構(gòu)成，光電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)是由光電檢測器和主放大器構(gòu)成，電信號處理子系統(tǒng)是由高速數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)構(gòu)成；利用高功率脈沖光在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖的折射率隨機(jī)起伏以及纖芯的微觀不均衡等影響會產(chǎn)生拉曼散射的現(xiàn)象，根據(jù)對背向拉曼散射光信號的測量和時(shí)域分析，來進(jìn)行溫度的監(jiān)測和定位。

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本技術(shù)涉及光纖測溫系統(tǒng)，尤其涉及一種分布式光纖測溫系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
溫度的測量與控制在航天、材料、能源、冶金等領(lǐng)域都占有極其重要的地位。分布式光纖測溫是目前新興的接觸式測溫手段，具有體積小、重量輕、無源檢測、防電磁干擾、阻燃防爆、易于遠(yuǎn)程監(jiān)測等優(yōu)點(diǎn)。光纖測溫技術(shù)在高壓電力電纜、電氣設(shè)備因接觸不良引起的發(fā)熱部位、電纜夾層、電纜通道、大型發(fā)電機(jī)定子、大型變壓器、鍋爐等設(shè)施的溫度定點(diǎn)傳感場合具有廣泛的應(yīng)用前景。通常采用帶有外護(hù)套的光纖電纜可以大范圍實(shí)時(shí)監(jiān)測其溫度，全面且高效，在異常演變成事故之前，發(fā)現(xiàn)并通知相關(guān)人員采取措施。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本技術(shù)提供分布式光纖測溫系統(tǒng)，利用高功率脈沖光在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖的折射率隨機(jī)起伏以及纖芯的微觀不均衡等影響會產(chǎn)生拉曼散射的現(xiàn)象，根據(jù)對背向拉曼散射光信號的測量和時(shí)域分析，來進(jìn)行溫度的監(jiān)測和定位。本技術(shù)一種分布式光纖測溫系統(tǒng)是通過以下技術(shù)方案來實(shí)現(xiàn)的:分布式光纖測溫系統(tǒng)，包括控制觸發(fā)子系統(tǒng)(A)、光信號米集子系統(tǒng)(B)、光電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)(C)和電信號處理子系統(tǒng)(D)，所述控制觸發(fā)子系統(tǒng)(A)內(nèi)部設(shè)置有同步脈沖發(fā)生器(A1)，光信號采集子系統(tǒng)(B)是由脈沖激光器(B1)、光波分復(fù)用器(B2)和傳感光纖(B3)構(gòu)成，光電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)(C)是由第一光電檢測器(C1)、第二光電檢測器(C3)、第一主放大器(C2)和第二主放大器(C4)構(gòu)成，電信號處理子系統(tǒng)(D)是由高速數(shù)據(jù)采集卡(D1)和計(jì)算機(jī)(D2)構(gòu)成；所述計(jì)算機(jī)(D2)連接同步脈沖發(fā)生器(A1)，同步脈沖發(fā)生器(A1)分別連接脈沖激光器(B1)和高速數(shù)據(jù)采集卡(D1)，脈沖激光器(B1)連接光波分復(fù)用器(B2)，光波分復(fù)用器(B2)連接傳感光纖(B3)，傳感光纖(B3)向后產(chǎn)生散射光返回到光波分復(fù)用器(B2)，經(jīng)光波分復(fù)用器(B2)處理后的光分兩路進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)(C)，第一路光濾除斯托斯克光進(jìn)入第一光電檢測器(C1)轉(zhuǎn)換成電信號，電信號經(jīng)第一主放大器(C2)放大傳入高速數(shù)據(jù)采集卡(D1)，第二路光濾除反斯托斯克光進(jìn)入第二光電檢測器(C3)轉(zhuǎn)換成電信號，電信號經(jīng)第二主放大器(C4)放大傳入高速數(shù)據(jù)采集卡(D1 )，高速數(shù)據(jù)采集卡(D1)分別連接計(jì)算機(jī)(D2)和同步脈沖發(fā)生器(A1)。所述同步脈沖發(fā)生器(A1)采用FPGA處理器，由FPGA處理器產(chǎn)生具有一定寬度和重復(fù)頻率的脈沖波。所述光波分復(fù)用器(B2)集成薄膜干涉濾光片，用于濾除斯托克斯光和反斯托克斯光。所述第一光電檢測器(C1)和第一光電檢測器(C3)米用雪崩二極管作為光電轉(zhuǎn)換器件，雪崩二極管的信噪比很低，并且具有內(nèi)部增益；偏置電壓的調(diào)整可以保證最佳雪崩增益的恒定，所述雪崩二極管的偏置電路采用集成芯片ADL6317。主放大器的前置放大器應(yīng)該是具有一定放大倍數(shù)、噪聲低，并具有大的動(dòng)態(tài)范圍和低輸出阻抗等特性，所述第一主放大器(C2)和第二主放大器(C4)是由前置放大器和帶通濾波器構(gòu)成，前置放大器連接帶通濾波器，用于放大電信號，濾除信號中噪聲，提高信噪比。本技術(shù)具有的有益效果:1、以光信號作為載體，光纖為媒質(zhì)，光纖的纖芯材料為二氧化硅，因此，本系統(tǒng)具有耐腐蝕、抗電磁干擾、防雷擊等特點(diǎn)，屬本質(zhì)安全；2、光纖本身輕細(xì)纖柔，光纖的體積小、重量輕，不僅便于布設(shè)安裝，而且對埋設(shè)部位的材料性能和力學(xué)參數(shù)影響甚小，能實(shí)現(xiàn)無損埋設(shè)；3、靈敏度高，可靠性好，使用壽命長；4、可以準(zhǔn)確地測出光纖沿線任一點(diǎn)的溫度量，信息量大，成果直觀。【附圖說明】以下結(jié)合附圖所示實(shí)施例的【具體實(shí)施方式】，對本技術(shù)的上述內(nèi)容再作進(jìn)一步的詳細(xì)說明。圖1為本技術(shù)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖。圖中標(biāo)記:控制觸發(fā)子系統(tǒng)-A、同步脈沖發(fā)生器-A1、光信號采集子系統(tǒng)-B、脈沖激光器-B1、光波分復(fù)用器-B2、傳感光纖-B3、光電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)-C、第一光電檢測器-C1、第一主放大器-C2、第二光電檢測器-C3、第二主放大器-C4、電信號處理子系統(tǒng)-D、高速數(shù)據(jù)米集卡_D1和計(jì)算機(jī)-D2。【具體實(shí)施方式】如圖1所示，光纖測溫系統(tǒng)分為四個(gè)子系統(tǒng):控制觸發(fā)子系統(tǒng)A、光信號采集子系統(tǒng)B、光電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)C和電信號處理子系統(tǒng)D，如圖1所示。控制觸發(fā)子系統(tǒng)A是同步脈沖發(fā)生器A1，采用FPGA產(chǎn)生具有一定寬度和重復(fù)頻率的脈沖；光信號采集子系統(tǒng)B主要由脈沖激光器B1、光波分復(fù)用器B2和傳感光纖B3構(gòu)成。脈沖激光器B1需要產(chǎn)生脈寬較窄且功率較大的脈沖，光波分復(fù)用器B2集成了薄膜干涉濾光片，能濾除斯托斯克它和反斯托克斯這種量特定波長的光；光電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)C是由第一光電檢測器C1和第一主放大器C2構(gòu)成，把微弱的光信號轉(zhuǎn)換成適合數(shù)據(jù)采集的電壓信號。光電檢測器C1采用具有內(nèi)部增益的雪崩二極管，主放大器C2由多級構(gòu)成，具有高增益，低噪聲，寬帶寬的特點(diǎn)；電信號處理子系統(tǒng)D由數(shù)據(jù)采集卡B2和計(jì)算機(jī)D2構(gòu)成，數(shù)據(jù)采集卡D1具有較高的數(shù)據(jù)采集速度和采集位數(shù)。計(jì)算機(jī)D2控制同步脈沖發(fā)生器A1產(chǎn)生具有一定重復(fù)頻率的脈沖，這個(gè)脈沖一方面調(diào)制脈沖激光器B1，使之產(chǎn)生一系列大功率光脈沖，同時(shí)向告訴數(shù)據(jù)采集卡D1提供同步脈沖，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。光脈沖經(jīng)過光波分復(fù)用器B2的一個(gè)端口進(jìn)入到傳感光纖B3，并在光纖各點(diǎn)處產(chǎn)生向后散射光，返回到光波分復(fù)用器B2。向后散射光通過薄膜干涉濾光片分別濾除斯托克斯光和反斯托克斯光，經(jīng)光波分復(fù)用器B2的另外兩個(gè)端口輸出，分別進(jìn)入到光電檢測器C1和主放大器C2中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和放大，將信號放大到數(shù)據(jù)采集卡D1能夠有效的采集范圍上。此時(shí)，數(shù)據(jù)采集卡D1將傳感光纖各點(diǎn)散射回來的光電信號進(jìn)行累加和平均等數(shù)據(jù)處理。最終由計(jì)算機(jī)D2通過編譯好的軟件進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)和顯示。光電檢測是整個(gè)系統(tǒng)是否實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵，微弱向后散射信號轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)即可處理的電信號，并有效的優(yōu)化信噪比都在于如何選擇合適的光電檢測器件。光電檢測的方法有很多種，本系統(tǒng)采用光電探測器C1來實(shí)現(xiàn)微弱信號的光電轉(zhuǎn)換，系統(tǒng)中選擇雪崩二極管作為關(guān)鍵光電轉(zhuǎn)換器件。雪崩二極管的信噪比很低，而雪崩二極管又是具有內(nèi)部增益的器件，在對信號的放大的同時(shí)也相應(yīng)地增加了噪聲的的強(qiáng)度，雪崩二極管光電檢測器的總信噪比主要由電阻和放大器決定而不是由散粒噪聲決定的，除非光信號很強(qiáng)且負(fù)載電阻很大，另外，偏置電壓的調(diào)整可以保證最佳雪崩增益的恒定。在本系統(tǒng)中采用專用的集成芯片ADL6317作為雪崩二極管的偏置電路。經(jīng)光電檢測器C1輸出的光電流是十分微弱的，必須將該電信號通過多級放大器進(jìn)行放大。放大器本身的電阻將引入熱噪聲，放大器中的晶體管將引入散粒噪聲。并且，在一個(gè)多級放大中，后以及放大器會把前一級放大器輸出的信號和噪聲同樣放大，因此，主放大器的前置放大器應(yīng)該是具有一定放大倍數(shù)、噪聲低，并具有大的動(dòng)態(tài)范圍和低輸出阻抗等特性。主放大器中需要帶通濾波器對信號進(jìn)行濾波，除去游泳的信號頻帶意外的噪聲，包括環(huán)境噪聲及由前置放大器引入的噪聲，進(jìn)一步提高信噪比。光電檢測輸出的電壓經(jīng)過放大器放大后進(jìn)入雙通道的告訴數(shù)據(jù)采集卡D1進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，然后根據(jù)測得數(shù)據(jù)的時(shí)間序列和散射光強(qiáng)可以解調(diào)出所測量場的溫度信息。在實(shí)際采樣中，溫度信號是淹沒于噪聲之中，為了提高系統(tǒng)的測溫精度，一般采用累加平均的方法進(jìn)行去噪。本技術(shù)所舉實(shí)施方式或者實(shí)施例本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
分布式光纖測溫系統(tǒng)，包括控制觸發(fā)子系統(tǒng)（A）、光信號采集子系統(tǒng)（B）、光電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)（C）和電信號處理子系統(tǒng)（D），其特征在于：所述控制觸發(fā)子系統(tǒng)（A）內(nèi)部設(shè)置有同步脈沖發(fā)生器（A1），光信號采集子系統(tǒng)（B）是由脈沖激光器（B1）、光波分復(fù)用器（B2）和傳感光纖（B3）構(gòu)成，光電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)（C）是由第一光電檢測器（C1）、第二光電檢測器（C3）、第一主放大器（C2）和第二主放大器（C4）構(gòu)成，電信號處理子系統(tǒng)（D）是由高速數(shù)據(jù)采集卡（D1）和計(jì)算機(jī)（D2）構(gòu)成；所述計(jì)算機(jī)（D2）連接同步脈沖發(fā)生器（A1），同步脈沖發(fā)生器（A1）分別連接脈沖激光器（B1）和高速數(shù)據(jù)采集卡（D1），脈沖激光器（B1）連接光波分復(fù)用器（B2），光波分復(fù)用器（B2）連接傳感光纖（B3），傳感光纖（B3）向后產(chǎn)生散射光返回到光波分復(fù)用器（B2），經(jīng)光波分復(fù)用器（B2）處理后的光分兩路進(jìn)入光電轉(zhuǎn)換子系統(tǒng)（C），第一路光濾除斯托斯克光進(jìn)入第一光電檢測器（C1）轉(zhuǎn)換成電信號，電信號經(jīng)第一主放大器（C2）放大傳入高速數(shù)據(jù)采集卡（D1），第二路光濾除反斯托斯克光進(jìn)入第二光電檢測器（C3）轉(zhuǎn)換成電信號，電信號經(jīng)第二主放大器（C4）放大傳入高速數(shù)據(jù)采集卡（D1），高速數(shù)據(jù)采集卡（D1）分別連接計(jì)算機(jī)（D2）和同步脈沖發(fā)生器（A1）。...

【技術(shù)特征摘要】

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：茍海軍，蘆清，
申請(專利權(quán))人：四川華電南瑞科技有限公司，
類型：新型
國別省市：四川;51