張靜等

摘 要： 這里開(kāi)發(fā)實(shí)現(xiàn)了一種較簡(jiǎn)單的分布式溫度傳感器的采集系統(tǒng)。通常情況下，運(yùn)行在高頻的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器很昂貴，因此提出一種采用低速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的方法來(lái)降低成本，同時(shí)在低速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器之前加入采樣保持電路，獲得較小的采樣分辨率、提高溫度穩(wěn)定性。該系統(tǒng)通過(guò)延遲采樣保持電路和數(shù)/模轉(zhuǎn)換相對(duì)于激光觸發(fā)器的保持時(shí)間，可以測(cè)量沿光纖任何位置處的溫度，其可以在短距離的光纖監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： 分布式溫度傳感器； 取樣與保持； ADC； 空間分辨率； MSP430

中圖分類(lèi)號(hào)： TN29?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2015）21?0149?03

Simple data acquisition system of distributed temperature sensor

ZHANG Jing1， LI Jianwei1， XIAO Kai1， LI Ping1， CAI Haiwen2， ZHAO Hao1

（1. Bandweaver Technologies Co.， Ltd.， Shanghai 200120， China； 2. Synet Optics Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200120， China）

Abstract： The purpose in this article is to develop and realize a simple data acquisition system of the distributed temperature sensor. Normally the D/A converter operating in high frequency is expensive， so the method adopting low?speed D/A converter is proposed to reduce the cost. The sampling hold circuit is added before the low?speed D/A converter to obtain smaller sampling resolution and improve temperature stability. The temperature at any position along the optical fiber can be measured by delaying the hold time of sampling hold circuit and D/A conversion relative to the laser trigger. The system can be widely used in the optical fiber monitoring system in short distance.

Keywords： distributed temperature sensor； sampling and hold； ADC； spatial resolution； MSP430

0 引 言

激光器發(fā)射出的短脈沖光通過(guò)耦合可以進(jìn)入到光纖中，當(dāng)光在光纖中傳播時(shí)，會(huì)發(fā)生散射，其中一部分光線會(huì)反射回激光器。光纖中大部分的散射光和入射光的波長(zhǎng)是相同的，但同時(shí)還可以觀察到比入射光波長(zhǎng)短或長(zhǎng)的其他信號(hào)光。拉曼信號(hào)光包括斯托克斯光和反斯托克斯光，這兩種波長(zhǎng)光是相對(duì)于激光源光波長(zhǎng)變化的。其中斯托克斯信號(hào)（低頻率）和反斯托克斯信號(hào)（高頻率）的振幅對(duì)溫度是敏感的，可以用于分布式溫度測(cè)量中[1?3]。

在分布式溫度傳感器中，快速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器用來(lái)捕獲來(lái)自光纖中每一點(diǎn)的背向散射電信號(hào)，通常每間隔1 m進(jìn)行一次溫度測(cè)量[4]。

當(dāng)從激光器發(fā)出的脈沖光傳輸?shù)焦饫w中的某一點(diǎn)[z]時(shí)，其產(chǎn)生的背向散射光必沿著相同的光路反射。因此總的傳輸距離為[2z。]利用公式[t=（2z）v]和[v=nc]計(jì)算取樣間隔。其中：c是光的傳播速度；[n]是光纖的折射率[5]。

為了獲得1 m的采樣分辨率，捕獲間隔必須是10 ns或每秒1億個(gè)采樣值（MS/s）。

1 方 法

運(yùn)行頻率在100 MHz的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器通常是很昂貴的，本文提出了一種采用慢速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的方法來(lái)降低成本，但是該方法不適用于全分布式測(cè)量，只能用于少數(shù)幾個(gè)測(cè)量點(diǎn)。但是，采用一個(gè)慢速（如200 KS/s）的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器將會(huì)產(chǎn)生很大采樣分辨率（如500 MHz），作用是很微弱的。然而，如果在低速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器之前加入采樣保持（H/S）電路的話(huà)，就可以獲得很低的采樣分辨率。

圖1中，采樣保持電路處于跟蹤模式，且只跟隨著所探測(cè)的后向散射光信號(hào)。在沿光纖的需要探測(cè)點(diǎn)，采樣保持電路轉(zhuǎn)換到保持狀態(tài)，這時(shí)信號(hào)會(huì)被保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間直到數(shù)/模轉(zhuǎn)換器完成轉(zhuǎn)換。通過(guò)延遲采樣保持電路和數(shù)/模轉(zhuǎn)換相對(duì)于激光觸發(fā)器的保持時(shí)間，可以測(cè)量沿光纖任何位置處的溫度。

圖1中[t0]和[t1]分別代表激光觸發(fā)時(shí)間和采樣保持觸發(fā)延遲時(shí)間。延遲[t1]隨后將對(duì)[z1]點(diǎn)的溫度進(jìn)行測(cè)量。

1.1 系統(tǒng)組成

采集系統(tǒng)使用德州儀器OPA615寬帶直流恢復(fù)電路[6]和德州儀器MSP430F169單片機(jī)[7]來(lái)實(shí)現(xiàn)。該MSP430單片機(jī)內(nèi)部有一個(gè)12位的8輸入數(shù)/模轉(zhuǎn)換多路復(fù)用器，這可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換速率高達(dá)200 KS/s（5 μs）。

MSP430數(shù)/模轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的采樣保持電路有一個(gè)1 220 ns的采樣時(shí)間和13個(gè)時(shí)鐘周期來(lái)完成轉(zhuǎn)換；不過(guò)，1 220 ns的采樣時(shí)間相當(dāng)于122 m的采樣間隔，這個(gè)值對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用來(lái)說(shuō)還是太大了。內(nèi)部采樣保持電路的存在意味著外部的OPA615僅需要保持斯托克斯或反斯托克斯數(shù)值的時(shí)間是1 220 ns而不是整個(gè)轉(zhuǎn)換時(shí)間5 μs。

觸發(fā)延遲是通過(guò)使用一個(gè)由50 MHz時(shí)鐘驅(qū)動(dòng)的12位計(jì)數(shù)器來(lái)實(shí)現(xiàn)的。它能夠提供一個(gè)最高達(dá)4 096 ns的延遲，這相當(dāng)于對(duì)超過(guò)4 km的光纖，以20 ns的增量測(cè)量（每隔2 m）。

此實(shí)驗(yàn)中使用到的激光源、濾波器和雪崩光電二極管（APD）探測(cè)電路來(lái)自于波匯火災(zāi)探測(cè)器溫度分布式傳感器。

1.2 操作

MSP430上的計(jì)時(shí)器設(shè)置了激光的觸發(fā)，產(chǎn)生的光信號(hào)經(jīng)過(guò)環(huán)形器進(jìn)入到測(cè)試光纖。后向散射光反射回環(huán)形器并被過(guò)濾到相應(yīng)的斯托克斯和反斯托克斯組件中。這時(shí)雪崩光電二極管對(duì)光信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)換。

采樣保持電路的保持功能和數(shù)/模轉(zhuǎn)換過(guò)程的啟動(dòng)是由一個(gè)延遲的激光觸發(fā)信號(hào)開(kāi)始的。斯托克斯和反斯托克斯電信號(hào)分別由兩個(gè)OPA615采樣，然后采樣信號(hào)會(huì)傳遞到MSP430。當(dāng)數(shù)/模轉(zhuǎn)換器開(kāi)始多路復(fù)用時(shí)，斯托克斯和反斯托克斯信號(hào)就會(huì)被替代激光觸發(fā)器上的單片機(jī)轉(zhuǎn)化。

2 潛在問(wèn)題

2.1 觸發(fā)抖動(dòng)

通過(guò)兩個(gè)關(guān)鍵操作可以減緩數(shù)/模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換和采樣保持觸發(fā)器開(kāi)始之間的延遲。首先是采樣保持電路的保持功能，這個(gè)值應(yīng)保持足夠長(zhǎng)的時(shí)間來(lái)使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器完成這個(gè)進(jìn)程。其次是數(shù)據(jù)平均和抖動(dòng)平均。后向散射信號(hào)是微弱且嘈雜的，因此需要用數(shù)據(jù)平均來(lái)提高信噪比。

2.2 保持電容泄漏

采樣保持電路的核心是一個(gè)電容，其保留了提供給它的信號(hào)。該電容器易泄漏，當(dāng)采樣保持電路處于保持模式時(shí)，將從電容流出。

下降率[VCH]與時(shí)間有關(guān)，它取決于保持電容值[CH]和泄漏電流[IL，]可以通過(guò)下式計(jì)算：

式中：[γ=（?Ω）k；][?=普朗克常量2π；][k]是玻爾茲曼常數(shù)；[2πΩ]為拉曼頻移；[PS（z），][PAS（z）]是距離[z]處的斯托克斯和反斯托克斯功率；[C]為一個(gè)校準(zhǔn)參數(shù)，它通過(guò)一個(gè)已知的溫度和后向散射功率來(lái)計(jì)算；[Δα]是斯托克斯和反斯托克波長(zhǎng)在光纖衰減中的差值。

任何由于下降率而引起的比例不匹配都會(huì)產(chǎn)生一個(gè)與功率比有關(guān)的比例因子[K，][K=PS（z）PAS（z）。]一旦長(zhǎng)期發(fā)展，這個(gè)額外的比例因子就會(huì)被校正參數(shù)[C]所吸收。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2所示。圖2中40 ℃和70 ℃參考爐使用電進(jìn)行加熱，兩者距離很近且之間沒(méi)有連接器。光纖的參考線圈被加熱到40 ℃和70 ℃為校準(zhǔn)過(guò)程提供參考點(diǎn)。

3.1 空間分辨率

空間分辨率定義了溫度發(fā)生階躍變化期間系統(tǒng)響應(yīng)的距離。對(duì)分布式溫度傳感系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，測(cè)量了整個(gè)光纖10%～90%的距離。步進(jìn)距離選擇在40 ℃和70 ℃參考位置之間，因?yàn)檫@些點(diǎn)非常接近，且光纖是連續(xù)的，沒(méi)有連接器。這里測(cè)量了起始端和末端的溫度變化。圖3和圖4顯示了參考位置的溫度階躍變化。

沿光纖每隔2 m進(jìn)行溫度測(cè)量，所得的數(shù)值為1 h內(nèi)的平均值，以此來(lái)減少參考部分的溫度變化，結(jié)果如表1所示，可以看出，采樣保持電路可獲得較好的空間分辨率。如果沒(méi)有該電路，空間分辨率將超過(guò)120 m，這個(gè)數(shù)值對(duì)應(yīng)于MSP430內(nèi)部的數(shù)/模轉(zhuǎn)換器采樣和保持捕獲時(shí)間。

3.2 溫度穩(wěn)定性

測(cè)量了5個(gè)位置處的溫度隨時(shí)間的變化來(lái)顯示系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在每一個(gè)位置處，所得的溫度值為4 s的平均值。用超過(guò)10個(gè)的溫度測(cè)量值判斷標(biāo)準(zhǔn)偏差。

如表2的結(jié)果所示，與期望一樣，固定位置處的溫度偏差會(huì)隨著距離而增加。在約1 km位置處的溫度偏差約是1 ℃，且通過(guò)測(cè)量時(shí)間的增加，這個(gè)結(jié)果可以進(jìn)一步減少。

4 結(jié) 語(yǔ)

帶有內(nèi)置數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的廉價(jià)單片機(jī)和簡(jiǎn)單的采樣保持電路的結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)簡(jiǎn)單的分布式溫度傳感器的采集系統(tǒng)。盡管溫度采集不再是完全分布式的，但仍可以監(jiān)測(cè)到沿光纖任意被選擇的位置處的溫度變化。這個(gè)功能可以適用于較短的光纖，這種光纖只需要監(jiān)測(cè)某些位置處的溫度。盡管使用了低速數(shù)/模轉(zhuǎn)換器，但由于采樣保持電路的存在，空間分辨率依然很短。采樣保持電路可以獲得獨(dú)立于數(shù)/模轉(zhuǎn)換器采樣速率的較短的空間分辨率。

參考文獻(xiàn)

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