胡 康

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基于分布式光纖傳感器的溫度檢測(cè)設(shè)計(jì)

胡 康

湖北工程學(xué)院新技術(shù)學(xué)院，湖北 孝感 432000

現(xiàn)代傳感技術(shù)的飛速發(fā)展促進(jìn)了測(cè)量與測(cè)試行業(yè)的發(fā)展，光纖傳感器具有測(cè)量范圍廣、精度高的特點(diǎn)，已被應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域?；诖耍饕骄苛朔植际焦饫w傳感器在溫度測(cè)量領(lǐng)域的應(yīng)用，利用光纖的后向散射現(xiàn)象和光時(shí)域反射理論，在光纖長(zhǎng)度范圍內(nèi)，以連續(xù)函數(shù)的形式測(cè)量各個(gè)點(diǎn)的溫度。

光纖傳感器；分布式；硬件設(shè)計(jì)

引言

隨著嵌入式技術(shù)、現(xiàn)代傳感技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)的不斷發(fā)展，各種新技術(shù)被應(yīng)用到了工程檢測(cè)領(lǐng)域內(nèi)，功能強(qiáng)大、性能穩(wěn)定的測(cè)量系統(tǒng)是未來(lái)測(cè)量與測(cè)試領(lǐng)域的發(fā)展方向。分布式光纖傳感器以光纖作為載體，將光纖布置在測(cè)量范圍內(nèi)，不僅能夠測(cè)量溫度，還能夠測(cè)量距離。分布式光纖傳感器測(cè)量溫度，能夠獲得溫度隨時(shí)間和空間變化的規(guī)律，并且基于嵌入式控制技術(shù)，能夠設(shè)計(jì)出具有智能化和網(wǎng)絡(luò)化的現(xiàn)代溫度檢測(cè)系統(tǒng)。本文通過(guò)探究分布式光纖傳感器的相關(guān)理論，借助嵌入式測(cè)量系統(tǒng)的硬件，設(shè)計(jì)分布式光纖傳感器溫度測(cè)量系統(tǒng)[1]。

1 分布式光纖傳感器相關(guān)理論

分布式光纖溫度傳感器主要是利用光纖沿溫度場(chǎng)的排布，通過(guò)測(cè)量光在光纖傳輸時(shí)的散射光攜帶的溫度信息，同時(shí)采用光時(shí)域反射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖傳輸路徑上溫度的測(cè)量和檢測(cè)。分布式光纖傳感器的散射機(jī)理主要有瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射。

瑞利散射是光纖纖芯密度不均勻造成了折射率不同而形成的一種彈性的散射。所以瑞利散射的光頻率不會(huì)受其影響，散射光和入射光的頻率相同。通過(guò)測(cè)量沿著光軸方向返回的背向瑞利散射光功率，可以得到沿著光纖方向傳輸?shù)膿p耗信息，從而檢測(cè)外界信號(hào)在分布式光纖上的擾動(dòng)信息，例如應(yīng)變、抖動(dòng)和斷點(diǎn)等。瑞利散射能夠?qū)囟冗M(jìn)行測(cè)量，但是受到的影響因素眾多。散射稀疏對(duì)溫度的靈敏度太低，導(dǎo)致檢測(cè)的靈敏度不高[2]。

布里淵散射的原理基于光在介質(zhì)中受到各種元激發(fā)的非彈性散射，其頻率的變化能夠表征元激發(fā)的能量。頻率的變化和散射方向與介質(zhì)內(nèi)的聲速特性有關(guān)。環(huán)境溫度變化時(shí)，光的折射率和聲速都會(huì)發(fā)生變化，通過(guò)頻率的移動(dòng)就可以檢測(cè)溫度的變化。分布式布里淵測(cè)溫方法測(cè)量精度高、范圍大，但是光纖在溫度變化時(shí)會(huì)熱脹冷縮，給溫度的測(cè)量帶來(lái)影響。

拉曼散射是入射光與分子運(yùn)行相互作用產(chǎn)生的頻率變化造成的。通過(guò)在光纖中注入窄脈沖，傳感光纖敷設(shè)在有待測(cè)量的溫度場(chǎng)內(nèi)，窄脈沖在光纖傳輸過(guò)程中會(huì)發(fā)生非線性效應(yīng)，產(chǎn)生拉曼散射。拉曼散射會(huì)產(chǎn)生斯托克斯和反斯托克斯兩種光。反斯托克斯光受溫度的影響加大，斯托克斯光受溫度的影響小。通過(guò)測(cè)量?jī)煞N光纖的光強(qiáng)比，就可以計(jì)算溫度信息。本文采用拉曼散射原理作為測(cè)量溫度的理論。

2 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)設(shè)計(jì)

分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)主要包括光學(xué)部分和信號(hào)處理及采集裝置。光學(xué)部分采用了兩個(gè)分光器、兩個(gè)定向耦合器和兩個(gè)激光發(fā)射器及激光器驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)；信號(hào)采集及處理部分采由光電轉(zhuǎn)換器、放大器及數(shù)據(jù)采集模塊組成。整個(gè)分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖如圖1所示。

圖1 分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)框圖

采用該系統(tǒng)進(jìn)行溫度測(cè)量時(shí)，首先由計(jì)算機(jī)控制激光器發(fā)射出測(cè)量所需的激光。激光經(jīng)過(guò)定向耦合器進(jìn)入到傳感器光纖中，傳感器光纖的溫度就是需要測(cè)量的環(huán)境溫度。不同的溫度會(huì)引起不同的拉曼散射，產(chǎn)生斯托克斯和反斯托克斯光，散射光傳輸回定向耦合器后，采集相關(guān)的參數(shù)，通過(guò)計(jì)算可得需要測(cè)量的環(huán)境溫度[3]。

3 溫度測(cè)量系統(tǒng)硬件組成

分布式溫度測(cè)量系統(tǒng)的光學(xué)部分硬件主要包括激光器、分光器和光電轉(zhuǎn)換電路。激光器采用的是FLDM系列多模光纖耦合半導(dǎo)體激光器FLDM-915-10000T，激光器類型為FP型，光譜寬度2?nm。分光器的任務(wù)是分離出斯托克斯光和反斯托克斯光。其中，斯托克斯濾光片891?nm，反斯托克斯濾光片826?nm。光電轉(zhuǎn)換電路選用的是光電倍增管和雪崩光電二極管。雪崩光電二極管具有小型化、不需要高壓電源等優(yōu)勢(shì)。

數(shù)據(jù)采集和信號(hào)處理硬件包括系統(tǒng)電源、系統(tǒng)時(shí)鐘、A/D轉(zhuǎn)換、外部存儲(chǔ)器以及接口電路。系統(tǒng)電源采用+5?V電壓供電，通過(guò)芯片轉(zhuǎn)換為+5?V、+3.3?V、+1.5?V、+1.2?V、-1?V等多種電源。穩(wěn)定的系統(tǒng)時(shí)鐘是DSP和FPGA等高精準(zhǔn)工作的保證。系統(tǒng)時(shí)鐘通過(guò)外部晶體振蕩器產(chǎn)生，分別由兩塊晶振完成，即16?MHz用于DSP的外部時(shí)鐘，50?MHz的FPGA外部時(shí)鐘和A/D轉(zhuǎn)換的時(shí)鐘由FPGA倍頻獲得。A/D轉(zhuǎn)換是將采集的光電模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)閿?shù)字信號(hào)，芯片選用ADS62P25。ADC模擬信號(hào)采用的是差分輸入方式，差分輸入方式可以濾除偶次諧波分量和共模干擾信號(hào)。外部存儲(chǔ)器采用SRAM和FLASH。FPGA選用兩個(gè)SRAM，用于緩存斯托克斯和反斯托勒斯信號(hào)；DSP選用FLASH，用于存儲(chǔ)固化的DSP源程序。

4 總結(jié)

本文主要對(duì)分布式光纖傳感器測(cè)溫系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)，闡述了分布式傳感器的相關(guān)理論，并采用基于拉曼散射的光纖傳感器搭建該系統(tǒng)，分析了分布式光纖傳感器溫度檢測(cè)系統(tǒng)的組成，重點(diǎn)介紹了分布式測(cè)溫系統(tǒng)的光學(xué)硬件部分和信號(hào)采集及處理部分。

[1]周正仙.分布式光纖溫度傳感器的設(shè)計(jì)和優(yōu)化[D].上海：上海交通大學(xué)，2009.

[2]丁英麗.基于光纖傳感器的智能溫度檢測(cè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].計(jì)量與測(cè)試技術(shù)，2003（2）：11-12.

[3]張巖紅.分布式光纖溫度傳感器信號(hào)處理系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].秦皇島：燕山大學(xué)，2003.

Based on the Temperature of the Distributed Optical Fiber Sensor Design

Hu Kang

Hubei College of Engineering Institute of New Technology, Hubei Xiaogan 432000

The rapid development of modern sensor technology will promote the development of measurement and testing industry, fiber optic sensor has the characteristics of wide measurement range, high precision, has been applied to many areas. In this paper, we explore the distributed optical fiber sensor applied in the field of temperature measurement, using the backscatter phenomenon in optical fiber and optical time domain reflection theory, can be within the scope of the fiber length, measuring the temperature of the various points in the form of a continuous function.

optical fiber sensor; distributed; hardware design

TP212

A

1009-6434（2017）02-0003-02