分布式光纤（精选十篇）
分布式光纤 篇1
传统温度传感器由于测量原理的限制, 易受外界环境, 特别是电磁干扰的影响, 无法长时间连续测量。使用光纤光栅等新型点式光学温度传感器, 由于成本的限制, 无法实现真正的分布式测量, 限制了其应用范围。
近年来, 使用普通光纤作为传感介质的新型光学传感器由于具有本征无源, 抗电磁干扰, 响应快速等特点, 逐步取代了传统的探测方法, 成为研究的热点。
同时, 分布式光纤测温系统受激光脉冲在光纤中的展宽等因素的影响, 空间分辨率指标无法得到有效提升。传统的方式是通过压缩入射光脉冲宽度, 提高脉冲光峰值功率的方式来提高系统的空间分辨率, 但此方式实现难度较高, 并不能无限压缩光脉冲宽度, 并且随光脉冲宽度的降低, 加工难度和成本也随之大大提高, 限制了系统的实际应用效果和应用范围。
本文在前期研究的基础上, 利用已有的分布式光纤测温系统, 展开了相关实验研究。测量了多种不同带宽光缆对应空间分辨率指标, 并做了相关数据分析。试验结果表明:光纤的带宽对分布式光纤测温系统空间分辨率有较大影响, 并在500MHz*km至6000MHz*Km范围内呈现先升高后降低的趋势。
2 实验原理与系统
系统基本架构如图1所示;
系统的工作过程如下:分布式光纤温度传感系统工作时, 在同步控制单元的控制下, 脉冲驱动电路产生电流脉冲, 该脉冲驱动半导体激光二极管产生的光脉冲注入到激光器尾纤中, 从激光器尾纤输出的光脉冲经过光路再进入传感光纤。光在光纤中发生散射后, 其携带有温度信息的拉曼后向散射光返回到波分复用系统, 波分复用系统不但可以将发射的光直接耦合进光纤, 而且可以将散射回的不同于发射波长的斯托克斯和反斯托克斯光分离后送入两个光电探测器。光电探测器将光信号转换成电流信号, 电流信号再被放大电路转换成电压信号并且放大后送入采集卡。采集卡将信号数字化后送入上位机, 按照特定的算法计算出温度信息。
在上述系统的基础上, 采用不同带宽的50/125μm多模探测光缆作为测试对象, 验证了系统空间分辨率变化情况。
3 实验结果
实验中, 共测试了不同带宽的多模50/125μm的光纤对应的系统空间分辨率, 光纤及相关实验参数如表1。
注:空间分辨率恶化系数的计算方法如下:
空间分辨率恶化系数=空间分辨率绝对变化量/光纤长度
根据上述数据可以得知, 多模光纤带宽与系统空间分辨率的关系如图2所示。
从图中可以看出, 系统空间分辨率在500MHz*km至6000MHz*Km范围内呈现先变好后变差的趋势, 并在1600MHz*Km左右达到最优。
4 理论分析
在分布式光纤测温系统中, 系统的空间分辨率主要受光脉冲宽度、电路带宽、光电探测器响应时间等因素制约, 在其它因素确定的条件下, 光脉冲宽度称为影响空间分辨率的重要因素。光脉冲在传感光纤中传输, 受到色散的影响, 会出现不同程度的展宽效应。具体而言, 在多模光纤中, 光纤材料、波导结构和多种模式的光脉冲信号在光纤中传输, 色度色散和模间色散是引起光脉冲展宽的主要因素。
其中分别是模式色散和波导色散。模式色散一般存在与多模光纤中, 由于在多模光纤中同时存在多个模式, 不同模式沿光纤轴向的传播速度不同, 到达终端时就有先后, 出现时延差, 从而引起脉冲展宽。时延差越大, 色散就越严重。而波导色散取决于光纤的折射率剖面结构。
两种色散共同决定了光脉冲展宽的程度, 而光纤的3d B带宽与脉冲宽度δ是从不同角度描述光纤色散特性的两个参数, 因而它们之间存在一定的关系。
光纤的带宽越宽, 脉冲展宽约小, 但这只是理论公式, 通过实验数据表明, 当光纤带宽小于1600MHz*Km时, 满足该公式的关系, 当超过该值时, 脉冲展宽随带宽增加而增加。
5 结论
本文通过对不同带宽光缆对分布式光纤测温系统空间分辨率的影响进行测试, 确认了在一定范围内光纤带宽指标影响系统空间分辨率的变化规律, 并进行了理论分析。为进一步通过优化光纤指标来提高分布式光纤测温系统的系统指标提供了数据及理论支持。
参考文献
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智慧城市下的分布式光纤感温系统 篇2
光传感有限公司 林兆明
本人从事电讯业多年，近年来研发出“分布式光纤感温系统”技术，主要用于监测地下管道或缆线的安全。作为崭新的工业技术，在二○一二年申请了中港两地专利，目前新技术已应用于香港大型铁路网络及电力网络、澳门大型商场和酒店、印尼雅加达国际机场新3号航站楼，并在积极洽谈在香港和海外的重大项目。
基于“智慧城市”概念而创
海外有不少地方都在推崇【智慧城市】（smart city）的发展概念，即有效地监测城市中各种不同的基础设施及工业系统，从而减低碳的排放，并预防意外发生，让日常生活更健康、安全。分布式光纤感温系统就是基于这个概念而研发出来的，除了监测工业系统安全性能外，还应用在节能减排上。
具体地说，【智慧】的理念就是通过新一代信息技术的应用使人类能以更加精细和动态的方式管理生产和生活的状态，通过把传感器嵌入和装备到全球每个角落的供电系统、供水系统、油气管道输配系统、交通系统等生产生活系统的各种物体中，使其形成的物联网与英特网相联，实现人类社会与物理系统的整合，然后通过超级计算机和云计算将物联网整合起来。
关于【智慧城市】的具体定义则比较广泛。我认为，所谓的“智慧城市”应该是人、建筑物、系统、设施都体现智能型的统一，它们取代了之前非智能的工业方式。关注高敏光学感应系统，比如对分布式感温系统进行专业的研发、制造，用作确保能源供应，同时作出安全监测和预警，对于城市智能化管理来说会起到非常重大的启发和收获，其影响更是寓意深远。
分布式光纤感温系统介绍
分布式光纤感温系统(以下简称FODTS)的原理是应用拉曼效应(Raman-effect)来测温。该理论源于上世纪二十年代，是英国南安普顿大学的研究成果。FODTS 测温技术是基于光时域反射仪(Optical Time-Domain Reflectometer(OTDR))。同时，物理环境因素例如温度、压力及拉力，都能够改变玻璃纤维(二氧化硅)的内部结构，使该点光纤内的激光轴向运动发生变化。热力效应引致晶格振动，当光线接触振动中的分子晶格，便会造成散射，称为拉曼散射(Raman scattering)。在物理过程中，热力强度与光线的散射幅度成正比例。利用此光学原理，只要测量光线或散射光线延迟返回的时间，便可以准确地计算测温点位置(请参阅图一)。
FODTS系统可以自动探测沿光缆*所有测温点的实时温度，若测温点温度超过某个水平线，系统会实时发出警报及报告。FODTS系统的温度数据库附有位置及时间信息，发出的分析报告包含了这些内容，有助于用户实时找出发生问题的地点，并协助用户迅速作出决策和防范措施。FODTS系统在应用上具有灵活性，用户可以根据特别需要而设定数个分区为监察区域，每个区域可以根据特别的运行环境设定不同的报警水平线，每一个监察区域会因测温点的实时温度数据来显示不同颜色。FODTS系统的用户接口简单易用，能够实时显示系统测温点的概况，用户也可以选择将接口上的光纤路线置于监测区域的AutoCAD图上，便于实时得知问题发生的位置。此外，FODTS系统的图表都可以按照用户的要求进行定制，提高用户的决策效率。
综上信息简单来说，光纤可以有效传送管道温度的变化数据，作准确及时的监察。它可以通过温度的不同，有效判断出地下管道或缆线是否老化，在损坏前发出警报。它最为突出的特点便是监测地下管道或缆线的安全。老式的传感测温技术仅在被测管道上放置单个的传感器，全新的【分布式感温技术】是指传感机制沿着光缆全程被分布，而不是在一定数量的位置上被分布。分布式光纤感温系统的特点
分布式光纤感温系统的特点很多，重点可以概括为三大部分：安全预防、应用广泛、性价比高。
（一）安全预防
在我们生活的城市中，地下管道及电缆系统随处必备，一旦出现问题，情况可大可小。如果情况较大，后果则不堪设想。实时监测地下管道的老化及泄漏，意外将可避免。去年7月，台湾高雄发生的严重天然气管道爆裂，造成32人死亡，321人受伤的重大事故。这个事实告诉我们，城市地下埋藏的管道会随时成为致命炸。具备连续测温功能的FODTS系统是监测燃气管道及油管泄漏的最佳方案。FODTS系统负责监测整条管道的温度曲线数据，二十四小时不断监测，如管道中某一点出现裂缝或者破损，温度将发生变化，我们便可及时捕捉，并准确探测出问题管道的所在位置并及时抢修。以燃气管道泄漏为例，燃气管道渗出压缩气体，根据焦耳汤姆逊效应(Joule-Thompson effect)，压缩气体会于管道裂口附近形成低温区。FODTS系统会立即监测到管道温度数据出现异常变化，并可准确地计算发生气体泄漏的位置。从高雄事故分析，当管道开始漏气之初，该处的压力就会下降，管道裂口温度也会相应下跌六至七度。我们如果在温度开始下跌时及时抢修和补救，就可避免事故的发生。
（图二）应用于监测燃气管道泄漏的FODTS系统 与燃气管道泄漏相反，油管泄漏会于管道裂口造成温升效果。FODTS系统对以上应用例子均能够准确迅速地确认泄漏位置，大幅度降低泄漏事故的发生和成本损失。
FODTS系统还可以检测早期的电缆故障，防止电力系统的故障造成火灾的发生。电力上的输电电缆长期使用后，绝缘体会老化，散热会减慢，最终绝缘体损坏导致电缆产生故障。通过监控电缆温度曲线可以适度使用电缆及延长使用寿命，避免绝缘体损坏。FODTS系统可实时监测整条电缆上的热点，而内置的历史温度数据分析功能，可以显示电缆不同部位的温度实时变化情况，发现潜在的问题。同时，监测系统还可以辅助提高电缆载流容量至最佳水平，达到增加运营能效的目的。
（图三）FODTS系统可以在同一时间显示电缆几部分温升
商场及酒店的各种设施如空调系统、供水、照明、电梯电器及楼宇管理系统均需要电力系统的支持。电力系统的故障可能会引至火灾的发生，危及商场或酒店顾客的生命安全。FODTS系统可以为用户预先设定启动报警的温度水平线，当电力系统温度超过预设水平线，报警实时启动，提醒相关人员及时检查维修，尽快落实应急措施。
（二）用途广泛
FODTS系统用途十分广泛。它不仅可用于上述提到的监测地下油气管道的泄漏和电缆运行的故障及商场大厦内的电力系统，还可广泛应用于以下领域：①在通风冷温（HVAC)系统方面，监测隧道温度及通风管理。②在供水及污水排放系统方面，通过水温异常变化监测非法排污。③在地质及水利学方面，测量水温对研究生态有很高的重要性。
通风冷温系统（HVAC）
隧道内的通风系统是为车站及车厢内的乘客提供新鲜的空气，通过监控隧道的温度，操作人员可以提升隧道内的空气流量，达到最佳水平。FODTS系统性价比高、不受隧道环境干扰，而且没有维修成本。系统提供24hx7的全天候温度监测，数据库可储存长达两年的数据供日后备用。并且FODTS系统可以和隧道的通风管理系统相结合，支持实时环境数据和按时间排序的温度趋势分析。
以下是隧道通风系统的示意图，通风系统由多个通风井（地面结构）组成，是气流的出入口。
（图四）应用于隧道温度监测的FODTS系统
供水及污水排放系统
FODTS系统可应用于监测非法的污水排放。大量的污水未经处理流入下水道可以引起相当严重的环境及健康问题。FODTS系统的光缆置于下水道内科收集连续性的温度数据，详细显示由非法排污引发的水温异常变化。
（图五）应用FODTS系统监测非法污水排放
地质及水力学系统
研究地质及水利作用过程中，测量温度占据重要一环。而大部分应用例子更是需要取得随时间及距离连续变化的温度数据。FODTS系统可以取得地质及水利地点，比如湖泊、地面及地下水流的温度数据。测量水温对研究生态作用有很高的重要性，沿河道铺设光缆测量水温，可取得精确及高分辨率的河道温度数据。应用举例：监测含水层和水生环境、计算蒸发损耗的能量平衡、记录对流过程等等。
（图六）沿河道铺设的FODTS光缆
（三）性价比高
目前，光纤感温系统的准确度可达正负一度，耐用二十年以上。造价方面，要具体视覆盖光纤的物料以及整个系统复杂程度而定，一般来说铺设一条1公里长管道的光缆大约价格为22万元，5000米长的管道则为26万元。1台主机的成本为20万，最多可以同时控制十二条管道，每条10公里长。维护成本每年每百米则只需10元，性价比显而易见了。
分布式光纤监测技术的有效运用 篇3
【关键词】涡轴发动机；耗油率；轴功率；清洗
1.分布式光纤监测技术的研究背景和应用特点
光纤技术于二十世纪七十年代被发现，因其具有灵敏度高、安全性高以及使用寿命较长的特点，在通信技术方面有了一定的运用。随着科研技术的进一步发展，光纤的应用变得十分广泛，现代通信几乎全部采用光纤技术，另外在医疗、采矿和石油工业等方面也因为有了光纤的加入节省了很大的人力、财力和物力。
随着人们安全意识的提高，特别是在工业上，传统的监测方法已经不能满足人们对监测技术提出的新要求。为改进传统的监测方法，在其基础上考虑加入光纤传感技术，构成光纤传感监测技术用来监测重要的结构件的受载情况，并对其内部的温度，压力进行监测，及时的发现重要结构件内部的损伤，提早的进行预防，及时的进行检修和维护，以免发生重大的安全事故。作为一种新型的监测方法，光纤监测技术以其灵敏度高、耐腐烛、抗干扰能力强等优点正越来越多地受到人们的重视，现在，一些工业技术发达的国家，例如美国、日本等已经将光纤传感技术用于监控工业中，而对国内的监测技术而言，光纤监测技术在土木工程结构中的应用已经取得了一定的成就。
光纤监测技术的迅猛发展与其独特的优点分不开，首先，光纤监测技术是以光纤作为传播媒介、以光信号作为载体，具有很高的灵敏度和监测精度，同时具有很强的抗干扰能力，具有很高的安全性能，其次，光纤纤心的材料为SO2因此光纤传感器耐腐蚀、使用寿命长，最后，光纤质轻柔软，制作出来的光纤传感器的体积小并且重量轻，这样方便安装同时在安装后对其他结构部件的性能影响小。
作为近几年来的研究热点，分布式光纤监测技术除了具备有普通光纤技本身所具有的优良性能外还体现出了两个较为独特的优良性能，其中之一便是在光纤上的任何地方设置的监测点都可以较为精确的测出需要的数据，获取的信息量大并且能得到较为直观的成果。另外一个则是光纤作为传输媒介的同时又作为传感器，精简结构的同时，也为施工和维护检修提供了很大的方便。
2.分布式光纤监测技术的运用
2.1分布式光纤监测系统及其技术运用分类
分布式光纤监测系统其实就是分布调制的光纤传感系统。所谓分布调制，就是沿光纤传输路径上的外界信号以一定的方式对光纤中的光波进行不断调制（ 传感） ，在光纤中形成调制信息谱带，并通过独特的检测技术，介调调制信号谱带，从而获得外界场信号的大小及空间分布，因此，分布式光纤监测系统通常由激光光源、传感光纤（ 缆） 和检测单元组成，是一种自动化的监测系统[1]。
从分布式光纤监测技术的监测内容看，其运用大致可分为以下四种情况：
（1）在渗流定位监测方面的运用，如布置在某水电站面板周围的渗流监测系统，在水库蓄水期间，有几处渗漏点被及时的监测到，通过采取一定的措施维护了电站的安全。
（2）在位移和随机裂缝监测方面的运用，如隔河岩水电站水库在覃家田滑坡中的螺旋型位移监测系统、湖北古洞口面板堆石壩面板上的随机裂缝自诊断系统，但这2个监测系统由于其单模光纤抗拉强度不够高（当裂缝大于2mm时光纤易被拉断），故能测量的随机裂缝的缝宽不够大，因此对随机裂缝的监测生命期尚不长[2]。
（3）在裂缝监测方面的运用，如古洞口面板堆石坝周边缝及面板间缝的准分布式光纤测缝计监测系统，对光纤测缝计埋设处缝宽变化的监测获得了较好效果[2]。
（4）在温度监测方面的运用，如设置于广东长调水电站和位于新疆石门子碾压混凝土拱坝内以及三峡大坝内的分布式测温系统，由于合理的进行了测点的布置，最后获得了很大的监测信息，起到了良好的监测作用，将监测场内的温度场的分布情况较为全面的反映了出来[3]。
2.2分布式光纤监测技术的实际运用分析
地质灾害在我国发生的频率相对来说是比较高的，特别是在西南地区，如果采用传统的监测技术，如果地质灾害突然，那么监测系统也会受到地质灾害的影响从而造成损害，因而不能及时对现场的情况作出比较具体的分析，耽误救援的同时也会造成人力物力的浪费和损失。因此将分布式光纤监测技术应用于对地质灾害高发地段的监测中，可以随时监控它们内部温度，应力应变的变化情况，从而及时的发现危险情况，在面对突发灾害时，光纤监测的优点就能体现出来了。
我国西南部因其较为特殊的地理环境，在多雨的季节易频繁的发生滑坡灾害，对人们的生活造成了很大困扰，甚至危及到了人们的生命安全。而每年因滑坡造成的经济损失高达数百亿。因此，及时的发现滑坡并采取措施对滑坡进行防治变得十分的重要。所以，本文具体讨论光纤监测技术在应对山体滑坡中的运用。
对滑坡进行分布式光纤监测，在易发生滑坡的坡体内部埋入光纤形成一个较为完整的监测网络，对坡体的变形进行监测，形成一个较为全面的分布式光纤监测灾害控制系统。以三峡库区马家沟为例，在前期准备工作中，针对该工程所处的地理位置及周围的环境特点进行详细的记录和分析，在实施该工程的时候，沿着坡体走向采用直埋和定点相结合的方式在其内部埋入可以感测坡体变形和温度的光纤，沿垂直于坡体走向的方向，上升一定的高度便设置一个监测孔。通过对坡体进行一段时间的监测，对监测统计到的数据进行分析得到以下结论：坡体表面变形的异常位置都可以通过各类应变传感光纤进行有效的识别和定位。这也体现出来了分布式光纤技术在监测坡体滑坡方面的有效运用另外，随着社会的快速发展，各行各业的发展都加快了速度，特别是建筑行业，又因为钢筋混凝土结构稳定，耐用，极大的满足建筑行业对结构件本身的要求，所以钢筋混凝土结构的在近些年来被广泛的利用。然而，钢筋混凝土也会到到外界干扰而不能充分体现出其优点，除去人为因素造成的钢筋混凝土结构的破坏外，钢筋混凝土因其结构化学性能的影响，其中的钢筋会发生锈蚀现象，一旦钢筋混发生了锈蚀现象，其本身具有的优秀性能不仅体现不出来，甚至还会加快其结构的断裂。因此，锈蚀现象的产生会对钢筋混凝土结构造成巨大的危害。然而，通过对钢筋缓凝图机构进行一系列的研究后发现，锈蚀现象刚发生时是很难被观察到的，而观察到有锈蚀现象发生时，已经过了对钢筋混凝土进行维修的最佳时期了，此时不仅修复难度加大，而且产生的维修费用也是极高的。很多工程案例中都因为锈蚀现象没有被及时的发现，最终导致总体结构发生破坏，造成巨大的经济损失甚至会发生人员的伤亡。所以，为了较早的发现钢筋混凝土发生的锈蚀问题，对钢筋混凝土内部的钢筋进行有效的监测时很有必要的。因此，采用分布式光纤监测技术，在钢筋混凝土结构外围缠绕上光纤，形成一个完整的监测系统，在钢筋发生锈蚀现象时，会因为内部产生的锈胀力使得整体结构发生形变，从而使得缠绕在结构上的光纤也发生形变，由于光纤的灵敏度极高，即使在锈蚀发生初期发生的极小的形变也能通过光纤传感器被发现。从而可以达到对钢筋混凝土结构进行早期的防锈蚀措施，避免造成重大危险事故。
3.总结与展望
分布式光纤监测技术是一种具有高灵敏度，精度较高等优良特点的监测手段，可以有效的防止灾害和事故的发生，对保护人们的生命、财产安全起到了很大的作用。随着对分布式光纤监测技术的研究进一步加深，其监测系统会变得更加的完善，同时也会受到各行各业的亲睐。 [科]
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分布式光纤振动传感网络周界 篇4
近年来,光纤传感系统成为监控领域研究的热点。光纤传感是以光为载体,以光纤为媒质,感知和传输外界信号的新型传感技术[1]。这种传感系统,由于整个光纤长度上的任一点都是敏感点,因而没有检测盲区,同时也具备了光纤本身不受电磁干扰、灵敏度高、可靠性高、耐腐蚀和体积小等诸多优点[2],适用于各种恶劣环境,因此具有十分广阔的市场应用前景[3]。
分布式光纤振动传感是分布式光纤传感的一个重要分支,它可实时监测作用于光纤上的压力或光纤附近的振动,具备极高的灵敏度[4]。目前市场上已有利用光纤振动传感技术研制的周界防范系统,但这些系统大多为单防区传感器,当防区范围扩大、排列分散时,就需要多套独立系统去完成监测,成本高昂,且无法实现集中管理。
本文基于分布式光纤振动传感技术,以萨格奈克(Sagnac)干涉仪为传感单元,借鉴光通信中的无源光网络(PON)概念,结合光时分/波分混合复用技术,组建了分布式光纤振动传感网络,使系统的监测容量大为提高,并实现了多防区的集中管理;所有监测防区共用一套有源终端系统,使得单个监测防区的研制成本大幅降低。
1 系统构架
系统基本构架如下图1所示。
多波长光源模块按照一定的脉宽和重复频率发出多波长脉冲调制信号,这些信号经光放大器放大后进入光分配网络。光分配网络按照设计的混合时分/波分复用方式将信号分配至每一个传感单元。传感单元采用光纤Sagnac干涉结构,其干涉传感信号将原路返回,再经光分配网络进入光信号接收模块,经数据采集、处理后在用户端控制软件界面上显示出各防区的实时外界入侵信息,并发出报警信号。
1.1 多波长光源模块
系统采用了混合时分/波分复用技术,因而系统光源为多波长光源模块,其输出信号含有6个符合ITU通信标准的波长,各信道波长分别对应ITU通信标准中的C37、C39、C41、C43、C45和C47,波长间隔200 GHz,单信道功率达到0 dBm,进入光分配网络前,由掺铒光纤放大器(EDFA)增强放大。时分复用技术要求探测光信号为脉冲调制信号,系统设定其脉宽为200 ns,重复频率为10 kHz。
1.2 光分配网络
光源输出的多波长信号经EDFA增强放大后,进入图2所示的光分配网络。
光分配网络主要由两部分构成,即时分模块和波分模块。多波长信号进入光分配网络后,时分模块中的光分支器将信号分为20路,并为每一路信号分配不同的时间带隙。经过时分处理后的单路多波长信号下载到波分模块,波分模块中的波分复用器将这些多波长信号按照波长分配到每一个传感单元。这样每个传感单元的传感信号在返回的脉冲序列中的位置将由其波分编码和时分编码共同决定,因而这个位置具有唯一性。现有系统波分复用的波长数目为6,时分复用数目为20,因而整套系统可以管理6×20路传感单元,增加复用波长数目和时分复用数目,现有系统可扩容到8×32路。
1.3 传感单元设计
系统传感单元采用光纤Sagnac干涉仪,其结构如图3所示。工作原理如下:光源输出的光被3 dB耦合器分为两路,分别沿顺时针方向和逆时针方向
进入同一光纤环,由于两束光频率相同,相差恒定,当它们再次进入耦合器时,将在输出端发生干涉[5]。
设图3中受到外部干扰的光纤长度为l,则其引起的光纤中光波相位变化为
式中,β为光纤传播常数;n为光纤纤芯折射率;r为光纤纤芯半径。由式(1)可知,当光纤环受到外部干扰时,两束光的相位φ1和φ2将发生变化[1]。
而两束光干涉后其总光强I为
式中,I1、I2分别为产生干涉的两束光的光强;Δθ为两束光的相位差,即Δθ=φ1-φ2。
根据式(1)和式(2),当光纤环未受到外部干扰时,干涉将趋于稳定,输出光强I变化率为0。而当光纤环受到外部干扰时,两束发生干涉的光相位将产生变化,则Δθ也将发生变化,因此光强I也会改变。换言之,也就是说可以从光强的变化来判断光纤环是否受到了外界干扰[6],这也是本系统采用Sagnac干涉环为传感单元的基本理论依据。
1.4 信号接收设备及数据处理
由于系统传感单元采用光纤Sagnac干涉结构,所有信号将按原路返回,再次经过光分配网络后,将被波分/时分复用到同一根光纤内进入光信号接收模块,接收模块中的波分解复用器将这些信号再次按照波长分配到不同的光探测器,光/电转换后的电信号将被多通道采集卡并行采集,经过数据处理后在用户端软件控制界面上显示出来。图4所示为返回后的脉冲信号示意图。
图中每一个脉冲都代表一个传感单元,各传感单元的脉冲信号先按照波长分为多路,相同波长上的脉冲信号则依靠时隙来区分。当某一传感单元遭受入侵时,其对应的信号脉冲就会产生变化,通过用户端管理软件分析计算,发出报警信号。
2 结束语
本文基于分布式光纤振动干涉传感技术,以光纤Sagnac干涉仪为周界传感单元,借鉴光通信中的PON概念,并结合光时分/波分混合复用技术,实现了多防区、大范围、集中管理的网络型周边警戒。系统具有以下特色:(1) 以光纤混合复用技术为基础,以普通通信光缆制作传感单元,利用外界振动对光特性的改变实现长距离、大范围周界防区的监控;(2) 数字网络化结构便于集中监控、集中管理和集中维护,避免了前端供电所带来的系统可靠性和稳定性问题以及独立系统存在的人为关机和故障无法判识的致命性问题;(3) 采用光缆作为无源探测器,可避免雷电干扰,适用于易燃易爆以及强电磁干扰等场所;(4) 适用于各种复杂地形,可实现对不规则周界防区的无盲区监控;(5) 光缆具有较高的灵敏度,既可应用于各种类型的铁艺、铁丝网、栅栏和围墙等地表围栏,也适用于草坪、沙砾层和普通土壤下,形成隐蔽的防护体系。
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分布式光纤 篇5
关键词：光纤传感； 分布式光纤测温系统； 空间分辨率
中图分类号： TP 212 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.01.017
Abstract：Distributed temperature sensing system is a novel linear-type temperature sensor and the optical fiber is used as temperature sensor. Compared with the conventional technology， distributed temperature sensing system has many advantages， such as continuous measurement， long sensing distance， high location accuracy， anti-electromagnetic interference and so on. The principle of distributed temperature sensing and the factors affecting the spatial resolution are analyzed. The design of 0.5 m spatial resolution distributed temperature sensing system and the test reports are introduced. Also the high spatial resolution distributed temperature sensing system is used for online monitoring the temperature distribution of power cables. The result shows that 0.5 m spatial resolution is more effective for detection of small size hot spots and can more easily identify the potential fire hazard in the early stage.
Keywords：fiber sensing； distributed temperature sensing system； spatial resolution
引 言
分布式光纤测温系统（distributed temperature sensing system，DTS）是近些年发展迅速的一种新型
感温火灾探测器，光纤本身就是测温传感器，传、感合一，实现了沿光纤分布的温度实时测量。与传统技术相比，DTS具有分布式测量、精确定位、抗电磁干扰、本质安全、报警方式灵活等优点[1-3]。将测温光缆沿探测区域线型敷设，可及时发现过热点，防患于未“燃”，在电力、交通、石化等行业安全在线监测领域具有广泛应用。测量距离、测温精度、空间分辨率和测量时间是DTS最主要的技术指标，这几个技术指标相互关联、相互制约。其中空间分辨率，又称最小感温长度，直接关系到分布式温度测量性能和应用效果，空间分辨率越高，温度测量效果越好[4-5]。国家消防标准要求空间分辨率不超过3 m，国内大部分厂家的空间分辨率为2～3 m，该指标可满足公路隧道火情监测等常规应用，但对电缆等小区域过热监测应用效果并不理想。因此，有必要设计、研究高空间分辨率的DTS产品。
1 理论分析
DTS的温度测量基于光纤自发拉曼（Raman）散射效应。利用温度敏感的Anti-stokes光强PA和温度不敏感的Stokes光强PS的比值R（T）可以计算出温度值T[6]，其表达式为：
式中，h为普朗克常数，κ为玻尔兹曼常数，Δυ为拉曼频移量，Ω为与波长相关的常数，αA、αB分别为Anti-stokes和Stokes光对应的光纤损耗系数，z为光纤位置与入射端的距离。
DTS的位置确定是基于光时域反射OTDR技术。利用高速数据采集测量散射信号的回波时间即可确定散射信号所对应的光纤位置z。DTS的空间分辨率是设备的核心指标之一，是设备真实反应外界热点温度的最短受热光纤长度。由于激光脉冲存在一定宽度，某一时刻返回入射点的信号是脉冲宽度内光纤各点散射信号的叠加，即DTS获得的每点温度是脉冲宽度内光纤上各点温度的平均值。当受热光纤长度小于空间分辨率时，DTS的测量温度值将小于实际温度值。空间分辨率δz受激光脉冲宽度τ、探测电路响应时间t、数据采集时间间隔Δt等因素共同影响，根据文献[5]，空间分辨率δz由下式决定：
式中，c为光速，n为光纤纤芯折射率。如果要实现0.5 m的空间分辨率，τ、t及Δt均应小于5 ns。激光脉冲宽度τ越小，背向拉曼散射信号强度越小，将导致测温噪声变大；探测电路响应时间t越快，电路带宽越大，将增加大量的白噪声，也会导致测温噪声变大；数据采集时间间隔Δt越小，采集速率越高，将增加电路设计难度。因此，高空间分辨率DTS的设计技术难度大，需在激光驱动电路、高速弱信号处理及高速数据采集等方面进行优化设计。
nlc202309021303
2 高空间分辨率DTS的设计
高空间分辨率DTS主要由测温主机、传感光缆、用户软件以及备用电源、服务器等外围设备组成。测温主机是系统核心，包括脉冲光源产生、光放大、信号探测及数据采集等，直接影响测温性能和应用效果。传感光缆既是温度感测元件，又是信号传输介质，既能快速响应外界温度，又具有较好抗拉、抗压强度；并且光缆一旦断裂可精确定位和快速接续。用户软件包括温度曲线显示、火灾预警报警、历史数据查询及统计、监测区域可视化显示等功能。高空间分辨率DTS的组成如图1所示。
测温主机的设计直接关系到高空间分辨率的性能，本文给出了0.5 m空间分辨率的DTS设计思路。高速激光器驱动电路激发半导体激光器产生脉宽2 ns、峰值约10 mW的激光脉冲，被EDFA放大器放大为瓦级的高峰值激光脉冲，经分光器后入射到传感光纤上，激光与光纤分子相互作用，所产生的背向拉曼散射光经分光器分离出Anti-stokes光和Stokes光，并由高灵敏、高速响应探测器APD接收，经约300 MHz超高带宽放大电路后由8 bit、1 GS/s高速数据采集电路同步采集，控制及信号处理电路实现温度信号计算及火灾报警判断。根据式（3），τ、t及Δt均应小于5 ns方可实现0.5 m空间分辨率，本文采用激光脉冲宽度τ为2 ns、电路响应时间t为1.5 ns、数据采集时间间隔Δt为1 ns。
为测量DTS的空间分辨率指标，采用光纤取样环加热的方法，在2 km附近盘绕4个长度分别为0.3 m、0.4 m、0.5 m和1.0 m的光纤环，一同放入51.9 ℃的恒温水槽中，温度曲线如图2所示。从图中可以看出，0.5 m光纤环的温度值与1.0 m均为52.0 ℃，测温误差小于0.5 ℃，说明所设计的DTS的空间分辨率实现了0.5 m。此外，为了说明空间分辨率指标的重要性，盘绕4个长度分别为0.25 m、0.5 m、1.0 m和2.0 m的光纤环，一同放入约75 ℃的热水中。分别改变激光脉冲宽度2 ns、6 ns、10 ns和14 ns，模拟空间分辨率为0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m的设备，加热各环的温度值如表1所示。从表可以看出，如果受热区域较小，空间分辨率越高（脉冲宽度越小）则温度测量值越接近实际温度。
3 高空间分辨率DTS在电缆过热监测中的应用
宁波万华工业园区内敷设了数量众多的各种动力电缆和控制电缆，密集布设的电缆通风效果不佳容易造成电缆发热；此外，随着电缆老化，局部护套会出现破损，在水汽缓慢作用下绝缘电阻降低，也会造成电缆运行出现过热点。电缆发热是电气火灾的重要因素，由于电缆的可靠运行事关安全生产，因此有必要对电缆桥架和密集电缆沟的温度进行实时监测。由于电缆过热点的区域一般只有几十cm，为考察不同空间分辨率下电缆温度监测效果，将一段长度约400 m的测温光缆敷设在电缆桥架上，测温电缆紧贴电缆线型敷设，测温光缆与高空间分辨率DTS设备相连。该DTS设备的空间分辨率可在0.5～2 m之间自主设置，采样间隔0.1 m，测量时间最快5 s，测温误差小于1.0 ℃，长期稳定性小于1.0 ℃。
图3是不同空间分辨率设置下电缆分布式温度测量情况。从图3（a）可以看出，不同分辨率下的DTS测量的温度分布轮廓基本一致，在100 m前后有3个较明显的过热点，与实际热电偶排查的情况相符；图3（b）是过热点2的细节放大图，可以看出0.5 m空间分辨率下对小区域过热点的探测更为显著，能更及时发现潜在的火灾隐患。
4 结 论
空间分辨率是分布式光纤测温系统的核心技术指标，空间分辨率越高，对小的受热区域监测效果越好。对于电缆过热监测等应用，尤其需要关注空间分辨率指标。测试结果表明，所设计的分布式光纤测温系统的空间分辨率达到0.5 m；同时，由宁波万华电缆监测的应用证实，0.5 m空间分辨率对电缆等小区域过热点的探测更为显著，可有效提升电缆运行安全监测水平。
参考文献：
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（编辑：刘铁英）
分布式光纤测温系统技术与应用 篇6
关键词：分布式光纤测温系统,拉曼散射,斯托克斯光,反斯托克斯光
1 分布式光纤测温系统简介
分布式光纤测温系统是针对自然煤层的采空区的防火管理存在的监测手段单一的问题, 提出的利用光纤测温技术对采煤工作面采空区“三带”实时温度测量, 通过系统数据分析, 准确掌握采空区“三带”变化情况, 对出现的温度异常现象及时进行反馈, 从而实现煤炭自燃发火的预警, 为制定有效的防灭火措施提供可靠的技术依据。
2 分布式光纤测温系统的原理
分布式光纤测温技术是集温度传感和传输技术于一体, 在长达数公里的监测距离内, 测温光缆可得到沿途的温度场分布实现远距离的温度监测, 并且适用于易燃易爆、强电磁干扰的环境。
分布式光纤测温 (简称DTS) 系统使用一个特定频率的光脉冲照射光纤内的玻璃芯。当光脉冲沿着光纤玻璃芯下移时, 会产生多种类型的辐射散射。如瑞利 (Rayleigh) 散射、布里渊 (Brillouin) 散射和拉曼 (Raman) 散射等。其中拉曼散射是对温度最为敏感的一种。光纤中光传输的每一点都会产生拉曼散射, 并且产生的拉曼散射光是均匀分布在整个空间角内的。
拉曼散射是由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的, 具体地说, 如果一部分光能转换成为热振动, 那么将发出一个比光源波长更长的光, 称为斯托克斯光 (Stokes光) , 如果一部分热振动转换成为光能, 那么将发出一个比光源波长更短的光, 称为反斯托克斯光 (Anti-Stokes光) 。其中Stokes光强度受温度的影响很小, 可忽略不计, 而Anti-Stokes光的强度随温度的变化而变化。Anti-Stokes光与Stokes光的强度之比提供了一个关于温度的函数关系式。光在光纤中传输时一部分拉曼散射光 (背向拉曼散射光) 沿光纤原路返回, 被光纤探测单元接收。DTS通过测量背向拉曼散射光中Anti-Stokes光与Stokes光的强度比值的变化实现对外部温度变化的监测。在时域中, 利用OTDR技术, 根据光在光纤中的传输速率和入射光与后向拉曼散射光之间的时间差, 可以对不同的温度点进行定位, 这样就可以得到整根光纤沿线上的温度并精确定位。
其工作原理如图1所示。
所以:
结合高品质的脉冲光源和高速的信号采集与处理技术, 就可以得到沿着光纤所有点的准确温度值。
分布式光纤温度测量系统 (DTS) 利用拉曼散射 (Raman) 效应及光时域反射 (OTDR) 技术实现光纤沿线的连续分布式温度测量。系统基于最为先进的光电子集成技术, 采用模块化设计, 具有结构紧凑、功耗低、性能高、系统稳定和便于维护等优点。系统测量速度快, 并可精确的定位事故点;同时系统的报警方式更加灵活, 可以多重报警叠加, 大大提高报警效率。
3 主要技术指标
井下光纤测温主机须具备足够的防爆性能, 故拟采用隔爆型测温主机。考虑到足够的散热能力, 主机的功耗应该足够低。目前大多数的光纤传感主机都采用工控机式样, 除搭载windows操作系统外, 还需加装光电数据采集卡、分析办卡板卡等, 本项目拟进行嵌入式系统改造, 将所有的操作系统及功能芯片用嵌入式系统开发, 将大大提高功耗水平和系统的稳定性。另外, 考虑到井下工作环境潮湿、粉尘大, 供电不稳定, 操作人员对新产品不熟悉等, 测温主机内部的光路拟创新性地采用全光纤光路而不是空间透镜光路, 可最大程度地消除水汽、粉尘造成的影响, 降低衰减率。
本系统应具备以下要求:
(1) 响应时间快、定位准确, 可联网实现数据传输, 并且精度高, 寿命长;
(2) 空间监测, 实现分布式测量;
(3) 实时监测, 网络监控;
(4) 本身安全稳定, 适应煤矿井下恶劣环境的影响;
(5) 测量数据应该直接反应火灾的趋势, 精确可靠;
(6) 一旦发现火灾隐情, 应能快速响应并给出精确定位, 最大限度地将隐患在最短时间内进行处置。
功能特点:
(1) 整条光纤既传输信号又感应被测量;
(2) 测量距离:4km, 8km;
(3) 空间分辨率:±0.8m;
(4) 测量时间:单通道最快达2s;
(5) 温度分辨率可达0.1℃特殊设计的传感光缆;
(6) 多种温度报警方式;
(7) 具有自诊断功能, 快速定位故障。
4 结束语
通过分布式光纤测温系统, 可以快速有效的掌握采煤工作面采空区“三带”的实时温度值, 并通过数据分析及网络监控及时发现火灾隐患, 从而大大提高了矿井火灾预警能力, 为矿井生产安全提供了有力保障。
参考文献
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分布式光纤传感边坡工程检测设计 篇7
随着我国近年来对铁路公路等基础设施的大力投资, 边坡工程的稳定状况给人民的生命安全带来很大威胁, 因此, 对边坡工程进行监测是一项必不可少的工作。而传统的集TDR、渗压计、测斜仪等采集器于一体的监测系统, 由于受到自身因素的影响, 普遍存在抗干扰性、耐久性和长期稳定性较差的缺点, 难以适应现代岩土工程监测的要求。分布式光纤震动传感器与传统监测系统相比, 具有探测距离长、响应速度快、灵敏度高、自身不辐射、不受电磁干扰等性能, 能够对边坡振动信号进行识别, 有效的提高边坡检测的准确率, 因此分布式光纤振动传感器在边坡安全、边界预警等领域具有广阔的应用前景。
设计采用经验模态分解技术对边坡格构梁、挡土墙等工程进行变形监测的分布式光纤监测系统, 介绍分布式传感光纤的布设、参量提取以及模式识别。在某段土边坡上进行分布式光纤监测实验, 对此技术应用于边坡监测的可行性进行验证。
1 分布式光纤传感器介绍
分布式传感系统是利用一根或多根特种光纤作为延伸的传感元件, 即任意区间的光纤既是传感单元, 又是其它传感单元的信息传输通道, 可连续获取被测对象沿该光纤在空间和时间上变化的特征参量及分布信息。它的主要优势在于对大型或超大型工程的整体应变、温度等进行监测, 如油气管线泄漏、大坝和堤防渗漏及边坡等分布式监测等。
在光纤传感器的方案选择与设计上, 马赫曾德尔 (Mach-Zehnder) 型干涉结构的技术比较成熟, 具有独特的抑制光源噪声和模式噪声的优点, 本文采用了基于马赫曾德尔型干涉仪结构的方案。3d B光耦合器1 (即等强度分光器) 将激光器发出的光分成光强度相等的两束光, 这两束光输入到两个长度基本相等的单模光纤去, 在光纤的另一端, 两束光经过另一只耦合器汇合后接到两个光探测器上。当外界的物理振动干扰信号作用于信号臂上面时, 两臂之间的光相位就会出现差异, 两束光在汇合端就会发生干涉, 这一干涉信号通过耦合器分成两路送到光探测器上, 探测器就可以将干涉引起的光强度变化检测出来, 当检测到光强变化后, 就可以通过上式求出因受外力而产生的相位差。
2 信号的小波分解与重构
传统的振动信号分析和处理方法一般都是采用傅立叶分析, 是一种窗口函数固定不变的分析方法, 无法反映信号的非平稳、持时短、时域和频域局部化等特性。而小波分析是一种窗口面积固定但其时间和频率窗可改变的时频局部化分析方法, 由于它在分解的过程中只对低频信号再分解, 对高频信号不再实施分解, 使得它在高频频段的频率分辨率较差。在这种情况下, 小波包分解应运而生, 根据分析信号的特征, 自适应的选择相应频带, 使之与信号频谱相匹配, 从而提高了时频分辨率。将采集的振动信号进行小波包分解, 再利用小波包分解自动选择提取最佳小波包能量构造特征向量。
3 模式识别的应用
Visual studio 2012其界面美观且功能强大, 但在数值计算与矩阵运算等方面远不如MATLAB, 直接用Visual studio实现模式识别算法非常困难, 因此需要在C#程序中调用MATLAB作为一个计算引擎服务器, 在运行时, 引擎作为一个进程单独运行, C#程序也作为一个进程单独运行, 二者可以通过进程间的通信机制进行交互。MATLAB提供了一系列操作MATLAB引擎的API函数, 借助这些API函数可以轻松地实现矩阵运算、图形显示等计算复杂度高的操作, 因而可以将应用程序的计算功能交给MATLAB引擎来完成, 用C#实现界面部分。
模式识别的基本思想是将提取阶段得到的特征向量定义在一个特征空间中, 不同的特征向量都对应于空间中的一点。在分类阶段利用统计决策的原理对特征空间进行划分, 实现区分不同特征对象的目的。结构模式识别方法用符号来描述对象特征, 其模仿语言学中句法的层次结构, 利用模式与子模式分层结构的树状信息来完成模式识别工作, 主要突出了识别对象的结构信息。在模式识别的组成框架中, 利用小波包分解技术提取振动信号完成一组稳定的、具有代表性的特征值。
4 实验结果
实验需要将光纤振动传感器获得的振动参数经过放大和A/D转换, 通过串口传送到PC端C#、MATLAB联合编程的上位机进行处理, 基于小波包分析的的特征向量通过MATLAB仿真来提取。通过MATLAB仿真得到的基于小波包分解特征参量提取的边坡模拟振动信号和下雨振动信号的能量柱形图, 从图中可以两类信号可以凭借小波包分解获得的特征向量得到很好的区分。提取特征参量后, 通过MATLAB的模式识别算法, 有效的识别边坡振动信号。为了验证以上分析, 分别测试了20组边坡模拟振动信号和下雨振动信号, 误报为1组, 说明基于小波包分解的振动识别技术能很好地运用于光纤边坡检测系统。
5 结论
本文对传感光纤在边坡加固工程上的布设、信号的小波包分解和模式识别进行了介绍, 实现了MATLAB与C#混合编程对不同振动信号的模式识别, 构建了分布式光纤传感边坡监测系统。结果证明分布式光纤监测技术用于边坡工程的应变、变形等监测是可行的, 也是十分有效的。采用分布式监测系统, 可以对边坡进行全天候实时监测, 省时、省力和安全, 是当前和今后边坡监测发展的一个重要方向。
摘要：光纤传感的边坡工程检测系统是光纤振动传感器的一种新型应用设计, 可对边坡工程进行实时监测, 同时掌握边坡的变形动态, 对滑坡进行预警。高精度的传感器对边坡振动信号进行识别、经验模态分解, 提取不同环境状态下的快速傅里叶变换频谱系数, 再结合小波包分解技术, 建立信号特征向量, 对信号进行模式识别, 从而达到快速准确地分析处理数据。该方案有效的区分风、雨其他外界因素干扰, 较准确的反映边坡的检测情况满足工程安全监测和滑坡早期预警要求。
关键词：光纤传感,振动信号,小波包,模式识别
参考文献
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分布式光纤温度监测技术与应用 篇8
分布式光纤温度传感器系统, 是一种实时、在线、多点光纤温度测量系统, 已成为工业过程控制中的一种新的检测方法与技术。在系统中, 光纤既是传输媒体, 同时又是传感媒体。利用光纤背向拉曼散射的温度效应, 将温度信息实时地从噪声中提取出来并进行显示, 从这一方面看, 它是—种典型的光纤温度通信网络;在时域里, 利用光纤的光时域反射技术对所测温度点定位, 从这一方面看, 它是一种典型的光纤激光温度雷达系统。
1 光纤背向拉曼散射及其温度效应[1]
激光光脉冲射入传感用的光纤之中, 在光脉冲向前的传播过程中, 由于光纤的应力、密度、材料组成、温度和弯曲变形等原因, 发生散射现象, 一部分散射光会按照入射光相反的方向传播, 称之为背向散射光, 返回的背向散射光包括瑞利 (RayLeigh) 散射、拉曼 (Raman) 散射和布里渊 (Brillouin) 散射。瑞利散射频率与入射光脉冲一致, 拉曼散射频率与入射光脉冲相差几十太赫兹, 布里渊散射频率与入射光脉冲相差几十吉赫兹。
针对温度检测需求, 瑞利散射信号对温度变化不敏感;布里渊散射信号的变化与温度和应力有关, 但信号剥离难度大;拉曼散射信号的变化与温度有关, 而且拉曼散射信号相对容易获取和分析, 因此工业应用主要采集拉曼散射信号进行温度分析。
拉曼散射会产生两个不同频率的信号:斯托克斯 (Stokes) 光 (比光源波长长的光) 和反斯托克斯 (Anti-Stokes) 光 (比光源波长短的光) , 光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯光强发生变化, Anti-Stokes与Stokes的比值提供了温度的绝对指示, 利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。
典型的用Stokes Raman散射OTDR曲线解调反Stokes Raman散射OTDR的被测温度T的表达式为:
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其中, k为玻尔兹曼常数, h为普朗克常数;c为真空中的光速;k为波尔兹曼常数;V0为入射光频度;T为绝对温度。
由上式可以看出, 要得知光纤所处环境的实时温度T, 必须知道T0, 所以系统中引入一段定标光纤, 对于固定的温度 (控温模块定标温度) 有:
undefined
可以看出, 温度信息T只是与光纤固定参数以及定标温度有关的量。
2 光时域反射 (OTDR) 原理[5]
光时域反射技术是对空间分布的温度实现空间测量的理论基础。当光通过测量物理场时, 光能量以三种方式分配:一是一部分能量沿着光纤传输通道继续传播, 二是一部分能量在传输过程中被吸收损耗或散射至关切外, 三是一部分能量被耦合至接收通道, 并被光探测器探测。
激光脉冲在光纤中传输时, 在时域里, 入射光经过背向散射返回到光纤入射端所需时间为t, 激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L, 有:
2L=V·t 3
undefined
V为光在光纤中传输速度;C为真空中的光速;n为光纤折射率。
被测物理场距光源的长度有:
undefined
因此利用光时域反射技术可以确定沿光纤温度场中每个温度采集点的位置及异常温度点、光纤故障点、断点的距离定位信息。
3 分布式光纤温度监测原理
采用拉曼散射原理和光时域反射技术可以实现温度和距离的测定。
入射的光量子与光纤物质分子将产生弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞时, 光量子和物质分子之间没有能量交换, 表现为瑞利散射光, 光量子的频率不发生改变;非弹性碰撞时, 光量子可以释放或吸收声子, 发生能量交换, 表现为产生一个波长较长的斯托克斯光和一个波长较短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受温度影响比较敏感, 采用以斯托克斯光通道作为参考通道, 反斯托克斯光通道作为信号通道, 两者的比值可以消除光源信号波动、光纤弯曲等非温度因素, 实现对温度信息的采集。[3]
分布式光纤测温系统的基本工作原理为:在同步控制单元的触发下, 激光器产生一个大功率光脉冲, 经过光路耦合器后进入一段放置在恒温槽中的光纤 (用于系统标定) , 然后进入传感光纤, 传感光纤发生的携带温度信息的自发拉曼散射光中的背向成分沿原路返回, 通过分光器后分为两束光, 下接两个不同中心波长的滤波器, 对应滤出斯托克斯光和反斯托克斯光, 经光电探测器转化为电信号后送入数据采集与处理单元。在数据采集与处理单元中, 包括了电信号放大、去噪、算法, 最后输出温度值。
4 煤矿采空区分布式光纤温度监测系统
煤矿采空区分布式光纤温度监测系统主要由地面监测主机、监测分站、传输光缆、监测光缆等组成。监测分站利用半导体激光器产生光脉冲信号, 经过光波分复用装置, 将产生的拉曼散射光耦合至光电探测模块, 采用双路微信号光电探测及信号放大电路进行光信号和电信号之间的转换, 将转换后相应的电压值经DSP高速处理芯片进行数据采集、解调与处理, 并按照通信协议标准提供具体监测数据给地面监测主机 (可提供RS232、RS485、以太网口接口方式) , 后得到温度的空间分布并以图形或表格形式显示出来。
系统组成如图4所示。
随着采煤工作面的推进, 根据需要的监测范围, 将铠装测温光缆沿两顺槽多路布设至工作面采空区, 随着时间的推移, 测温光缆将感知的温度信号反馈给监测分站, 经处理后传输至地面主机并予以显示和报警, 就可以实时检测采空区, 甚至采煤面、顺槽等地点的环境温度变化情况, 同时实现高温隐患点的定位。
5 应用情况
光纤传感器技术是一项当今世界令人瞩目的迅猛发展起来的高新技术之一, 也是当代科学技术发展的一个重要标志, 它与通信技术、计算机技术构成信息产业的三大支柱。
分布式光纤传感器系统在20世纪80年代中期出现, 经过近三十年的发展, 技术日趋成熟, 因其独有的特点已成为工业过程控制中的一种新的检测方法与技术。目前, 国内外研制的有关产品, 测量距离可达30km甚至更远, 温度分辨率0.01℃, 精度±0.5℃, 空间分辨率30cm, 测量时间5s, 测量范围可达650℃, 使用寿命可达40年。由于分布式光纤温度传感系统中的检测光纤本证无源不带电, 耐高电压和强电磁场、耐电离辐射, 抗射频和电磁干优, 防雷、防爆、抗腐蚀, 能在有害环境中安全运行, 是实用的“本安”型传感器, 因此, 在电力系统、交通领域、隧道、大坝、石油、化工、煤矿等危险区域的大面积、大范围的温度报警和火情监测等领域, 已成为光纤传感技术和检测技术应用的发展趋势。
近十几年来, 传感器的产量及市场需求年增长率均在10%以上。目前世界上从事传感器研制生产单位已增到5000余家。美国、欧洲、俄罗斯各自从事传感器研究和生产厂家1000余家, 日本有800余家。但是, 我国目前的光纤传感器的产业化和大规模推广应用方面远远不能满足国民经济发展的需求。国家2010年远景规划和十五计划己将传感器列为重点发展的产业之一, 市场需求和发展空间的潜力是非常巨大的, 其中光纤传感器将占有相当大的比例, 这预示我国在光纤传感器领域将出现一场激烈的竞争和挑战, 在不久的将来, 我国光纤传感器领域将呈现前所未有的灿烂和辉煌。
摘要：分析了光纤拉曼散射测温基本原理、基于光时域反射 (OTDR) 的定位原理和分布式光纤温度监测原理, 研究开发了煤矿采空区温度分布式在线监测及发火预警系统与装备, 实现了对煤矿采空区进行温度实时在线定位监测, 对停采缓采存在煤炭自燃危险性的工作面, 实现了采空区发火的连续、实时监测和准确定位、动态预报。介绍了分布式光纤温度监测系统及应用前景。
关键词：光时域反射,拉曼散射,分布式光纤测温,光纤光学
参考文献
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分布式光纤传感器的应用 篇9
分布式光纤传感器主要运用到光纤的一维特性,它比传统的传感器具有更多的优点。它不仅可以同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息,还可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量。在理论上,它可以把被测量值转化为与光纤位置长度有关的函数,能得到任意大小的分辨力。不仅可以用一条光纤来取代传统的几百个点阵构成的传感器的阵列,也可由光纤和简单的控制器来代替由许多电缆和各级控制中心组成的复杂电气系统。
常用的分布式光纤传感器有光时域反射仪、布里渊分析仪、喇曼反射仪。
2.常用的分布式光纤传感器
2.1基于光时域原理的分布式光纤传感器
⑴OTDR(光时域反射仪)是表征光纤传输特性的测试仪器。此仪器主要用于测试整个光纤链路的衰减并提供与长度有关的衰减细节,具体表现为探测、定位和测量光纤链路上任何位置的事件(指因光纤链路中熔接、连接器、弯曲等形成的缺陷)。
OTDR的基本原理:经过脉冲调制的激光器发射的脉冲光通过耦合器入射到光纤中,光纤中的不同事件点对背向瑞利散射的功率产生了不同的影响。返回的瑞利散光射经过耦合器后被光电转换器转换为电信号。再经过放大和信号处理后,将光纤线路上的事件状况显示出来。
⑵COTDR(相干光时域反射仪)是根据普通的OTDR改进的,利用相干接收原理来检测背向散射信号的设备。由于相干检测技术能够实现近量子极限的探测,所以它能极大地增加系统探测的动态范围,常用于长距离通信系统的传感监测。另外,由于通常的OTDR探测光波长在一个很大的范围内变化,很可能落在通信波长上,与通信波长争增益。因此不能用于监测。
COTDR的基本原理:其工作原理与雷达类似,用移频器将探测光频率变为f1+Δf后,然后经连接器注入光纤,由于光纤的不均匀性,光脉冲在光纤各点都要产生背向散射光,背向散射光将返回连接器接收端。再利用相干检测技术的光频选择性提取微弱的背向散射光信号。COTDR通过检测背向散射光可以掌握光缆工作状态,完成OTDR不能完成的长距离多跨段光纤检测。
2.2基于布里渊散射原理的分布式光纤传感器
(1)BOTDA(布里渊光纤时域分析仪)是最简单的一种形式,其空间分辨率、测量精度等不如其他更为复杂的布里渊传感技术,但是拥有更简单的系统结构和单端测量的优势,且其性能指标已经可以满足许多应用的要求。由于布里渊光时域反射技术测量的是自发布里渊散射,其信号微弱,信噪比较低。并且其各项性能指标之间相互制约,难以得到同时提高,例如空间分辨率和频移精度之间存在的权衡问题。
(2)BOFDA(布里渊光纤频域分析仪)不同于BOTDA定位方法,BOFDA是基于测量光纤的传输函数实现对测量点定位的一种传感方法。这个传输函数把探测光和经过光纤传输的泵浦光的复振幅与光纤的几何长度关联起来,通过计算光纤的冲击响应函数确定沿光纤的应变和温度信息。
(3)BOTDR(布里渊光时域反射仪)与在光纤测量中广泛应用的OTDR技术相似。在BOTDR中测量的是布里渊散射信号,与布里渊散射光频率相关的光纤材料特性主要受温度和应变的影响,因此,通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移就可实现分布式温度、应变测量。
2.3基于喇曼散射原理的分布式光纤传感器
(1)ROTDR(喇曼光时域反射仪)当激光注入到光纤中后,会同时产生瑞利散射、布里渊散射和喇曼散射效应。其中因为喇曼散射的光谱频率离其它两种散射的光谱频率有较大差别,同时又由于反斯托克斯散射光强对温度很敏感且与温度成线性关系,所以人们利用喇曼散射发明了ROTDR(喇曼光时域反射仪)用来传感温度。由于光纤弯曲、接续等原因会引起反斯托克斯光的衰减,从而影响对光纤中实际温度的判断,所以一般通过反斯托克斯光和斯托克斯光的比值来确定光纤中的温度,以消除由上述原因及激光器功率不稳定引起的误差。
3.分布式光纤传感器的应用领域
分布式光纤传感器的应用范围很广,几乎涉及国民经济和国防上所有重要领域和人们的日常生活,尤其可以应用在恶劣环境中,进一步解决了许多行业的技术难题,具有很大的市场需求。主要表现在以下几个方面。
(1)建筑工程。在建筑工程中,可以利用光纤传感器实时监测桥梁、大坝、重要建筑物等的温度、应力、压力、振动、倾角等物理量,以评估其短期及长期的结构安全性能。连续分布式光纤传感器则可以将任何一项大型建筑工程与互联网连接起来,通过温度和应力的检测,24小时监测工程的“健康状况”。
(2)医学及生物传感器。在临床医学上,由于光纤传感器柔软、小巧、自由度大、绝缘、不受射频和微波干扰、测量精度高,常用于对人体血管等的探测,人体外科校正和超声波场测量等。光纤内窥镜使得检查人体的各个部位几乎都是可行的,且操作中不会引起病人的痛苦与不适,其中光纤血管镜已应用于人类的心导管检查中。
(3)军事安防。分布式光纤传感器可用于水声探潜(光纤水听器)、光纤测导、姿态控制(光纤陀螺)、航天航空器的结构损伤探测(智能蒙皮)以及战场环境的探测等方面。在航空航天领域中,利用光纤陀螺测量导弹运动过程中的俯仰角、偏航角和横滚角,以引导导弹准确命中目标。
摘要：文章对几种常用的分布式光纤传感器原理作了介绍,并给出了传感器在应用领域的实际参数,最后综述了分布式光纤传感器的发展前景。
关键词：分布式光纤传感器,布里渊散射,喇曼散射,布喇格反射
参考文献
[1]张志鹏,Gambling W A.著.光纤传感器原理,北京.·中国计童出版社,1991.
DTS分布式光纤管道监测系统探讨 篇10
一、工作原理
分布式光纤泄漏监测系统利用单根光缆同时实现泄漏监测和信号传输, 综合利用光纤拉曼散射效应 (Ramanscattering) 或布里渊散射 (Brillouinscattering) 和光时域反射测量技术 (OpticalTime-DomainReflectometry, 简称OTDR) 来获取空间温度分布信息。
二、DTS测温原理:
(1) Raman散射会产生两个不同频率的信号:斯托克斯 (Stokes) 光 (比光源波长长的光) 和反斯托克斯 (Anti-Stokes) 光 (比光源波长短的光) , 光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯 (Anti-Stokes) 光强发生变化, Anti-Stokes与Stokes的比值提供了温度的绝对指示, 利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。Raman散射技术最远监视距离单向可达30Km。
(2) 当光纤沿线的温度发生变化时, 光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移, 频率的漂移量与光纤温度的变化呈良好的线性关系, 因此通过测量光纤中的背向布里渊散射光的频率漂移量 (νB) 就可以得到光纤沿线温度的分布信息。BOTDA就是利用这种频率的变化来获得温度的分布信息的。布里渊技术最远监视距离单向可达75Km
三、主要技术参数
四、分布式光纤管道泄漏系统结构
在油气输送管道的泄漏处, 由于管内的高压液体/气体从管道泄漏处向外迅速外泄, 从而导致泄漏处环境温度的升高或者降低, 所以通过监测管道周围温度的异常变化就可以有效检测泄漏的发生。分布式光纤测温系统定位精度可达1m, 温度分辨率可达0.1度, 单通道最长可达20/75Km。
五、分布式光纤传感技术在监测中的应用及其面临的问题
虽然近年来对分布式光纤传感技术在海底管道健康监测中的应用研究取得很大进展, 但是真正用于实际工程中的分布式光纤传感系统很少, 这主要是由于目前人存在的一些技术问题制约了该技术实际应用到海底管道健康监测中。其中主要的技术问题如下:
(1) 光纤传感系统保护和埋设问题。光纤传感的保护和埋设是利用分布式光纤传感技术进行健康监测的一个关键问题, 光纤埋设成功与否关涉到光纤传感系统在使用期间是否得到有效保护, 其结果直接影响结构监测效果。解决光纤传感系统保护和埋设问题不仅要考虑如何保证光纤和光纤传感器不受损坏, 还要考虑光纤保护岑不影响被监测量在结构域光纤之间变化一致性以及埋没难易, 不影响正常施工问题。
(2) 恶劣海洋环境下光纤传感系统长期可靠性问题。对光纤和光纤传感器可靠性问题已有很多研究, 这些研究多是针对陆上环境的, 而对恶劣的海洋环境条件下光纤和光纤传感器在海底管道长期使用期间的可靠性研究进行的非常少。光纤及光纤传感器的长期可靠性, 包括制成光纤及光纤传感器的材料在海洋环境荷载长期作用下的可靠性问题, 这与它们所受的保护是否有效密切相关。
六、结论与展望