分布式温度传感（精选十篇）
分布式温度传感 篇1
实践证明, 多数高压电缆故障都是由小问题逐渐演变成为大事故, 在此过程中, 经常会出现高压电缆温度异常等情况, 主要表现为缺陷处温度过高, 直接加速了电缆线的绝缘老化, 严重时甚至会出现热击穿。因此, 对高压电缆线的温度进行监测就能够快速定位出现问题的部位, 及时修补, 以免出现重大事故, 提升电缆线运动的安全性。
1 监控系统的工作流程
电缆安全监控系统 (DTS) 通常是按照光纤时域的反射原理 (OTDR) 以及光纤背向拉曼散射的温度效应研发的[1]。在时域中, 运用电缆安全监控系统就能够按照光在光纤中的传速度以及相应的回波时间等对温度进行定位。详情见图1:
1.1 光纤背向拉曼散射的温度效应分析
每当激光脉冲开始在光纤中传播时, 就会产生拉曼散射以及瑞利散射, 在频域中, 拉曼散射光子可分为反斯托克斯拉曼散射光子以及斯托克斯拉曼反射光子, 而自发的拉曼散射光子的强度主要依赖于光纤的温度与状态, 在0°-120°C温度范围内, 平均温度灵敏大约为1.65%/K。
为了有效的避免激光管输出的不稳定以及接头的损耗等, 有效的提升测量温度的准确定, 在设计中应当采用比较双通道双波长的办法, 即分别对反斯托克斯拉曼散射光子以及斯托克斯拉曼反射光子进行采集, 运用二者强度的比值来调节温度的信号[2]。一般情况下, 反斯托克斯光对于温度的灵敏度更强, 因此可将反斯托克斯光当做信号通道, 将斯托克斯光当做比较通道, 公式如下:
对于固定温度来说, 则可由以下公式表示:
由上述计算公式得出:
在上述公式中, λs以及λa分别代表斯托克斯光与但斯托克斯光波长, Is代表斯托克斯光的强度, Ia代表反斯托克斯光的强度, h代表普朗克常数, k则代表玻尔兹曼常数, △γ代表偏移波数。R (T) 代表两种光的强度对比。由此可见, 在确定测温系统后, 通过R (T) 就能确定光纤测量点的温度。
1.2 热传导分析
一般情况下, 普通光纤的耐温强度通常不会超过125°C, 可运用热传导原理对于电缆线的金属外套的温度进行监测, 如此便可摆脱外部环境的影响。详情见图2:
其中TC代表探测光缆中心的传感光纤温度, TA代表高压电缆电载体发热之后的温度, 而TB则代表高压电缆以及探测光缆接触面的温度。
1.3 光纤时域反射的原理分析
当激光脉冲在光线中实施传输时, 由于光线中出现的折射率具有不均性, 会产生瑞丽闪射, 入射的光经过背向闪射, 返回到光线入射端需要的时间为t, 而在光纤中激光脉冲的距离为2L, 2L=v.t, 其中v代表光纤中光的传播速率, v=c/n;c代表真空中的光速, 而n则代表光纤的折射率。在t时刻监测到的是离线光纤入射端距离为L处的局部背向瑞丽闪射光, 运用光纤时域的反射原理就能够有效的判定光纤的故障点以及损耗情况等, 因此通常也被成为“光线雷达”。
2 温度在线监测系统的设计
高压电缆温度在线监测系统主要由监控主机以及测温工程机等设备组成, 见图3:
2.1 后台监控机
后台监控机通常是从光纤测温工程机来获得电缆的实时温度, 随后由电量采集设备取得正常电压, 对电缆线芯的温度以及动态载流量进行计算, 以此为依据分析高压电缆线温度是不是过高。后台监控机的主要作用是:第一, 能够对电缆线进行远程监控与分析;第二, 能够及时采集电量, 并储蓄数据;第三, 能够及时进行故障判断, 出现故障时及时报警。
2.2 光纤测温机
光纤测量温度的工程机通常是由数据采集卡以及光学测量等设备构成, 能够及时的监测光信号, 并经过调解计算出电缆的温度, 实现实时监测。
2.3 电量采集单元
电量采集单元能够对电流信号以及电缆的电压进行采集, 随后通过变送器将TV以及TA二次侧信号经过转换后传递给数据采集卡, 数据采集卡再传递给计算机[3]。在系统运行的过程中, 电缆正常电流的有效值可用于计算线芯的温度, 而短路电流值则可用于诊断故障。因此电量采集电源需要收集保护以及测量二次测电流的值, 采集测量TA以及保护TA二次侧电流信号需要通过测量电缆传递至监控主机, 电压信号则可通过电压互感器得到, 经过转换后传输至监控主机即可。
3 结束语
综上所述, 对高压电缆线的温度进行监测就能够快速定位出现问题的部位, 及时修补, 以免出现重大事故, 提升电缆线运动的安全性。分布式光纤温度传感器的高压电缆温度在线监测系统能够随时对高压电缆线进行监测, 并能够及时收集电缆线的数据进行分析, 判断电缆线是否出现了温度过高或者耗损过高等情况。假如出现温度过高的情况时, 能够自动发出警报, 提醒工作人员进行维修, 以此提高工作效率, 保证高压电缆线的稳定运行。
参考文献
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温度传感器课程设计 篇2
当选择一个温度传感器的时候，将不再限制在模拟输出或数字输出装置。与你系统需要相匹配的传感器类型现在又很大的选择空间。市场上供应的所有温度感应器都是模拟输出。热电阻，RTDs和热电偶是另一种输出装置，矽温度感应器。在多数的应用中，这些模拟输出装置在有效输出时需要一个比较器，ADC，或一个扩音器。因此，当更高技术的集成变成可能的时候，有数字接口的温度传感器变成现实。这些集成电路被以多种形式出售，从超过特定的温度时才有信号简单装置，到那些报告远的局部温度提供警告的装置。现在不只是在模拟输出和数字输出传感器之间选择，还有那些应该与你的系统需要相匹配的更广阔的感应器类型的选择，温度传感器的类型：
图一：传感器和集成电路制造商提供的四中温度传感器
在图一中举例说明四种温度感应器类型。一个理想模拟传感器提供一个完全线性的功能输出电压（A）。在传感器（B）的数字I/O类中，温度数据通常通过一个串行总线传给微控制器。沿着相同的总线，数据由温度传感器传到微控制器，通常设定温度界限在引脚得数字输出将下降的时候。当超过温度界限的时候，报警中断微控制器。这个类型的装置也提供风扇控制。
模拟输出温度传感器：
图2 热阻和矽温度传感器这两个模拟输出温度探测器的比较。
热电阻和矽温度传感器被广泛地使用在模拟输出温度感应器上。图2清楚地显示当电压和温度之间为线性关系时，矽温度传感器比热阻体好的多。在狭窄的温度范围之内，热电阻能提供合理的线性和好的敏感特性。许多构成原始电路的热电阻已经被矽温度感应器代替。
矽温度传感器有不同的输出刻度和组合。例如，与绝对温度成比例的输出转换功能，还有其他与摄氏温度和华氏温度成比例。摄氏温度部份提供一种组合以便温度能被单端补给得传感器检测。
在最大多数的应用中，这些装置的输出被装入一个比较器或A/D转换器，把温度数据转换成一个数字格式。这些附加的装置，热电阻和矽温度传感器继续被利用是由于在许多情况下它的成本低和使用方便。数字I/O温度传感器： 大约在五年前，一种新类型温度传感器出现了。这种装置包括一个允许与微控制器通信的数字接口。接口通常是12C或SMBus序列总线，但是其他的串行接口例如SPI是共用的。阅读微控制器的温度报告，接口也接受来自温控制器的指令。那些指令通常是温度极限，如果超过，将中断微控制器的温度传感器集成电路上的数字信号。微控制器然后能够调整风扇速度或减慢微处理器的速度，例如，保持温度在控制之下。
图3：设计的温度传感器可遥测处理器芯片上的p-n结温度
图4。温度传感器可检测它自己的温度和遥测四个p-n结温度。
图5。风扇控制器/温度传感器集成电路也可使用PWM或一个线性模式的控制方案。
在图4中画是一个类似的装置：而不是检测一个p-n结温度，它检测四个结和它的自己内部的温度。因此内部温度接近周围温度。周围温度的测量给出关于系统风扇是否正在适当地工作的指示。
在图5中显示，控制风扇是在遥测温度时集成电路的主要功能。这个部分的使用能在风扇控制的二个不同的模式之间选择。在PWM模式中，微处理控制风扇速度是通过改变送给风扇的信号周期者测量温度一种功能。它允许电力消耗远少于这个部分的线性模式控制所提供的。因为某些风扇在PWM信号控制它的频率下发出一种听得见的声音，这种线性模式可能是有利的，但是需要较高功率的消耗和附加的电路。额外的功耗是整个系统功耗的一小部分。
当温度超出指定界限的时候，这个集成电路提供中断微控制器的警告信号。这个被叫做过热温度的信号形式里，安全特征也被提供。如果温度升到一个危险级别的时候温控制器或软件锁上，警告信号就不再有用。然而，温度经由SMBus升高到一个水平，过热在没有微控制器被使用去控制电路。因此，在这个非逻辑控制器高温中，过热能被直接用去关闭这个系统电源，没有为控制器和阻力潜在的灾难性故障。
装置的这个数字I/O普遍使用在服务器，电池组和硬盘磁碟机上。为了增加服务器的可靠性温度在很多的位置中被检测：在主板（本质上是在底盘内部的周围温度），在处理器钢模之内，和在其它发热元件例如图形加速器和硬盘驱动器。出于安全原因电池组结合温度传感器和使其最优化已达到电池最大寿命。
检测依靠中心马达的速度和周围温度的硬盘驱动器的温度有两个号的理由：在驱动器中读取错误增加温度极限。而且硬盘的MTBF大大改善温度控制。通过测量系统里面温度，就能控制马达速度将可靠性和性能最佳化。驱动器也能被关闭。在高端系统中，警告能为系统管理员指出温度极限或数据可能丢失的状况。
图6。温度超过某一界限的时候，集成电路信号能报警和进行简单的ON/OFF风扇控制。
图7.热控制电路部分在绝对温标形式下，频率与被测温度成比例的产生方波的温度传感器
图8。这个温度传感器传送它的周期与被测温度成比例的方波，因为只发送温度数据需要一条单一线，就需要单一光绝缘体隔离信道。
模拟正温度感应器
“模拟正量”传感器通常匹配比较简单的测量应用软件。这些集成电路产生逻辑输出量来自被测温度，而且区别于数字输入/输出传感器。因为他们在一条单线上输出数据，与串行总线相对。
在一个模拟正量传感器的最简单例子中，当特定的温度被超过的时候，逻辑输出出错：其它，是当温度降到一个温度极限的时候。当其它传感器有确定的极限的时候，这些传感器中的一些允许使用电阻去校正温度极限。
在图6中，装置显示购买一个特定的内在温度极限。这三个电路举例说明这个类型装置的使用：提供警告，关闭仪器，或打开风扇。
当需要读实际温度时，微控制器是可以利用的，在单线上传送数据的传感器可能是有用的。用微处理器的内部计数器，来自于这个类型温度感应器的信号很容易地被转换成温度的测量。图7传感器输出频率与周围温度成比例的方波。在图8中的装置是相似的，但是方波周期是与周围温度成比例的。
图9。用一条公共线与8个温度传感器连接的微控制器，而且从同一条线上接收每个传感器传送的温度数据。
图9，在这条公共线上允许连接达到八个温度传感器。当微控制器的I/O端口同时关闭这根线上的所有传感器的时候，开始提取来自这些传感器的温度数据。微控制器很快地重新装载接收来的每个传感器的数据，在传感器关闭期间，数据被编码。在特定时间内每个传感器对闸口脉冲之后的时间编码。分配给每个感应器自己允许的时间范围，这样就避免冲突。
通过这个方法达到的准确性令人惊讶：0.8 是典型的室温，正好与被传送方波频率的电路相匹配，同样适用于方波周期的装置。
这些装置在有线电线应用中同样显著。举例来说，当一个温度传感器被微控制器隔离的时候，成本被保持在一个最小量，因为只需要一个光绝缘体。这些传感器在汽车制造HVAC应用中也是很有效，因为他们减少铜的损耗数量。温度传感器的发展：
集成电路温度传感器提供各式各样的功能和接口。同样地这些装置继续发展，系统设计师将会看见更多特殊应用就像传感器与系统接口连接的新方式一样。最后，在相同的钢模区域内集成更多的电子元件，芯片设计师的能力将确保温度传感器很快将会包括新的功能和特殊接口。
总结
通过这些天的查找资料，我了解了很多关于温度传感器方面的知识。我的大家都知道温度的一些基本知识，温度是一个基本的物理量，自然界中的一切过程无不与温度密切相关。利用温度所创造出来的传感器即温度传感器是最早开发，应用最广的一类传感器。并且从资料中显示温度传感器的市场份额大大超过了其他的传感器。从17世纪初人们开始利用温度进行测量。在半导体技术的支持下，在本世纪相继开发了半导体热电偶传感器、PN结温度传感器和集成温度传感器。与之相应，根据波与物质的相互作用规律，相继开发了声学温度传感器、红外传感器和微波传感器。
这些天,我通过许多的资料了解到两种不同材质的导体，如在某点互相连接在一起，对这个连接点加热，在它们不加热的部位就会出现电位差。这个电位差的数值与不加热部位测量点的温度有关，和这两种导体的材质有关。这种现象可以在很宽的温度范围内出现，如果精确测量这个电位差，再测出不加热部位的环境温度，就可以准确知道加热点的温度。由于它必须有两种不同材质的导体，所以称它为“热电偶”。我查找的资料显示数据:不同材质做出的热电偶使用于不同的温度范围，它们的灵敏度也各不相同。热电偶的灵敏度是指加热点温度变化1℃时，输出电位差的变化量。对于大多数金属材料支撑的热电偶而言，这个数值大约在5～40微伏／℃之间。
热电偶传感器有自己的优点和缺陷，它灵敏度比较低，容易受到环境干扰信号的影响，也容易受到前置放大器温度漂移的影响，因此不适合测量微小的温度变化。由于热电偶温度传感器的灵敏度与材料的粗细无关，用非常细的材料也能够做成温度传感器。也由于制作热电偶的金属材料具有很好的延展性，这种细微的测温元件有极高的响应速度，可以测量快速变化的过程。温度传感器是五花八门的各种传感器中最为常用的一种，现代的温度传感器外形非常得小，这样更加让它广泛应用在生产实践的各个领域中，也为我们的生活提供了无数的便利和功能。
温度传感器有四种主要类型：热电偶、热敏电阻、电阻温度检测器(RTD)和IC温度传感器。IC温度传感器又包括模拟输出和数字输出两种类型。接触式温度传感器的检测部分与被测对象有良好的接触，又称温度计。温度计通过传导或对流达到热平衡，从而使温度计的示值能直接表示被测对象的温度。一般测量精度较高。在一定的测温范围内，温度计也可测量物体内部的温度分布。但对于运动体、小目标或热容量很小的对象则会产生较大的测量误差，常用的温度计有双金属温度计、玻璃液体温度计、压力式温度计、电阻温度计、热敏电阻和温差电偶等。它们广泛应用于工业、农业、商业等部门。在日常生活中人们也常常使用这些温度计。随着低温技术在国防工程、空间技术、冶金、电子、食品、医药和石油化工等部门的广泛应用和超导技术的研究，测量120K以下温度的低温温度计得到了发展，如低温气体温度计、蒸汽压温度计、声学温度计、顺磁盐温度计、量子温度计、低温热电阻和低温温差电偶等。低温温度计要求感温元件体积小、准确度高、复现性和稳定性好。利用多孔高硅氧玻璃渗碳烧结而成的渗碳玻璃热电阻就是低温温度计的一种感温元件，可用于测量1.6～300K范围内的温度。
非接触式温度传感器的敏感元件与被测对象互不接触，又称非接触式测温仪表。这种仪表可以用来测量运动物体、小目标还有热容量小或温度变化迅速（瞬变）对象的表面温度，也可以用于测量温度场的温度分布。资料显示，最常用的非接触式测温仪表基于黑体辐射的基本定律，称为辐射测温仪表。辐射测温法包括亮度法、辐射法和比色法。各类辐射测温方法只能测出对应的光度温度、辐射温度或比色温度。只有对黑体所测温度才是真实温度。如果想测定物体的真实温度，就必须进行材料表面发射率的修正。而材料表面发射率不仅取绝于温度和波长，而且还与表面状态、涂膜和微观组织等有关连，因此很难精确测量。在自动化生产中我发现往往需要利用辐射测温法来测量或控制某些物体的表面温度，如冶金中的钢带轧制温度、轧辊温度、锻件温度和各种熔融金属在冶炼炉或坩埚中的温度。在这些具体情况下，物体表面发射率的测量是相当困难的。对于固体表面温度自动测量和控制，可以采用附加的反射镜使与被测表面一起组成黑体空腔。附加辐射的影响能提高被测表面的有效辐射和有效发射系数。利用有效发射系数通过仪表对实测温度进行相应的修正，最终可得到被测表面的真实温度。最为典型的附加反射镜是半球反射镜。球中心附近被测表面的漫射辐射能受半球镜反射回到表面而形成附加辐射，这样才能提高有效发射系数。至于气体和液体介质真实温度的辐射测量，则可以用插入耐热材料管至一定深度以形成黑体空腔的方法。通过计算求出与介质达到热平衡后的圆筒空腔的有效发射系数。在自动测量和控制中就可以用此值对所测腔底温度（即是介质温度）进行修正而得到介质的真实温度。现在，我通过这些天的努力，了解了很多温度传感器及其相关的一些传感器的知识。他们在我们生活中的应用及其广泛，我们只有加紧的学习加紧的完成自己所学专业的知识，了解相关的最新信息，我们才能跟上科技前进的步伐。
参考文献：
分布式温度传感 篇3
Catalyst半导体公布首款温度传感器产品线新产品。新推出的CAT6095是一款采用超薄0.55mmUDFN封装的12位数字输出式温度传感器，特别适用于DDR3内存模组，此类内存被广泛应用于高速PC和笔记本电脑，环境控制系统和工业控制处理设备。相比标准的2mmx3mmx0.8mm TDFN封装，UDFN封装在体积缩小30%的基础上提供更精确的温度侦测。
CAT6095遵循JEDEC规范JC42.4规格，在 -20℃～+125℃温度区间误差为±3℃，而在+75℃～ +95℃ 这一温度区间提供了误差仅为±1℃的精度，此特性涵盖器件的整个工作电压范围（3.0V～3.6V）。CAT6095大约每秒钟测量/记录温度10次，并与存储在内部寄存器中的３个触发阈值相比较，主机可通过I2C/SMBus接口读取温度值，开漏（open-drain）结构的事件（EVENT）引脚则可以输出温度高过或低过阈值的状态信号。
除了提供节省空间的2mmx 3mmx0.55mmUDFN封装，CAT6095还提供标准的2mmx3mmx 0.8mmTDFN封装。两种封装都包含了底部金属脚垫来加强PCB板的热传导并能实现更快的温度侦测。
分布式温度传感 篇4
基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术自问世以来,在国外取得了非常大的研究进展,出现了许多商用化产品,国内的研制工作也已达到了国际先进水平[1,2,3,4,5,6]。
分布式光纤温度传感器利用脉冲激光通过拉曼光纤波分耦合器一端进入光纤,光纤产生的背向散射光经过拉曼光纤波分复用器被分成斯托克斯(Stokes)拉曼光和反斯托克斯(Anti-Stokes)拉曼光,经过雪崩光电二极管(APD)的光/电转换和高速模/数转换累加处理之后,送到计算机中进行温度解调和数据存储分析,实现在线分布式温度测量。然而脉冲光在光纤中传输时,当光功率衰减到某个值后就不能产生拉曼散射光或者非常微弱,此外受传感器系统信噪比的限制,所以远距离处的光纤内无拉曼散射光或者仅有微弱的拉曼散射光,无法被该分布式光纤温度传感器所探测。
为了解决现有分布式光纤温度传感器测量距离不够远的问题,本文在分布式光纤温度传感器的基础上,提出一种基于集成光中继传感技术的超远程分布式光纤拉曼温度传感器,该传感器不但可实现60 km的超远程在线分布式温度测量,而且提高了分布式光纤拉曼温度传感器系统的温度测量精度。
1 超远程分布式光纤拉曼温度传感器
1.1 系统结构
超远程分布式光纤拉曼温度传感器是在现有分布式光纤拉曼温度传感器的基础上提出的,其结构如图1所示,包括由大功率窄脉冲光源、拉曼光纤波分复用器、光接收模块、双通道模/数(A/D)转换采集卡和温度信号分析处理系统组成的主机和传感光纤。其特征在于:传感光纤的连接处嵌入集成光中继传感光模块,可以在多段传感光纤间嵌入N个集成光中继传感光模块,实现光中继放大传输的N级级联,真正实现分布式光纤温度传感装置N×L距离的超远程测量。
1.2 信号检测原理
基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术是利用光在光纤中传输时产生拉曼散射信号和光时域反射(OTDR) 技术来获取温度场的分布信息。当具有一定能量的泵浦光(ν0) 注入到光纤中时,入射光子与纤芯分子相互作用, 受纤芯的微观密度变化和成分起伏的影响, 会产生瑞利散射(ν0)、Anti-Stokes散射 (νa =ν0 +Δν)和Stokes散射(νs =ν0-Δν),对石英光纤介质而言,Δν=1. 32×1013 Hz。拉曼散射光的强弱受到光纤散射点的温度调制,背向散射回来的拉曼光经过光学滤波、光/电转换和A/D转换后,送入信号处理系统便可将温度信息显示出来。同时,可根据光在光纤中的传输速度和背向散射光回波的时间对温度场的空间信息进行定位,所以它同时也是一个典型的光纤雷达系统。
当功率为P0、频率为ν0的泵浦光注入到光纤中时,在光纤局域L处温度为T,光纤入射端所探测到的背向Anti-Stokes和Stokes 散射光的功率Pa、Ps分别如下:
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式中, P0为注入到光纤中的有效功率;Ka 、Ks分别为与光纤Anti-Stokes和Stokes散射界面有关的系数;Sb为背向散射的系数;α0、αa和αs分别是入射光、Anti-Stokes和Stokes散射光在光纤中的传输损耗;Ra(T)、Rs(T)分别为在温度T时与光纤分子低能级和高能级布居数有关的系数,且
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式中, h为普朗克常量;k为波耳兹曼常量。采用Anti-Stokes散射光的光强所携带的温度信息来进行测温,同时为了消除参考注入光功率大小的不稳定性、光纤弯曲和受压等环境干扰对Anti-Stoke光的影响,可以把Stokes光作为参考信道,故将式(1)、(2)相除,得到光纤局域L处的温度为
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可见,Anti-Stokes和Stokes散射光光强之比只与环境的绝对温度有关,而与注入泵浦光的功率大小、光注入条件及光纤应力条件、几何尺寸及组成成分无关。当系统处在参考温度T0时,
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将式(5) 、(6)相除,可以得到
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F(T)/F(T0)的值为光/电转换后的电压信号比,通过式(5) 就可以求得光纤局域处的温度T。
2 高速高精度A/D转换采集技术
基于现场可编程门阵列(FPGA)的双通道高速高精度A/D转换采集卡原理框图如图2所示。其功能主要是将经APD转换并经宽带低噪声主放大电路放大后的后向Anti-Stoke散射和Stoke散射电信号进行数字化,并进行多次平均累加等数据预处理后缓存,再送给计算机进行处理,从而获得空间温度场的分布信息。
FPGA的功能结构图如图3所示。其内核设计包括信号采集控制、存储、预处理及通信传输等功能模块单元。
预处理单元由外部输入的同步脉冲协调工作,同步信号方式为上升沿触发,可由上位机选择内触发或外同步。主要完成两路散射光信号数据的前次累加和与当前数据再次进行累加的功能,累加后的结果送入结果存储器,数据采集深度和累加次数可由上位机软件设计。
3 光中继传感技术原理
图4所示为基于光中继传感技术的超远程分布式光纤拉曼温度传感器的简化示意图。光中继传感模块嵌入多级传感光纤之间,利用光中继传感模块的增益克服光纤损耗,增强了光纤中自发瑞利散射光的强度,提高了分布式光纤温度传感系统的信噪比,增大了系统的传输距离,提高了目标区域内的温度测量精度。
根据实际工作的要求,光中继传感模块的设计要保证系统探测的实时性、精确性与稳定性。光中继放大模块包括光放大器、2×2光纤耦合器及光纤波分复用器。
光中继放大传感装置包括一个输入端和一个输出端,它由掺铒光纤放大器(EDFA)、光纤耦合器及波分复用器组成。其功能是通过放大经前段传感光纤衰减的光脉冲,来增强后段传感光纤中自发后向散射光的强度,传感光缆分段进行测量,从而提高了分布式光纤传感器的后段传感光纤散射信号的信噪比,增大了分布式光纤传感器的测量距离,提高了温度测量精度。该装置结构示意图如图5所示。
4 实验与分析
实验条件:激光脉冲:中心波长1 550 nm,峰值功率15 W,脉宽10 ns;光滤波器1:1 450/1 550 nm,隔离度50 dB;光滤波器2:1 663/1 550 nm,隔离度50 dB;光中继传感模块增益:15 dB;被测光纤长度60 km:在传感光纤中级联3级集成光中继放大光模块,以便对传感光纤分段(每段15 km)进行测量。
由实验可知,通过在传感光纤中嵌入集成光中继放大模块,放大经每段15 km传感光纤衰减的窄脉冲激光,可增强后段传感光纤中自发后向拉曼散射光的强度,提高分布式光纤拉曼温度传感装置的信噪比,测试曲线如图6所示。在传感光纤中级联3级集成光中继放大模块,将60 km传感光纤分4段进行测量,从而提高了温度测量精度,真正实现了分布式光纤拉曼温度传感器60 km距离的超远程测量。
5 结束语
本文设计了一种基于光中继传感装置的超远程分布式光纤拉曼温度传感器。通过在传感光纤中嵌入集成光中继放大模块,放大经传感光纤衰减的窄脉冲激光,增强了后段传感光纤中自发后向拉曼散射光的强度,提高了分布式光纤拉曼温度传感装置的信噪比。在传感光纤中级联N级集成光中继放大模块,就可以对传感光纤分段分时进行测量,从而提高了温度测量精度,真正实现了分布式光纤拉曼温度传感器N×L距离的超远程测量。
参考文献
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基于光斑旋转的光纤温度传感器 篇5
关键词： 光纤传感； 宏弯损耗； 温度变化； 光斑旋转； 光斑角度
中图分类号： TP 212.1； TN 253文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.04.007
引言传统温度传感器因易受电磁干扰影响，体积大，使用寿命短和灵活性差等原因，已逐渐被光纤温度传感器替代。当光在光纤中传输时，由于环境温度变化，光的强度、相位等参量也会发生相应变化，这就形成了光纤温度传感。一般光纤温度传感器可分为：分布式光纤温度传感器[1]、光纤光栅温度传感器[2]、光纤荧光温度传感器[3]和干涉型光纤温度传感器[4]。它们利用对光谱或光强的检测，虽然达到了一定的灵敏度与分辨率，但其温度传感结构都较复杂。本文介绍了一种基于光斑旋转角度调制的新型光纤传感系统。光纤环所在环境的温度变化导致光斑旋转，改变出射端光斑的角度。所以通过一个简单的CCD获得光斑图像的角度，可以达到间接测量的图1弯曲波导辐射示意图
Fig.1Radiant diagram of the curved waveguide目的。与其他光纤温度传感器相比，不仅传感结构简单，而且测量灵敏度可调。1基本原理及系统结构光纤的宏弯损耗主要来源于光纤弯曲产生的空间滤波、模式泄漏及模式耦合，其中以空间滤波效应造成的损耗为主。光纤不同程度的弯曲将伴随着不同程度的空间滤波[5]。受到光纤弯曲的影响，光纤中全反射的条件受到破坏，高阶模将折射到包层中，较高阶模式进入截止状态，导致纤芯传导模式减少。光纤的宏弯损耗主要包括辐射损耗（如图1所示）和过度损耗
2.1光斑数变化两个级联的光纤环：光纤环1直径为25 mm；光纤环2紧密绕制5圈，直径为24 mm。通过减小光纤环1的直径，获得图3所示光斑数变化的光斑图。初始光斑4个，减小光纤环1的直径到18 mm后，光斑减少为3个。继续减小光纤环1的直径，通过CCD发现在一定的范围内，光斑数仍然为3。
2.2光斑旋转两个级联的光纤环：光纤环1直径为18 mm；光纤环2紧密绕制6圈，直径为20 mm。逐渐增加水温控制箱的温度获得图4所示光斑旋转的光斑图。图中表现了三光斑绕中心点按特定的方向发生的旋转。通过MATLAB处理分别获得三个光斑的特征点质心，再通过坐标处理可以方便快捷地测出光斑的角度，从而获得光斑旋转角度与传感光纤环所处环境温度的关系。图4中给出了不同温度时各个出射光斑对应的角度。
3.1线性度逐渐增加水温控制箱的温度，当光纤环1直径为18 mm；光纤环2为紧密绕制3圈，直径为20 mm，获得三光斑旋转角度随传感光纤环所处环境温度的变化关系如图5所示（光斑角度经过归零处理）。实验获得的数据经过MATLAB最小二乘法处理获得图5所示的直线：θ=1.149 7T，线性度-0.045 5。综上分析可知三光斑旋转角度跟传感光纤环所处的环境温度有很好的线性关系。
3.2灵敏度图6（a）所示为光纤环2直径均为20 mm，紧密绕制的光圈数分别为3、4、5、6，光纤环1直径均为18 mm的4条光斑旋转角度和水温控制箱温度的线性关系曲线。图6（b）所示为光纤环2紧密绕制的光圈数都为5，直径分别为16 mm、20 mm、24 mm，光纤环1直径均为18 mm的3条光斑旋转角度和水温控制箱温度的线性关系曲线。图6（a）中的数据经过MATLAB处理获得表1中的传感光纤参数（灵敏度、线性度），图6（b）中的数据经过MATLAB处理获得表2中的传感光纤参数（灵敏度、线性度）。
通过表1、表2中的具体参数可知图6（a）、图6（b）的关系曲线都有很好的线性度。表1中看出6圈传感光纤环对应的灵敏度最大，5圈传感光纤环对应的灵敏度次之，其次是圈数为4的传感光纤环对应的灵敏度，对应灵敏度最小的是圈数为3的传感光纤环。说明传感光纤环的圈数直接影响系统测量的灵敏度。表2中看出直径24 mm传感光纤环对应的灵敏度最大，直径20 mm传感光纤环对应的灵敏度次之，对应灵敏度最小的是直径为16 mm的传感光纤环。说明在传感光纤环的圈数一定的情况下，传感光纤环的直径越大，测量的灵敏度越高。实验数据很好地说明了传感器的灵敏度随传感光纤环圈数的增加逐渐变大，传感器的灵敏度也随传感光纤环直径的增加逐渐变大。为此在设计传感光纤环时，为获得比较好的测量效果，需要对传感光纤环选择合适的圈数、合适的直径。4结论本文提出了一种新的光纤温度传感器，分别研究了传感光纤环的圈数、传感光纤环的直径对系统的线性度、灵敏度的影响，得知系统具有比较好的线性度的同时系统灵敏度随传感光纤环参数的变化具有一定的规律。为减小系统体积、质量，增加系统使用的便利性，光源可以更换为半导体激光器。此传感系统结构简单，使用方便，适合温度测量精度要求不高的场合使用。
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分布式温度传感 篇6
光电缆(Optical Power Cable,OPC)是同时、同路、同走向传输电能和光信息的一体化传输介质,是智能电网建设的基础。由于光电缆常年置于地下,其潜在的老化和缺陷不易被发现,随着运行时间的增加,有可能因为电缆过热或者短路而导致火灾。并且在高压传输环境中存在高电压、大电流、强磁场等因素,这对传统电类温度传感器有着严重的干扰。
光纤光栅(Fiber Bragg Grating,FBG)传感器除了具有一般光纤传感器耐高温、耐腐蚀等优点之外,还具有波长编码[1,2,3,4],抗干扰能力强等特性,可以实现对目标温度的快速准确测量。传统的分布式光纤光栅的测温方法大多是利用宽带光源,通过光栅中心波长的变化来检测出返回的传感信息,因此光栅的数量会受到宽带光源本身带宽的限制[5,6,7];并且由于功率会因瑞利散射等因素而衰减,信噪比低,所以宽带光源的传输距离也会受到限制[8,9]。
本文提出了一种低成本、实用性强的方案,系统中采用可调谐脉冲光源,它具有功率大、能量集中等优点,不仅可以使传输距离大大增加,而且还突破了宽带光源的带宽限制,实现了光纤光栅传感器的大范围组网。与其它的光纤光栅测温系统相比,本系统不仅能实时监测光纤光栅所在位置的温度变化,而且还能准确定位每个光纤光栅所在的位置。在光电缆生产加工的时候直接把光纤光栅加入到光缆中,可以方便的对光电缆的运行状况做实时监测,光纤光栅与光电缆同步传输的方案在未来光电网的发展中有着广阔的发展前景。
1 光电缆的温度场分析
利用有限元软件Ansys对光电缆的温度场进行分析。有限元的基本思想是将连续结构离散成有限个单元,并且在每个单元中设定有限个节点,将连续体看作是只在节点处相连接的集合体;同时选定场函数的节点值作为基本未知量,并在每一个单元中假设一个近似差值函数,以表示单元场中函数的分布规律;并利用某些变分原理去建立用以求解节点未知量的有限元方程,将一个连续域中无限自由度的问题转化为离散域中自由度的问题。可以利用解得的节点值和设定的插值函数来确定单元上以至集合体上的场函数,从而对复杂区域和复杂边界问题的求解带来极大的适应性和灵活性,具有较高的计算精度[10]。因此本文采用有限元法分析光电缆温度场分布。
1.1 光电缆结构
光电缆是将通信光缆与高压电缆放置在一起,同时传输电能和信息的一体化传输介质。本文提出的光电缆模型是由中心为一根光纤光栅,四周由三根电缆和一根光缆构成。其中三根电缆的每个电缆芯截面为半径2 cm、圆心角为90°的扇形,光缆芯截面为直径为2 cm的圆形,结构如图1所示。
1.2 温度场中导热微分方程
笛卡尔坐标系中温度场中用来描述三维导热微分方程的一般形式为
式中:ρ、c、λ和Φ分别为微元体的密度、比热容、导热系数及单位时间单位体积中内热源的生成热,t为时间。
1.3 左、右和下边界条件
设电缆位于无限大的土壤中,用柱坐标对场域进行表达,则
式中:T1、T2分别是电缆表皮温度和土壤温度,r1、r2分别为电缆直径和土壤外径,λ为导热系数,q为体积发热量。
1.4 上边界条件
表层土壤和空气的换热属于自然对流换热,换热系数:
式中:d为土壤温度,Nu=C(GrPr)n,Gr为格拉晓夫数,Pr为普朗特数,查表可得参数C和n的值。根据对流换热牛顿公式得出土壤表层温度梯度:
式中:T1、T2分别为土壤表层和空气的温度,α为对流换热系数,λ为土壤导热系数。求出土壤表层温度梯度后可求出土壤表层温度,因为电缆剖面是对称的,所以可结合热传导方程和边界条件对电缆截面进行温度场仿真。
光电缆内部温度场分布如图2所示,由图2可知温度场关于直线y=x对称。图3为沿直线y=x的路径温度曲线。由图可知光栅所在位置和电缆内部温度极为接近,所以光栅所测温度能够直接地反映出电缆的温度。
2 解调系统原理与理论分析
实验系统是一种基于可调谐激光器的新型分布式光纤光栅传感系统,系统原理图如图4所示。该系统具有多个中心波长均为1 550 nm的相同光栅,待测区域中每隔30 m放置一个封装的光栅。由于电缆接头部分最容易发热,所以在使用电缆的时候在光电缆的接头位置最好也加上光栅,以便实时了解电缆接头部分的运行状况。
系统选用的是可调谐脉冲激光器,其扫描周期为T=0.25 s,如图5(a)所示。扫描范围是1 545~1 555 nm,激光脉冲的线宽是0.18 nm,如图5(b)所示。窄带脉冲激光通过耦合器送至光栅传感器里。图5(d)表示的是如果光栅温度没有变化时,只有1 550 nm的光会反射回来。如果光栅的温度发生变化,则光栅的中心波长也会相应地发生变化,并且对应的脉冲光也会被反射回来。图5(c)和图5(e)分别对应的是光栅降温和升温的两种不同情况。通过光电探测器将光信号转换为电压波形,高速采集卡以500 Mps的采样速率对电信号进行采样。数据处理系统发出电压信号来控制激光器,并且比较这些电压信号和采集到的信号。利用工业级主板,程序会计算出光纤光栅的偏移量,该偏移量线性对应于光栅的温度变化。图5(f)表示的是对应于不同中心波长光信号的电信号图。此外,不同位置的光信号返回的时间差不同,相邻光栅的时间间隔是200ns。通过测量和计算返回光的时间间隔,可以得到光栅温度发生变化的位置和温度变化值。
3 实验结果与分析
将一束光入射刻有五个相同中心波长的光栅内,由于光栅FBG1、FBG2、FBG3、FBG4和FBG5的中心波长都为1 550 nm,所以光只被FBG1反射,如图6所示。当对FBG2进行升温处理,FBG2的中心波长发生了右移,分别如图7和图8所示,此时FBG1和FBG2都接收到光并反射回去,其它点没有接收到光。当升温到一定程度后,FBG2漂移后的中心波长会完全偏离原始的中心波长,如图9所示。所以,当温度变化时就可以将这两个中心波长相同的光栅完全区分开来,与上文分析的完全一致。
光电探测器将接收到的光信号转化为光电流,再通过放大滤波电路后变为电压信号。用示波器观察到的波形如图10、图11(a)、图11(b)、图11(c)所示,该实验表明该系统能够完成波长解调的要求。对中心波长为1 550 nm的FBG进行温控对比实验,实验结果表明,光栅的温度敏感性可以达到11.4 pm/℃,光栅的测量温度与实际温度的误差在3%范围内。
准备了一条长100 m的110 k V的光电缆,其内部含有多个光纤光栅,取其中的三个点P1、P2、P3作为实验的关键点,同时分别在每个光栅的位置上放置一个准确度很高的铂电阻温度传感器,作为光纤光栅测温的对照。光电缆在通电前温度为25℃,通电后立即开始计时,在光电缆内部温度稳定之前每隔两分钟分别读取监测系统和铂电阻所测的温度值。在光电缆内部温度基本稳定以后,再每隔十分钟分别读取光纤光栅传感所测的数据和铂电阻所测的数据,并将数据绘制成曲线,分别如图12、图13和图14所示。图15为三个测量点处的光纤光栅所测数据与铂电阻所测数据的偏差曲线图。
由图中可以看出,光电缆在加电以后温度逐渐上升,在49.5℃左右的时候基本保持稳定,只在小范围内浮动。由电缆的温度场分析可知,电缆缆芯的温度大约为49℃,数据比较接近。由图15可知,三个测量点处每根光栅所测得的数据与铂电阻所测数据极为接近,它们二者的实际偏差在0.6℃的范围内。由此可知本实验系统的测量准确度较高。
4 结论
本文对光电缆内部的温度场特点进行研究后,结合热传导方程和边界条件,利用Ansys对光电缆内部的温度场做了详尽的分析,并提出了一种基于可调谐脉冲激光的实用分布式全同光栅温度监测系统。该系统最大的优点是突破了宽带光源的带宽限制,通过在一根光纤上连续刻制大量中心波长相同的光栅,光栅的数量仅受激光器功率的限制,实现对多个不同位置进行同时监测的要求。通过仿真对上述观点进行了理论分析后,说明了此方案的可行性。经过反复实验,通过光谱仪和示波器接收到的光谱图和电压信号验证了此方法的正确性。对中心波长为1 550 nm的光纤光栅进行温控对比实验,实验结果表明,光栅的温度敏感性可达11.4 pm/℃,光栅的测量温度与实际温度的误差在3%范围内,进一步证明了该系统适用于分布式多点的测量。
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分布式温度传感 篇7
关键词：电力电缆,温度实时监控系统,分布式光纤传感器
随着智能电网建设的开展,配电网电缆化率的程度将越来越高,利用新型传感与测量技术对智能配电网中电缆运行相关信息监控的集成已成趋势。分布式光纤测温传感器(DTS)作为一项新型的传感技术,已经在电力系统中得到应用。采用分布式光纤测温技术的电缆温度实时监控系统,对电缆全线监测得到电缆表面各点的实时温度进行计算得出导体温度,从而建立相应的负荷温度曲线图,实现对电缆运行温度的监控。
1 电缆温度实时监控系统设计及实施
电缆温度实时监控系统采用浏览器/服务器端(B/S)模式,具有开放性和可扩充性强、更新速度快和响应及时、维护和升级方便等特点,满足了系统的安全性需求。温度监控数据在局域网内共享,客户端通过浏览器来访问。
1.1 系统方案设计
利用分布式光纤测温传感器获取电缆实时温度数据,通过变电站自动化系统按照标准循环远动规约(CDT)读取电缆线路的实时电缆数据,运用电缆安全监控系统(CSM)软件构建电缆回路(DCR)模型,实现电缆在线温度监测和负荷监控的功能。
电缆温度实时监控系统原理如图1所示。
1.2 系统方案实施
1) DTS测温主机采用Windows
2000操作系统,设置在变电站内,其空间分辨率和采样间隔均为2.0318 m,监测点数量达到114个。
2) 测温光缆全长4 070
m,为全介质光缆,其结构是两芯测温光纤、聚对苯三甲酸丙二酯(PPT)内护套、纺纶加强阻燃外护套。
3) CSM主机采用DELL Optiplex
330计算机两台,其中一台为备用机;一台为短消息发送机(包括一张SIM卡),用于发送警报短信。
2 电缆温度实时监控系统功能特点
1) 显示界面清晰。
可将现场监测各点的温度及电缆负荷数据等信息(包括工井、电缆桥、电缆实时温度、电缆线路的实时负荷电流值等)在同一界面上显示,一目了然。
2) 二维显示地理信息。
系统建立与地理信息系统(GIS)的接口,导入电缆线路、工井及光纤的地理信息。将GIS平面数据进行整合,将电缆线路、工井位置及光纤位置对应,将测量坐标映射到实际地理位置,通过地图上的相关参照物,可以准确定位工井位置,并迅速定位到工井内的具体电缆线路。
3) 三维显示工井空间位置。
根据实测数据和相应照片,定位关键点,对具体工井建立完全逼真的虚拟环境,将工井相对位置及关联数据全方位、多角度显示,实现空间位置的三维呈现,全面、真实地再现了现场情况,有效地弥补了平面地理信息的不足,可以实现最佳视角查看;通过放大或缩小,可以十分方便地观测工井的整体情况和局部位置。
4) 系统报警及处理。
在设置好各类报警级别和相应阈值之后,系统会自动根据实时数据提供报警信息,并在相应位置弹出警告框并以各种方式通知用户。在报警处理时,直接从系统中迅速定位到某根电缆、某个工井、某个位置,极大地提高了定位的准确性和及时性,并建立报警信息的浏览、查询和分析机制。
5) 建立负荷温度响应曲线。
运用电缆安全监控系统软件,将实时监测的各电缆表面温度利用DCR模型计算出导体温度,再将温度曲线及负荷曲线关联起来,形成负荷温度响应曲线。
6) 分析电缆负荷温度数据。
根据电缆现场环境因素建模,通过数字仿真技术与IEC标准相结合,实现短时应急负荷和中长期安全载流量计算,分析评估重要电缆线路的负荷能力、环境特征和使用状态,为电力调度及规划提供数据支撑,实现智能分析。
3 结语
通过基于DTS的电缆温度实时监控系统,实现了上海市电力公司市南供电公司三庄变电站35 kV电力电缆实时温度、负荷的监控,实现了对电力电缆温度与负荷的深度分析,为夏季及冬季高峰用电时的电缆峰值提供了调度依据,确保了电缆的安全运行。电缆温度监控数据图形化、直观化的实时显示,满足了对监控系统的要求,为智能电网建设提供了基础条件。
参考文献
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分布式温度传感 篇8
1 系统原理[6,7,8]
当具有一定能量的泵浦脉冲光通过光纤时, 光纤中的光学光子和光学声子发生非弹性碰撞产生拉曼散射过程。拉曼散射产生两束不同波长的散射光, 波长大于入射光波长的为斯托克斯光 (Stokes光) , 波长小于入射光波长的为反斯托克斯光 (Anti- Stokes光) 。当入射光频率为ν0时, Stokes光频率νs=ν0-Δν, Anti-Stokes光频率νa=ν0+Δν。当功率为P0、频率为ν0的激光脉冲注入到光纤中时, 在距离注入点L处发生拉曼散射, 光纤入射端所探测到的Anti-Stokes光和Stokes光功率分别为
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式中, Ks、Ka分别为与Stokes光和Anti-Stokes光散射界面有关的系数;Sb为背向散射系数;α0为前向传输光损耗系数;αs和αa分别为Stokes光和Anti-Stokes光的传输损耗系数;Rs (T) 和Ra (T) 为与温度及光纤性能有关的参数, 且
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式中, h为普朗克常数, k为玻耳兹曼常量, T为绝对温度值。
将式 (1) 、 (2) 相除可得:
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由式 (5) 可知, Stokes光和Anti-Stokes光的光强比只与外界环境的温度有关。
当光纤处于温度T0时,
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将式 (5) 、 (6) 相除得:
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通过式 (7) 即可计算传感光纤上每一点的温度。
自大功率脉冲光注入传感光纤后, 光纤上某一点的背向拉曼散射光返回输入端的时间为t, 则此点距输入端的距离为
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式中, n为光纤的有效折射率;c为光速。由式 (8) 即可对传感光纤上每一事件点进行定位。
2 系统结构
高分辨率分布式光纤温度传感系统结构示意图如图1所示。驱动电路发出驱动信号, 对大功率激光器进行调制, 同时发出一路同步脉冲对模/数 (A/D) 采集卡进行控制。激光器经调制后发出的脉冲光经粗波分复用器 (CWDM) 后注入参考光纤, 在参考光纤的末端连接传感光纤。脉冲光在光纤中传输时, 由于光纤纤芯折射率随机起伏, 会发生瑞利散射现象, 散射方向与光波前进方向相反的背向散射光含有Stokes光和Anti-Stokes光, 经CWDM分路后, 被雪崩光电二极管 (APD) 接收, 进行光/电转换, 转换后的电信号经滤波和信号放大电路后被A/D采集卡采集, 并输入到计算机中进行处理。
(1) 大功率超窄脉冲激光器
大功率超窄脉冲激光器是分布式光纤传感系统的重要部件, 其性能决定了系统的灵敏度和空间定位精度。系统采用低噪声超窄脉冲激光器, 其工作波长为1 550 nm, 带宽±5 nm, 脉冲周期1 ms, 脉冲宽度10 ns, 由此可得系统的空间分辨率高达1 m。
(2) CWDM
系统采用的CWDM结构如图2所示, 中心波长分别为Stokes光和Anti-Stokes光波长, 其插损IL<0.6 dB, 带宽为5 nm, 隔离度>40 dB。输入端注入1 550 nm脉冲激光, 经CWDM后进入传感光纤, 脉冲光在光纤内产生背向Stokes光和Anti-Stokes光, 经CWDM后分波, 被光电探测器接收。
图中, ①为入射光, ②为后向散射光, ③为Anti-Stocks光, ④为Stocks光。耦合复用1和耦合复用2由1×2双向耦合器和高隔离度滤光片组成。
其工作原理如下:激光器产生的中心波长为1 550 nm的光脉冲由端口1输入CWDM, 经耦合复用2和耦合复用1反射后经端口2注入传感光纤中。传感光纤中后向散射回来的光经耦合复用1后将Anti-Stocks光 (1 450 nm) 透射过去, 经端口3输出到光电探测器。其他的光被耦合复用1反射后进入耦合复用2。耦合复用2将Stocks光 (1 663 nm) 透射过去, 经端口4输出到光电探测器。其他的光被反射出去。
(3) 光/电转换器
背向拉曼散射光信号非常微弱, 因此光电探测器采用具有内部增益的APD对Stokes光和Anti-Stokes光进行光/电转换。为了保证系统的空间分辨率, APD的上升时间应大于激光器的脉冲宽度 (10 ns) 。
(4) A/D转换
在激光器驱动电路同步脉冲的控制下, 还需要对带有温度场信息的经过光/电转换的模拟电信号进行高速A/D转换。同时, 为保证系统的空间分辨率, 一次采样的间隔时间应低于光脉冲的宽度 (10 ns) 。采用双通道100 M的高速A/D采集卡, 把信息送入计算机, 通过软件进行处理。采用多次采样累加平均的方法来提高系统的信噪比。
(5) 传感光纤
实验中采用多模光纤 (62.5/125 μm, NA=0.275, n=1.496) 作为传感光纤, 这种光纤是在普通光纤中掺入了较高浓度的锗, 其拉曼散射比普通光纤高1～2个数量级。同时, 由于这种光纤具有较大的有效截面积和数值孔径, 易于与激光器耦合。
3 实验结果及分析
根据式 (7) , 为了获得传感光纤沿线的温度信息, 需要对系统进行标定, 测试在某一固定温度T0下的f (T0) 值。实验中, 将20 m长的传感光纤放入恒温箱中, 恒温箱温度分别设为30、60和100 ℃, 测试此时的f (T0) 值, 并由此对系统进行标定。
标定后对系统进行测试, 主要测试两方面的性能:一是系统的测量精度;二是系统的空间分辨率。
为了测试系统的测量精度, 将20 m长的传感光纤放入恒温箱中, 恒温箱的温度设为52.5℃, 系统测出的温度曲线如图3所示。
图中, 曲线①为Stokes曲线, 曲线②为Anti-Stokes曲线, 曲线③为传感光纤沿线温度曲线。由图可知, 系统测得的温度与恒温箱的温度差在0.1 ℃以内。所以, 该系统的测量精度为0.1 ℃。
为了测试系统的空间分辨率, 将4段长度分别为0.5、1、1.5和10 m的光纤放入同一恒温箱中, 其温度曲线如图4所示。
图中曲线①为传感光纤温度曲线, 4段测试光纤的长度分别为1.5、10、0.5和1 m。由图可知, 1、1.5和10 m光纤段所测得的温度相同, 0.5 m光纤段所测得的温度与其他3段有差距, 这说明系统的空间分辨率能保证在1 m。
4 结论与展望
分布式光纤温度传感器在石油管道、公路隧道、地铁和发电厂等领域具有广阔的应用前景。本文提出的这种分布式高空间分辨率温度传感系统, 采用超窄脉冲光源、低噪声光/电转换电路、高速A/D采集和数据累加技术, 将系统的空间分辨率提高至1 m, 有利于系统的大规模应用。
参考文献
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分布式温度传感 篇9
光纤光栅的优势在于电磁干扰小, 高敏性, 无源性, 串扰小, 尤其可以实现大量复用[1]。为实现准分布式的检测, 提高光纤光栅的复用能力成为研究一个热点, 目前波分复用 (WDM) , 时分复用 (TDM) 、空分复用 (SDM) 和多种复用结合, 发展已经趋近成熟[2]。在WDM中, 不同中心波长的光栅串接在一根光栅上, 由于激光器输出带宽范围有限和光栅波长波动范围限制, 使其复用个数很少, 通常只有十多个。而在TDM、SDM和多种结合的情况下, 虽然都可通过增加系统复杂性来增加可复用光栅个数, 但其解调难度和费用也相应的增加[3,4]。文献[5-7]中的弱反射光栅系统, 虽然提高了光栅的复用能力, 但是其空间分辨率较低。
在本文中设计了WDM与OTDR相结合的弱反射光栅的新型分布式传感系统, 多种中心波长不同的弱反射Bragg光栅, 反射率约为3%, 中心波长依次相差约为1 nm, 传感光栅采用了反射率为3%, 中心波长分别为1 544.660 nm、1 545.802 nm和1 546.900 nm的三种FBG为一组, 共刻制三组在一根光纤上, 实现了准分布式的测量, 采用WDM技术提高光栅的复用容量, 利用OTDR对各个弱光栅进行实时检测。
1 传感原理与设计原理
1.1 布拉格光纤光栅原理
由光纤耦合波理论, 光栅的布拉格波长为
式中:布拉格波长, neff光纤传播模式的有效折射率, Λ光栅周期。
在检测温度时其中心波长和温度成如下线性关系
式中:mT为测量温度, rT为实际温度, (35) 为中心波长的漂移量, s为光栅对温度的敏感度。
在水浴加热系统中, 随着温度的增加, 中心波长为1 544.660 nm的光栅的线性温度漂移测量如图1所示。图中曲线18分别对应10℃80℃。
1.2 光时域反射技术
光时域反射技术 (OTDR, Optical time-domain reflectometry) 通过检测光纤背向瑞利散射、背向布里渊散射和反射光, 来确定光纤损耗的位置和光强[8]。应用于光纤光栅作为检测的是反射光, 由于其反射光光强远大于瑞利散射和布里渊散射, 非常方便用于检测, 因此光时域反射技术是一种可以复用大量光栅的简单和可靠技术[9]。在一根光纤上等距刻制多个相同中心波长的光栅, 通过OTDR来标定不同位置光栅返回的信号。相邻同中心波长弱光栅的反射光由OTDR检测的时间差为
式中:d是在相邻同中心波长光栅之间的距离, n是光纤的有效折射率, c为真空中的光速。
利用OTDR与WMD结合的传感原理时序图如图2所示, 各中心波长如图依次等间距刻制在一根光纤上, 相同中心波长的光栅间距为d, 相邻光栅的距离为d/n, 可调谐激光器输出中心波长为1的光, 调制成脉冲光进入光纤中, 与中心波长相匹配的弱光栅依次反射回来, 通过采集信号对应时间进行光栅位置标定如图2 (a) 所示;经过时间t, 其中t为可调谐激光器波长调节 (n-n-1) nm的扫描的时间, 可调谐激光器输出中心波长为2时, 再经过调制进入光纤中, 通过采集信号对应时间进行光栅位置标定如图2 (b) 所示。激光器依次连续输出各中心波长的激光, 对光纤中所有的光栅进行反射光标定, 因此串行光纤中的每个光栅传感器的反射光谱可获得。且系统所用中心波长越多, d/n越小, 则空间分辨率越高。
1.3 弱反射光栅的复用能力分析
光栅阵列中系统检测时, 会出现相同中心波长光栅的串扰影响。在相同外界条件时, 对于同一中心波长的光栅, 第N个光栅直接反射回来的光强为
其中:IN为反射光强, I0为入射光强, R为光栅反射率。
在检测中, 探测器将会同时检测到多个在相同距离的路径下的反射信号, 如图3所示[10], Ray1为检测光栅FBG4直接反射光, Ray2为一阶反射, Ray3为多阶反射, Ray2、Ray3会对FBG4检测产生串扰, 但是对于低反射率的光栅而言, 经过多次反射使得光强变得很小, 所以我们只需考虑一阶反射串扰, 其一阶反射串扰光强为
复用光栅个数越多, 其一阶反射串扰光强个数越多。
K为一阶反射串扰光强个数, N (N3) 为复用光栅个数, 则N个复用光栅上的一阶反射串扰总光强为
为了系统的检测不受到一阶反射串扰的干扰必须满足IN (29) 10IK2。
不同反射率下可复用的光栅容量如图4所示。由图4可知在满足条件IN (29) 10IK2反射率为3%的光栅, 理论上可以复用17个, 且反射率越低串扰越小, 其复用个数越多。在系统中结合WDM, 采用多种不同中心波长的弱光栅, 可使单根光纤复用的光栅阵列容量加倍, 并提高系统的空间分辨率。
2 实验分析
实验系统如图5所示。为验证OTDR与WDM结合的有效性, 本文仅复用了三种中心波长的光栅各三支。对光栅阵列进行标号, 光栅中心波长为1 545.660 nm的依次为FBG11、FBG12和FBG13, 光栅中心波长1 546.802 nm的依次为为FBG21、FBG22和FBG23, 光栅中心波长为1 547.900分别为FBG31、FBG32和FBG33, 相邻光栅用2 m单模光纤连接。采用可调谐窄带激光器, 扫描范围是1 510~1 550 nm, 激光脉冲的线宽是0.2 nm, 窄带激光通过电光调制器调制为周期为200 ns的脉冲信号, 经过EDFA放大后送至光栅阵列传感器。
通过光电探测器将光信号转换为电压波形, 对电信号进行采样, 计算出光纤光栅的偏移量, 该偏移量线性对应于光栅的温度变化。在室温下, 光栅温度恒定时, 只有在1 544.660 nm、1 545.802 nm和1 546.900nm的光反射回来, 如图6 (a) 所示;如果光栅的温度发生变化, 则光栅的中心波长也会相应地发生变化, 并且对应的脉冲光也会被反射回来, 使FBG32在80℃的水浴箱中加热, 如图6 (b) 所示, 可以明显看出波长发生漂移。
2.1 单一波长检测
使光栅FBG21与FBG23在水浴加热箱中加热, 温度由30℃连续上升到80℃, 每次变化10℃, 对处在室温下 (20℃) 的光栅FBG12、FBG22与FBG32进行温度检测, 进行波长标定, 见表1, FBG12、FBG22与FBG32光栅中心波长保持稳定, 并没有发生明显波长漂移, 实验说明, 当某光栅发生波长漂移时, 不影响其它中心波长光栅的波长检测;使光栅FBG12与FBG32在水浴箱中加热, 温度由30℃连续上升到80℃, 每变化10℃对处在室温下的光栅FBG22进行温度检测。对整数温度进行波长标定, 见表2, FBG12、FBG22与FBG32光栅中心波长保持稳定, 实验说明, 对于同一中心波长的光栅发生波长漂移时, 也不影响相同中心波长其它光栅的检测。
2.2 温度标定
FBG21、FBG22与FBG23放置在水浴箱中, 设置温度由5℃到80℃, 并每5℃对光栅测量一次, 对光栅温度进行标定。如图7所示, (a) 、 (b) 、 (c) 分别为FBG21、FBG22与FBG23温度标定图。
根据实验结果, 利用最小二乘法拟合, 可获得光栅FBG21的波长-温度线性关系为
Tm1 (28) 20 (10) 104 (-1544.660)
光栅FBG22的波长-温度线性关系为
Tm2 (28) 20 (10) 98 (-1545.802)
光栅FBG23的波长-温度线性关系为
Tm3 (28) 20 (10) 101 (-1546.900)
得出中心波长1 544.660 nm温度敏感系数为10.4 pm/℃, 温度检测精确度0.11℃;中心波长1 545.802nm温度敏感系数为9.8 pm/℃, 温度检测精确度0.13℃;中心波长1 546.900 nm温度敏感系数为10.1 pm℃, 温度检测精确度0.15℃。
3 结论
本系统在不增加系统复杂性和解调难度的情况下, 采用WDM与OTDR相结合的方法在一根光纤上使弱光栅的复用容量成倍增加和空间分辨率提高, 在5~80℃的温度范围内, FBG的中心波长随温度变化呈良好的线性, 线性度达到99.6%以上, 温度精度分别达到0.11℃、0.13℃、与0.15℃, 空间分辨率为2 m。系统很好的实现了分布式温度的检测。虽然系统可以在增加复用的更多不同中心波长的光栅, 以提高空间分辨率, 但是由于可调谐激光器的波长扫描原因, 使系统的检测时间变长;并且光栅在波长漂移较大的情况下, 可能出现两个相邻中心波长的交叉现象, 给系统检测带来较大误差。提高激光器扫描速度来缩短时间和增加两个光栅中心波长的差值可以有效减少波长交叉。
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分布式温度传感 篇10
【关键词】无线传感器网络；自身定位；定位；仿真
由于传感器节点在部署时的不可控制性(例如通过飞机撒放)，网络中大多数节点位置不能事先确定，而无线传感器网络的大量应用都需要网络中节点的地理位置信息，从而获知信息来源的准确位置。通过研究无线传感器网络巾典型的分布式定位算法，选择Bounding box[1]、Euclidean和Robust Position三种算法进行实现，并在OMNET++平台上对它们进行仿真比较，研究环境参数（测距误差，锚节点密度，连通度）变化对其性能的影响。
一、分布式定位算法
分布式定位算法一般分为三个模块：确定未知节点和锚节点间距离模块；计算每个未知节点佗置模块；循环精确节点位置模块。首先，未知节点通过基于测距或非测距方法确定其到锚节点的距离；然后，通过到锚节点的距离来计算每个未知节点的位置；最后，对末知节点的位置进行迭代求精，最终所有未知节点报告它们的位置。
分布式定位算法的每个模块中都有几种可选算法。其中确定未知节点和锚节点间的距离模块中可选算法有基于RSSI的测距算法和美国路特葛斯大学（Rutgers University）Dragos Niculescu等人提出的Euclidean、DV——Hop、DV——distance三种算法；计算未知节点位置模块中可选算法有三边测量法、多边形算法、Min——Max算法；位置求精模块主要有由Savarese等提出的根据所有町获得的节点信息重复执行三边测法或多边形算法过程重新确定节点位置。
（一）确定未知节点到锚节点距离模块可选算法
在这个模块中，未知节点通过共事信息确定其到锚节点的距离，以便在第二个模块中计算节点的初始位置。
1.RSSI算法。此算法已知节点发射功率，在接收节点测量接收功率，计算传播损耗，然后使用理论或经验的信号传播模型将传播损耗转化为距离。
所用公式如下：
P(d)=PTPL(d0)10`log10()+Xl（1）
其中P（d）为两节点相距为d时的信号强度；PT是信号发射的强度；PL（d0）是在两节点距离为d0时信号强度的损耗；`是一个信号衰减指数；X€%l是一个服从正态分布的方差为€%l2、期望为0的随机变量。
根据公式（1）可推导出信号强度转换距离的公式：
d=10exp[]0（2）
基于射频信号强度的RSSI方法成本很低，适合于无线传感器网络的部署要求，所以前景很好。
2.DV——distance算法。DV——distance算法很简单。在泛洪传输中仅通过在每个节点上累加测得的距离来确定其距锚节点的距离。算法从锚节点开始，它们发送一个包含其身份、位置和0路径长度的信息包。每个接收到信息的节点将测得的距发送点距离加到路径长度上，如果可控泛洪允许的话继续广播这个消息。另一个限制是，当节点再次收到以前接收过的节点信息时，只有当前信息中距锚节点路径长度小于原先信息中距锚节点路径长度时，才允许发送这个消息，并更新自身信息。最终结果是，每个节点将存储它们距锚节点的最短路径长度。
DV——distance算法的缺点是，当距离信息在多跳中传播时，测距误差被累加放大。在锚节点很少或测距硬件差的大型网络中，这种累计误差很大。
3.Euclidean算法。DV——hop算法的缺点是不适用于极为不规则的网络拓扑结构，这种结构中，实际每跳间的距离差别很大。Niculescu和Nath提出了另一种称之为Euclidean的算法，这种测距算法是基于围绕锚节点的未知节点的局部几何算法。
如图1（a）所示，假设节点拥有RSSI测距能力，已知未知节点B、C在锚节点L的无线射程内，BC距离已知或通过RSSI测量获得；节点A与B、C相邻。对于四边形ABCL，所有边长和一条对角线BC已知，根据三角形的性质可以计算出AL的长度（节点A与L的距离）。使用这种方法，当未知节点获得与3个或更多锚节点之间的距离后定位自身。未知节点B、C与锚节点L两两相邻，节点A与B、C相邻。对于四边形ABCL，所有边长和一条对角线BC已知，根据简单的几何原理可计算出AL的长度。但节点A有两个可能的位置A和A′，假如A还有其他邻居节点D与锚节点L相邻，并与B或C之一相邻，那么可以使用D来替换B或C，再次计算AL的距离，则A节点就能在两个可能的位置中选择出正确的一个。使用这种方法，当未知节点获得与三个或更多锚节点距离后定位自身。由基本的几何知识，可以得出：
cos()=，cos()=
AL2=AC2+CL224C·CL·cos() （3）
（二）计算节点位置模块可选算法
在此阶段，通过模块1提供的未知节点到若干锚节点间的估算距离计算未知节点的初始位置。此阶段有三边测量法、多边形算法和Min—Max等算法。
求出（x，y）即是节点位置。
1.多边形算法。多边形算法源于三边测量法，当参考节点数量超过3个时，就是通过定义方程组，利用冗余信息能够更精确地计算节点的化置。
假设未知节点坐标是（x，y），锚节点坐标分别为（x1，y1），（x2，y2），…，（xk，yk），末知节点到锚节点的距离分别是r1，r2，…，rk，我们可以得到一组方程：
（4）
可以线性化为：Ax=b
（三）循环定位求精模块算法
这个阶段的目的是使在第一阶段计算得出的（初始）节点位置更精确。即使在好的条件下（高连通度，低测距误差），这些节点定位也不可能很精确。原因是前两个阶段并没有用到所有可获得的信息。由Savarese等提出的精确过程正是当节点更新他们的位置信息时考虑了与所有节点间的距离。在每步开始时，一个节点广播它的位置并相应地从它的邻居节点那里接收邻居节点位置和距离，然后执行阶段二的多边形算法计算过程以确定它的新佗置。在很多情况下，由到邻居节点距离所限。将迫使新的位置向节点真实的位置靠近。经过几步迭代后，当节点位置更新过程收敛时，精确过程结束并报告最终位置。
二、算法仿真
对定位算法的仿真的意义在于能够在接近现实的环境中得出算法性能的数据，进行定量分析，从而得出算法的应用环境和不足之处，以待改进。仿真工具选择的是布达佩斯技术人学电信学院开发的OMNET++离散事件模拟器。
（一）仿真算法选择
本文选择完全的分布式算法，即节点位置的计算在节点本地完成。这种算法可以应用于大规模的无线传感器网络。这样的网络要满足：
（1）自组织，不依赖于全局基础没施（如卫星）；（2）健壮，能容忍节点失效和测距误差；（3）节能，只需要较少的计算和通信开销。
根据上述条件，排除了凸规划（Convex Position），MDS—MAP等集中式算法。此外，质心算法，APIT算法需要较高的锚节点密度，也被排除在外。本文对满足以上条件的三种定位算法，Bounding box算法、Euclidean算法和Robust Position算法做了仿真分析，这三种算法具有良好的可实现性和代表性。
将上述三个算法分解。得到它们各个模块的算法：
表1 仿真算法按模块分解
（二）仿真网络环境设计
鉴于无线传感器网络是自组织的，所以节点放置时是随机的，因此仿真环境中的节点是随机部署的。锚节点需要通过安装特殊的定位系统和采取人工部署来确定其位置，所以仿真环境中锚节点的位置可以人为确定。
仿真环境中的重要参数有：网络中的节点数量；锚节点密度；节点通信半径（连通度）。仿真由100个节点组成的无线传感器网络，开始时，依据上述参数产生一个随机的网络拓扑结构，节点在一个正方形区域内随机分布。通过指定通信半径可以控制连通度。
三、仿真结果
在检测算法的定位精度性能的仿真实验中，将通信半径设定为15。这里将测距误若定义为一个比值，即算法计算得出的节点位置与真实位置之间的偏差比上节点到锚节点的距离估计。仿真实验获得了一组在不同锚节点密度下三个算法在定位误差方面的数据，如图1所示。
图1三个算法的定位精度仿真结果图2 三个算法的覆盖率仿真效果
在检测算法的定位覆盖率性能的仿真实验中，将通信半径也设定为15。仿真实验获得了一组在不同锚节点密度下三个算法在定位覆盖率方面的数据，如图2所示。
定位覆盖率是考察定位算法性能的重要指标，它表示通过执行某个定位算法，网络中被正确定位（定位误差在可接受的范围内）的比例。从定位覆盖率的仿真实验中，可以看到，三个算法的定位覆盖率均随锚节点密度的增大而提高。其中，Bounding box算法和Euclidean算法对网络中锚节点密度很敏感，尤其当锚节点密度从3％变化到10％时，这两个算法的定位覆盖率显著提升。Robust position算法对锚节点密度并不敏感，在锚节点密度很小（只有3％）时，其定位覆盖率已达90％；在10％的锚节点密度下，覆盖率已达100％。
可见，在锚节点密度较高而节点计算能力极为有限的情况下Bounding box算法是最佳选择；在需要较高的定位精度时应选择Robust position算法；在对定位精度和能耗要求适中的情况下，应选择Euclidean算法。
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