基于分布式光纖傳感器的溫度檢測設計

胡 康

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基于分布式光纖傳感器的溫度檢測設計

胡 康

湖北工程學院新技術學院，湖北 孝感 432000

現代傳感技術的飛速發展促進了測量與測試行業的發展，光纖傳感器具有測量范圍廣、精度高的特點，已被應用到多個領域。基于此，主要探究了分布式光纖傳感器在溫度測量領域的應用，利用光纖的后向散射現象和光時域反射理論，在光纖長度范圍內，以連續函數的形式測量各個點的溫度。

光纖傳感器；分布式；硬件設計

引言

隨著嵌入式技術、現代傳感技術和計算機技術的不斷發展，各種新技術被應用到了工程檢測領域內，功能強大、性能穩定的測量系統是未來測量與測試領域的發展方向。分布式光纖傳感器以光纖作為載體，將光纖布置在測量范圍內，不僅能夠測量溫度，還能夠測量距離。分布式光纖傳感器測量溫度，能夠獲得溫度隨時間和空間變化的規律，并且基于嵌入式控制技術，能夠設計出具有智能化和網絡化的現代溫度檢測系統。本文通過探究分布式光纖傳感器的相關理論，借助嵌入式測量系統的硬件，設計分布式光纖傳感器溫度測量系統[1]。

1 分布式光纖傳感器相關理論

分布式光纖溫度傳感器主要是利用光纖沿溫度場的排布，通過測量光在光纖傳輸時的散射光攜帶的溫度信息，同時采用光時域反射技術，實現對光纖傳輸路徑上溫度的測量和檢測。分布式光纖傳感器的散射機理主要有瑞利散射、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受其影響，散射光和入射光的頻率相同。通過測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的損耗信息，從而檢測外界信號在分布式光纖上的擾動信息，例如應變、抖動和斷點等。瑞利散射能夠對溫度進行測量，但是受到的影響因素眾多。散射稀疏對溫度的靈敏度太低，導致檢測的靈敏度不高[2]。

布里淵散射的原理基于光在介質中受到各種元激發的非彈性散射，其頻率的變化能夠表征元激發的能量。頻率的變化和散射方向與介質內的聲速特性有關。環境溫度變化時，光的折射率和聲速都會發生變化，通過頻率的移動就可以檢測溫度的變化。分布式布里淵測溫方法測量精度高、范圍大，但是光纖在溫度變化時會熱脹冷縮，給溫度的測量帶來影響。

拉曼散射是入射光與分子運行相互作用產生的頻率變化造成的。通過在光纖中注入窄脈沖，傳感光纖敷設在有待測量的溫度場內，窄脈沖在光纖傳輸過程中會發生非線性效應，產生拉曼散射。拉曼散射會產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。通過測量兩種光纖的光強比，就可以計算溫度信息。本文采用拉曼散射原理作為測量溫度的理論。

2 分布式光纖測溫系統設計

分布式光纖溫度傳感系統主要包括光學部分和信號處理及采集裝置。光學部分采用了兩個分光器、兩個定向耦合器和兩個激光發射器及激光器驅動的設計；信號采集及處理部分采由光電轉換器、放大器及數據采集模塊組成。整個分布式光纖測溫系統的系統框圖如圖1所示。

圖1 分布式光纖溫度測量系統框圖

采用該系統進行溫度測量時，首先由計算機控制激光器發射出測量所需的激光。激光經過定向耦合器進入到傳感器光纖中，傳感器光纖的溫度就是需要測量的環境溫度。不同的溫度會引起不同的拉曼散射，產生斯托克斯和反斯托克斯光，散射光傳輸回定向耦合器后，采集相關的參數，通過計算可得需要測量的環境溫度[3]。

3 溫度測量系統硬件組成

分布式溫度測量系統的光學部分硬件主要包括激光器、分光器和光電轉換電路。激光器采用的是FLDM系列多模光纖耦合半導體激光器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勢。

數據采集和信號處理硬件包括系統電源、系統時鐘、A/D轉換、外部存儲器以及接口電路。系統電源采用+5?V電壓供電，通過芯片轉換為+5?V、+3.3?V、+1.5?V、+1.2?V、-1?V等多種電源。穩定的系統時鐘是DSP和FPGA等高精準工作的保證。系統時鐘通過外部晶體振蕩器產生，分別由兩塊晶振完成，即16?MHz用于DSP的外部時鐘，50?MHz的FPGA外部時鐘和A/D轉換的時鐘由FPGA倍頻獲得。A/D轉換是將采集的光電模擬信號轉變為數字信號，芯片選用ADS62P25。ADC模擬信號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。外部存儲器采用SRAM和FLASH。FPGA選用兩個SRAM，用于緩存斯托克斯和反斯托勒斯信號；DSP選用FLASH，用于存儲固化的DSP源程序。

4 總結

本文主要對分布式光纖傳感器測溫系統進行設計，闡述了分布式傳感器的相關理論，并采用基于拉曼散射的光纖傳感器搭建該系統，分析了分布式光纖傳感器溫度檢測系統的組成，重點介紹了分布式測溫系統的光學硬件部分和信號采集及處理部分。

[1]周正仙.分布式光纖溫度傳感器的設計和優化[D].上海：上海交通大學，2009.

[2]丁英麗.基于光纖傳感器的智能溫度檢測系統的設計[J].計量與測試技術，2003（2）：11-12.

[3]張巖紅.分布式光纖溫度傳感器信號處理系統的研究與設計[D].秦皇島：燕山大學，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