CN101713689A - 分布式光纤测温系统 - Google Patents

Abstract

一种分布式光纤测温系统，目的是对井下机电运输设备温度参数连续监测；本发明包括单片机控制板、光纤温度场信息采集模块、光电探测器和电路信号后处理模块；光纤温度场信息采集模块包括脉冲光纤激光器和波分复用器；电路信号后处理模块包括采集卡和PC机；单片机控制板通过导线和脉冲光纤激光器、采集卡连接，波分复用器通过光纤和脉冲光纤激光器、光电探测器连接，脉冲光纤激光器发出的入射光经过波分复用器输出到传感光纤，传感光纤将带有矿井设备温度变化信息的背向散射光返回到波分复用器，波分复用器再从背向散射光中提取反斯托克斯和斯托克斯两束散射光，抑制住较强的瑞利散射光及其他非线性散射光；光电探测器通过导线和采集卡连接。

Description

分布式光纤测温系统

技术领域

本发明涉及一种用于煤矿井下火灾预警的分布式光纤测温系统。

背景技术

煤炭火灾严重干扰矿井的正常生产秩序。随着我国煤矿生产机械化程度的不断提高，煤矿机电运输设备贯穿矿井的各个生产环节，战线长，涉及面广。如大型矿井供电电缆就有几公里长，皮带输送机的数量和长度大幅度增加，机电运输设备有几百台套，其发生火灾的危险性也大大增加，灾害程度也呈日益严重的趋势，需要不间断监测温度参数点有数万个。采用传统分散式的传感器逐点监测，不仅安装困难，而且整个系统结构庞大，使用不便，电力设施的强电磁干扰也会影响测量的可靠性。由于现有温度监测技术的制约，难于做到全面监测，对事故的发生也是防不胜防。

发明内容

本发明的目的是克服上述已有技术的不足，提供一种能对井下机电运输设备的温度参数进行连续高密度监测、对煤矿井下火灾进行预警的分布式光纤测温系统。

本发明包括单片机控制板、光纤温度场信息采集模块、光电探测器和电路信号后处理模块。光纤温度场信息采集模块包括脉冲光纤激光器和波分复用器；电路信号后处理模块包括采集卡和PC机。单片机控制板通过导线和脉冲光纤激光器、采集卡连接，发送触发信号使脉冲光纤激光器发出一系列脉冲激光，同时又向采集卡提供同步脉冲，同步控制采集卡与激光脉冲循环发送信号；波分复用器通过光纤和脉冲光纤激光器、光电探测器连接，脉冲光纤激光器发出的入射光经过波分复用器输出到传感光纤，传感光纤将带有矿井设备温度变化信息的背向散射光返回到波分复用器，波分复用器再从背向散射光中提取反斯托克斯和斯托克斯两束散射光，并抑制住较强的瑞利散射光及其他非线性散射光；光电探测器通过导线和采集卡连接，这两束光经过光电探测器将光信号变为放大的电信号；然后采集卡将电信号采集并通过PCI总线连接到PC机上进行显示、分析处理。其中传感光纤选用高非线性光纤，降低色散斜率和损耗。

单片机控制板包括单片机U1、反相器U2、电阻排RL、复位开关S1、拨码开关S2、晶振JZ和电解电容E。单片机U1型号AT89C2051，单片机U1引脚P10-P17分别与电阻排RL引脚2-9连接，电阻排RL引脚1接+5V电源，引脚P10通过电阻R2连接到反相器U2的引脚1，反相器U2型号7404，单片机U1引脚P11与U2引脚2连接，U2引脚3、4分别与输出口XH、TTL OUTP连接，两输出口另一端都接地。单片机U1引脚P14-P17与拨码开关S2一端连接，S2另一端接地。复位开关S1和电解电容E并联，一端接+5V电源，另一端与单片机U1引脚RECET及电阻R1连接，电阻R1另一端接地。电容C1、C2一端接地，另一端分别与晶振JZ的两端连接，晶振JZ两端连接在单片机U1引脚X1，X2上。

光电探测器包括光电转换电路和放大电路，光电转换电路包括雪崩光电二极管APD，增强型伪高电子迁移率晶体管Q1、Q2，电容C3、C4、C5、C7、C8，电阻R3、R4、R5、R9、R10，电感L1、L2；放大电路包括运算放大器IC，控制开关DIS，电阻R6、R7、R8，电容C6。波分复用器分离出带有温度信息的反斯托克斯和斯托克斯拉曼背向散射光VH+经过雪崩光电二极管APD变成电流信号，VH+与APD的负极连接；Q1，Q2和C3、C4、C5、C7、C8、R3、R4、R5、R9、R10、L1、L2构成互导放大器，电流信号经过这个系统变成电压信号，APD正极与Q1栅极连接，Q1漏极与Q2栅极、R9的一端连接，R9的另一端与Q2漏极同时接+5V电源，C7与R10并联的一端与APD正极连接，另一端与R3、C8一端连接，C8另一端接地，R3另一端与Q2源极连接，L1与L2并联接到Q1源极，另一端同时接地，C3与R4并联一端接到Q2源极，另一端同时接地，C4与C5并联接到Q2源极，另一端接到运算放大器IC的引脚3上，R5一端接到IC引脚3上，另一端接地。放大电路中IC和R6、R7、R8、C6构成宽带运算放大器，IC引脚2接-5V电源，引脚1与引脚4通过R7连接到一起，引脚6接+5V电源，引脚4通过R6接地，引脚5接DIS控制开关，R8一端接运算放大器IC引脚1，另一端接输出端OUT，并同时通过C6接地，此放大电路将电压信号进行放大，实现放大1000万倍，放大到100mv级，带宽76MHz-102MHz。

本发明利用在光纤中传输的高功率光脉冲与光纤分子作用产生自发拉曼散射光谱信号，散射光谱信号携带散射区温度信息，运用光时域反射技术(OTDR)，对沿光纤传输路径的空间分布和随时间变化的温度信息进行测量和监控，从而实现分布式的光纤温度传感。其中激光脉冲在光纤中传输时，由于激光和光纤分子的相互作用，会产生三种散射光：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，瑞利散射对温度不敏感，而拉曼散射和布里渊散射都对温度敏感，由于布里渊散射和瑞利散射在频谱上靠得非常近，比较难以分开，同时布里渊散射受应力等其他因素的影响也比较大，所以用来测温难度比较大，这样就只能用拉曼散射。拉曼散射包括两种：斯托克斯拉曼散射(Stokes 1650nm)和反斯托克斯拉曼散射(Anti-Stokes 1450nm)，它们在频谱图上的分布大致是对称的，这两者对温度都敏感，只不过反斯托克斯拉曼散射对温度的敏感系数比斯托克斯拉曼散射要大得多。因此将反斯托克斯拉曼散射用作信号通道，作为计算温度的主要依据。

本发明分布式光纤传感系统能够对井下皮带传送机、供电光缆和用电设备等的温度参数进行连续、高密度的温度监测，构造井下环境的温度场模型。它是一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术，可实现分布式传感器的空间分辨率达1m，测温范围-20～200℃，将温度源定位精度精确到0.2m，测温精度达到±2度的水平，监测距离长度提高到30km，连续监测点15万个，实现对井下机电运输设备温度参数的精确监测和定位，同时获取温度、应力和位置等信息。通过井下多源监测信息融合建立长距离皮带输送机、输配电电缆及重要机电设备事故预警预测数学模型，为煤矿安全生产提供先进可靠、经济实用的火灾、瓦斯爆炸等灾害预警预测系统。

本发明分布式光纤测温系统的光纤不仅起传光作用，而且起传感作用，因此结构异常简单，减少了多余部件的利用，节省了资源；并且是一种耗能少，没有污染排放的高新技术，不会对生态环境造成污染；而且它对煤矿井下空间温度场、应力场进行准确定位和描述，对灾害进行预警预测，并在民用、商业、国防、工业现场等领域推广使用。

附图说明

图1为本发明总体结构框图。

图2为本发明单片机控制板电路图。

图3为本发明光电探测器电路图。

具体实施方式

脉冲光纤激光器采用深圳明鑫科技发展有限公司的光纤耦合输出的激光器，型号为MXFLP-1550-5.0K-010-010-SF-M，功率3-200W，脉宽10ns，重复频率20kHZ，输出波长1550nm，它向光纤中注入一系列的脉冲光。波分复用器采用深圳市明鑫科技发展有限公司生产的1×3WDM型Raman散射波分复用器。采集卡采用美国国家仪器(NI)有限公司的PCI-5144采集卡，实现信息采集信息的实时处理，采样率可达250MS/s/通道，它对弱信号检测，从噪声中提取待测信号，完成了对拉曼散射信号Anti-stokes和Stokes的同步高速采集，能实现时域和频域的信号分析及对采集信号的平均和窗函数滤波。PC机采用LabVIEW编程可实现将采集卡采集到的信息变成温度信息显示在PC机上。光电探测器是具有放大功能的，包括光电转换电路和放大电路，光电转换电路采用符合系统要求的APD。

Claims (3)

1.一种分布式光纤测温系统，其特征是包括单片机控制板、光纤温度场信息采集模块、光电探测器和电路信号后处理模块；光纤温度场信息采集模块包括脉冲光纤激光器和波分复用器；电路信号后处理模块包括采集卡和PC机；单片机控制板通过导线和脉冲光纤激光器、采集卡连接，波分复用器通过光纤和脉冲光纤激光器、光电探测器连接，脉冲光纤激光器发出的入射光经过波分复用器输出到传感光纤，传感光纤将带有矿井设备温度变化信息的背向散射光返回到波分复用器，波分复用器再从背向散射光中提取反斯托克斯和斯托克斯两束散射光，并抑制住较强的瑞利散射光及其他非线性散射光；光电探测器通过导线和采集卡连接，这两束光经过光电探测器将光信号变为放大的电信号；然后采集卡将电信号采集并通过PCI总线连接到PC机上进行显示、分析处理。

2.如权利要求1所述的分布式光纤测温系统，其特征是光电探测器包括光电转换电路和放大电路，光电转换电路包括雪崩光电二极管APD，增强型伪高电子迁移率晶体管Q1、Q2，电容C3、C4、C5、C7、C8，电阻R3、R4、R5、R9、R10，电感L1、L2；放大电路包括运算放大器IC，控制开关DIS，电阻R6、R7、R8，电容C6；波分复用器分离出带有温度信息的反斯托克斯和斯托克斯拉曼背向散射光VH+经过雪崩光电二极管APD变成电流信号，VH+与APD的负极连接；Q1，Q2和C3、C4、C5、C7、C8、R3、R4、R5、R9、R10、L1、L2构成互导放大器，电流信号经过这个系统变成电压信号，APD正极与Q1栅极连接，Q1漏极与Q2栅极、R9的一端连接，R9的另一端与Q2漏极同时接+5V电源，C7与R10并联的一端与APD正极连接，另一端与R3、C8一端连接，C8另一端接地，R3另一端与Q2源极连接，L1与L2并联接到Q1源极，另一端同时接地，C3与R4并联一端接到Q2源极，另一端同时接地，C4与C5并联接到Q2源极，另一端接到运算放大器IC的引脚3上，R5一端接到IC引脚3上，另一端接地；放大电路中IC和R6、R7、R8、C6构成宽带运算放大器，IC引脚2接-5V电源，引脚1与引脚4通过R7连接到一起，引脚6接+5V电源，引脚4通过R6接地，引脚5接DIS控制开关，R8一端接运算放大器IC引脚1，另一端接输出端OUT，并通过C6接地。

3.如权利要求1所述的分布式光纤测温系统，其特征是传感光纤选用高非线性光纤。

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