CN116183056A - 一种基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统，涉及分布式光纤传感技术领域。包括激光发射模块、传感光缆、双向耦合模块、波分复用模块、光电雪崩二极管、放大器模块、信号采集模块、数据存储模块，信号处理模块、数据显示及报警模块。该在线监测及预警系统通过分布式光纤传感技术实时监测电缆的温度变化，当电缆温度过高时及时发出报警并准确定位，实现电缆运行状态的实时在线监测及预警，从而在火灾事故发生的初期准确判断电缆异常点，做到防患于未然，避免事故的发生。
Description
技术领域
本发明涉及分布式光纤传感技术领域，特别是涉及一种基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统。
背景技术
电缆火灾是非常严重的事故。电缆传输电流过载、电缆接头处阻抗大、绝缘皮老化等原因，致使电缆表面温度升高，电缆绝缘层和保护层产生自燃，并伴随大热量的产生，随着温度进一步上升即产生烟雾，从而发展为火灾事故，造成损失。
由于电缆往往布置于地下和竖井中，特别是狭窄的电缆夹层和具有辐射危害区域，其潜在的缺陷和老化不易被人们发现，随着运行时间增加，有可能因电缆过热或短路导致火灾。常规电缆火灾消防报警系统通常局限于点的监测和事故后报警，缺乏有效的实时在线监测及预警功能。因此，本发明提供一种基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统，从而实现对电缆运行状态进行在线采集、计算、分析及处理，实现电缆运行状态的实时在线监测及预警功能。
发明内容
本发明针对常规电缆火灾消防报警系统缺乏有效的实时在线监测及预警功能的技术问题，提供一种基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统，该在线监测及预警系统通过分布式光纤传感技术实时监测电缆的温度变化，当电缆温度过高时及时发出报警并准确定位，实现电缆运行状态的实时在线监测及预警，从而在火灾事故发生的初期准确判断电缆异常点，做到防患于未然，避免事故的发生。
为此，本发明的技术方案是，一种基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统，包括激光发射模块、传感光缆、双向耦合模块、波分复用模块、光电雪崩二极管、放大器模块、信号采集模块、数据存储模块、信号处理模块、数据显示及报警模块；激光发射模块经过双向耦合模块连接传感光缆，双向耦合模块与波分复用模块连接，波分复用模块的两路分别通过光电雪崩二极管和放大器模块连接信号采集模块，信号采集模块与信号处理模块连接，信号处理模块根据传感光缆的测温方法中的计算公式获取传感光缆中连续的温度分布数据，获取的传感光缆的温度分布数据通过数据存储模块进行保存，然后经过数据显示及报警模块实现可视化的视图展示、多级报警及历史数据查询。
优选地，激光发射模块用于向传感光缆发射用以检测的光脉冲信号，激光发射模块包括激光二极管LD芯片和驱动电路板；双向耦合模块用于将传感光缆中的激光和介质模式中的电信号实现耦合，从而实现信号传输；波分复用模块用于斯托克斯光和反斯托克斯光的分离。
优选地，传感光缆用于绑扎在待测电缆上，传感光缆与待测电缆紧密接触，根据激光发射模块发出的光脉冲信号的拉曼散射光以准确地获得被测电缆上各点的温度情况。
优选地，传感光缆的测温方法是，利用传感光缆作为温度信息传导介质，向传感光缆中发射一个光脉冲后，传感光缆中的每一个单独的点都将后向散射一小部分光，这一后向散射光包含有斯托克斯光和反斯托克斯光，斯托克斯光与温度无关，而反斯托克斯光的强度随温度的变化而变化，由反斯托克斯光与斯托克斯光之比和温度的定量关系，可得温度值T：
式中：h为普朗克常数；K为玻尔兹曼常数；IS为斯托克斯光强度；IAS为反斯托克斯光强度；f0为伴随光的频率；△f为拉曼光频率增量；
利用入射光和后向散射光之间的时间差△ti和传感光缆内的光传播速度ck，可以计算不同散射点距入射端的距离Xi，因而可以得到传感光缆沿程连续的温度分布，Xi可按下式计算:
式中:ck为光纤中的光传播速度；△ti为后向散射延迟时间。
优选地，信号采集模块在传感光缆中每间隔0.5米获取一个温度采样数据。
优选地，基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统，选用的传感光缆的结构由外至内包括聚乙烯护套、钢塑复合带、松套管、光纤传感器和纤膏，聚乙烯护套中设有若干加强筋，钢塑复合带与松套管之间设有阻水层。
优选地，基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统，其传感光缆的温度数据的采集流程如下：信号采集模块的通道一和通道二分别连接斯托克斯和反斯托克斯信号，信号处理模块的FPGA被触发后，其内部状态机开始运行，并对ADC进行时序控制和数据读取；当状态机处于空闲状态时，第一个触发脉冲到来后，状态机启动ADC初始化流程并发送相关命令给ADC芯片，ADC芯片初始化后开始采集输入信号，并将采集数据存储到FPCA片内RAM中，RAM包括RAM1和RAM2，其中RAM1和RAM2分别存放通道一和通道二的数据；对ADC采集数据进行时序补偿，经过时序补偿后数据再累加存储，当FPGA完成65536次累加平均后，RAM1和RAM2的数据存放的是累加平均结果，此时将发送中断信号给ARM，然后ARM通过其同步只读存储器控制总线读取该累加平均结果当RAM1和RAM2中的数据读取完毕后，ARM再将数据上传至数据显示及报警模块。
本发明的有益效果是，该在线监测及预警系统可以精确量测光纤沿线各点的温度，信息密度大；可以及时发现故障位置，数据可靠；通过分布式光纤传感技术实时监测电缆的温度变化，当电缆温度过高时及时发出报警并准确定位，实现电缆运行状态的实时在线监测及预警，从而在火灾事故发生的初期准确判断电缆异常点，做到防患于未然，避免事故的发生；施工方便，性价比高；光纤能抗电磁干扰和辐射，使用寿命长。
附图说明
图1是本发明基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统的示意图；
图2是本发明传感光缆的温度数据采集流程图；
图3是本发明电缆温度分布曲线图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本发明的描述中，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件所必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，应当理解，为了便于描述，附图中所示出的各个部件的尺寸并不按照实际的比例关系绘制，例如某些层的厚度或宽度可以相对于其他层有所夸大。
应注意的是，相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义或说明，则在随后的附图的说明中将不需要再对其进行进一步的具体讨论和描述。
实施例1、
如图1是本发明基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统的示意图，图1中显示了该在线监测及预警系统的组成模块。
本发明提供一种基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统，其包括激光发射模块、传感光缆、双向耦合模块、波分复用模块、光电雪崩二极管、放大器模块、信号采集模块、数据存储模块、信号处理模块、数据显示及报警模块。
激光发射模块用于向传感光缆发射用以检测的光脉冲信号，激光发射模块包括激光二极管LD芯片和驱动电路板，LD芯片响应于电驱动信号发射检测激光，驱动电路板向LD芯片提供电驱动信号。
传感光缆用于绑扎在待测电缆上，传感光缆与待测电缆紧密接触，根据激光发射模块发出的光脉冲信号的拉曼散射光以准确地获得被测电缆上各点的温度情况。传感光缆的测温方法是，利用传感光缆作为温度信息传导介质，向传感光缆中发射一个光脉冲后。传感光缆中的每一个单独的点都将后向散射一小部分光，这一后向散射光包含有斯托克斯光(Stokes)和反斯托克斯光(AntiStokes)。其中，斯托克斯光与温度无关，而反斯托克斯光的强度随温度的变化而变化，由反斯托克斯光与斯托克斯光之比和温度的定量关系，可得温度值T：
式中：h为普朗克常数；K为玻尔兹曼常数；IS为斯托克斯光强度；IAS为反斯托克斯光强度；f0为伴随光的频率；△f为拉曼光频率增量。
利用入射光和后向散射光之间的时间差△ti和传感光缆内的光传播速度ck，可以计算不同散射点距入射端的距离Xi，因而可以得到传感光缆沿程连续的温度分布。Xi可按下式计算:
式中:ck为光纤中的光传播速度；△ti为后向散射延迟时间。
双向耦合模块，双向耦合模块用于将传感光缆中的激光和介质模式中的电信号实现耦合，从而实现信号传输。具体而言，就是将传感光缆中的光学信号通过双向耦合器实现间接耦合，这样就可以将传感光缆传输的信号转变成电信号，然后进行后续处理，实现信号的有效传输。
在双向耦合器中，输入级是发光二极管，输出级是光敏双向管，在导通时，流过的双向电流达100毫安，压降小于3伏，导通时最小维持电流为100微安。在截止时，其阻断电压为直流250伏，当维持电流小于100微安时，双向管从导通变为截止。当阻断电压大于250伏，或发光二极管发光时，则双向管导通。为了降低双向耦合器的误触发率，在耦合器的输出端加阻容吸收电路。
激光发射模块经过双向耦合模块连接传感光缆，双向耦合模块与波分复用模块连接，波分复用模块用于斯托克斯光(Stokes)和反斯托克斯光(AntiStokes)的分离，波分复用模块的两路分别通过光电雪崩二极管和放大器模块连接信号采集模块，信号采集模块与信号处理模块连接，信号采集模块在传感光缆中每间隔0.5米获取一个温度采样数据。信号处理模块根据传感光缆的测温方法中的计算公式获取传感光缆中连续的温度分布数据。获取的传感光缆的温度分布数据通过数据存储模块进行保存，然后经过数据显示及报警模块实现可视化的视图展示、多级报警及历史数据查询。
信号采集模块和信号处理模块分别部署于两台PC机上，通过TCP/IP协议完成通信。信号处理模块通过与信号采集处理卡通信，读取卡状态、Stokes数据、AntiStokes数据和环境温度等数据，通过运算，计算出传感光缆上各采样点的温度数据，将各采样点的温度数据发送到数据显示及报警模块，产生各报警信息，显示图形界面。
基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统，从被监控区域逐点实时采集温度值，形成实时数据库。还包括实时数据显示模块，实时显示从当前区域采集到的温度分布曲线；可视化视图模块：根据客户需要，将探测光缆路由和监控区域一一映射，直观显示报警位置；多种多级报警模块：提供定温、温升速率、区域温差三种报警方式，报警阈值可按要求多级设置；分区设置报警模块：被监控区域可按要求划分为多个分区，每个分区独立设置报警阈值，实现差异化监控；历史数据显示模块：用户可通过数据库查询区域某时间段的温度曲线，统计某点的历史温度变化趋势；曲线动态播放模块：用户可动态播放某时段的温度数据，直观显示整段温度曲线的变化趋势；Web显示查询模块：用户利用IE浏览器可远程连接系统，实时查询温度和报警信息，方便快捷；远程监控诊断和维修模块:通过因特网可实现对现场设备的远程监控、诊断和维修等。
实施例2
一种基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统，选用的传感光缆的结构由外至内包括聚乙烯护套、钢塑复合带、松套管、光纤传感器和纤膏，聚乙烯护套中设有若干加强筋，钢塑复合带与松套管之间设有阻水层。光纤传感器内核直径为62.5μm，光纤传感器涂覆层厚度为125μm，传感器测温范围为-40°C-120°C。
传感光缆即为测温元件，传输和感温合一，即能快速传递快递热量，又可有效保护光缆内部的光纤，适合各个应用行业的需要，这种光缆具有优良的光学特性、抗拉强度大、抗腐蚀性、高防水、无金属介质等优点，耐压性能好，可靠性高，工作寿命长。
实施例3
图2是本发明传感光缆的温度数据采集流程图，显示了温度数据采集的流程。
本发明提供一种基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统，其传感光缆的温度数据的采集流程如下：信号采集模块的通道一和通道二分别连接斯托克斯和反斯托克斯信号，信号处理模块的FPGA被触发后，其内部状态机开始运行，并对ADC进行时序控制和数据读取。其中，状态机由状态寄存器和组合逻辑电路构成，是数据采集处理的中枢，其工作原理是根据控制信号的变化跳转到预先设定的状态。
当状态机处于空闲状态时，第一个触发脉冲到来后，状态机启动ADC初始化流程并发送相关命令给ADC芯片。ADC芯片初始化后开始采集输入信号，并将采集数据存储到FPCA片内RAM中，RAM包括RAM1和RAM2，其中RAM1和RAM2分别存放通道一和通道二的数据。由于ADC芯片采用流水线技术采样其有效数据输出比实际信号输人延后6.5个时钟周期，故状态机需要对ADC采集数据进行时序补偿。
经过时序补偿后数据再累加存储，当FPGA完成65536次累加平均后，RAM1和RAM2的数据存放的是累加平均结果，65536次累加平均为信号处理模块的最大累加次数，由选择的信号处理模块的参数决定,其内部定时器的最大计数是65536。
此时将发送中断信号给ARM，然后ARM通过其同步只读存储器控制总线读取该累加平均结果，当RAM1和RAM2中的数据读取完毕后。ARM再将数据通过网络以100M/s的速度上传至数据显示及报警模块。
实施例4
图3是本发明电缆温度分布曲线图，较完整地显示了1km电缆沿途温度分布情况。
从图中可以清楚地看到，当时整条电缆两端温度低，是电缆在室内部分；中间有若干个低谷，是电缆通过厂区交通线及厂房之间的走道部分，这些部位电缆置于水泥路面以下，温度较低，约为31°C-36°C；其余处于电缆槽沟内，由于日照的影响，致使温度升高至42°C-45°C。由图中可见，离起点约300m附近有温度高峰，该处有一个接头，其温度明显偏高，表明该接头质量并不理想，存在一定问题，需引起关注。
一种基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统，可以连续的获得沿传感光缆几十公里的测量信息，误报和漏报率大大降低，同时实现实时监测及预警。高电磁环境中可以正常的工作，传感光缆的光纤本身是由石英材料组成的，完全的电绝缘；同时光纤传感器的信号是以光纤为载体的，本征安全，不受任何外界电磁环境的干扰。在强振动环境下也不会导致其受到撞伤、磨损等机械破坏，另外也不会影响传感光缆本身特性及监测的准确性；测量精度高，在恶劣工作环境仍然可以进行准确测量；系统非常简单，安装维护方便；光纤传感器由于完全的电绝缘，本身不通电，可以抵抗高电压和高电流的冲击。使用光纤传感器可以大大降低营运成本。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统，其特征是，包括激光发射模块、传感光缆、双向耦合模块、波分复用模块、光电雪崩二极管、放大器模块、信号采集模块、数据存储模块、信号处理模块、数据显示及报警模块；所述激光发射模块经过双向耦合模块连接传感光缆，所述双向耦合模块与波分复用模块连接，所述波分复用模块的两路分别通过光电雪崩二极管和放大器模块连接信号采集模块，所述信号采集模块与信号处理模块连接，所述信号处理模块根据传感光缆的测温方法中的计算公式获取传感光缆中连续的温度分布数据，获取的传感光缆的温度分布数据通过数据存储模块进行保存，然后经过数据显示及报警模块实现可视化的视图展示、多级报警及历史数据查询。
2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统，其特征是，所述激光发射模块用于向传感光缆发射用以检测的光脉冲信号，所述激光发射模块包括激光二极管LD芯片和驱动电路板；所述双向耦合模块用于将传感光缆中的激光和介质模式中的电信号实现耦合，从而实现信号传输；所述波分复用模块用于斯托克斯光和反斯托克斯光的分离。
3.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统，其特征是，所述传感光缆用于绑扎在待测电缆上，所述传感光缆与待测电缆紧密接触，根据所述激光发射模块发出的光脉冲信号的拉曼散射光以准确地获得被测电缆上各点的温度情况。
4.根据权利要求3所述的一种基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统，其特征是，所述传感光缆的测温方法是，利用传感光缆作为温度信息传导介质，向所述传感光缆中发射一个光脉冲后，所述传感光缆中的每一个单独的点都将后向散射一小部分光，这一后向散射光包含有斯托克斯光和反斯托克斯光，所述斯托克斯光与温度无关，所述反斯托克斯光的强度随温度的变化而变化，由反斯托克斯光与斯托克斯光之比和温度的定量关系，可得温度值T：
式中：h为普朗克常数；K为玻尔兹曼常数；IS为斯托克斯光强度；IAS为反斯托克斯光强度；f0为伴随光的频率；△f为拉曼光频率增量；
利用入射光和后向散射光之间的时间差△ti和所述传感光缆内的光传播速度ck，可以计算不同散射点距入射端的距离Xi，因而可以得到所述传感光缆沿程连续的温度分布，Xi可按下式计算:
式中:ck为光纤中的光传播速度；△ti为后向散射延迟时间。
5.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统，其特征是，所述信号采集模块在传感光缆中每间隔0.5米获取一个温度采样数据。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统，其特征是，所述在线监测及预警系统使用的传感光缆的结构由外至内包括聚乙烯护套、钢塑复合带、松套管、光纤传感器和纤膏，聚乙烯护套中设有若干加强筋，钢塑复合带与松套管之间设有阻水层。
7.根据权利要求6所述的一种基于分布式光纤传输的在线监测及预警系统，其特征是，所述传感光缆的温度数据的采集流程如下：所述信号采集模块的通道一和通道二分别连接斯托克斯和反斯托克斯信号，所述信号处理模块的FPGA被触发后，其内部状态机开始运行，并对ADC进行时序控制和数据读取；当状态机处于空闲状态时，第一个触发脉冲到来后，状态机启动ADC初始化流程并发送相关命令给ADC芯片，ADC芯片初始化后开始采集输入信号，并将采集数据存储到FPCA片内RAM中，RAM包括RAM1和RAM2，其中RAM1和RAM2分别存放通道一和通道二的数据；对ADC采集数据进行时序补偿，经过时序补偿后数据再累加存储，当FPGA完成65536次累加平均后，RAM1和RAM2的数据存放的是累加平均结果，此时将发送中断信号给ARM，然后ARM通过其同步只读存储器控制总线读取该累加平均结果，当RAM1和RAM2中的数据读取完毕后，ARM再将数据上传至所述数据显示及报警模块。
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