CN205091068U

CN205091068U - 分布式光纤测温系统

Info

Publication number: CN205091068U
Application number: CN201520763739.8U
Authority: CN
Inventors: 苟海军; 芦清
Original assignee: Sichuan Huadian Nari Technology Co Ltd
Current assignee: SICHUAN TIANZHONGXING AVIATION SCIENCE & TECHNOLOGY CO., LTD.
Priority date: 2015-09-30
Filing date: 2015-09-30
Publication date: 2016-03-16
Anticipated expiration: 2025-09-30

Abstract

本实用新型提供分布式光纤测温系统，包括控制触发子系统、光信号采集子系统、光电转换子系统和电信号处理子系统，所述控制触发子系统内部设置有同步脉冲发生器，光信号采集子系统是由脉冲激光器、光波分复用器和传感光纤构成，光电转换子系统是由光电检测器和主放大器构成，电信号处理子系统是由高速数据采集卡和计算机构成；利用高功率脉冲光在光纤中传输时，由于光纤的折射率随机起伏以及纤芯的微观不均衡等影响会产生拉曼散射的现象，根据对背向拉曼散射光信号的测量和时域分析，来进行温度的监测和定位。

Description

分布式光纤测温系统

技术领域

本实用新型涉及光纤测温系统，尤其涉及一种分布式光纤测温系统。

背景技术

温度的测量与控制在航天、材料、能源、冶金等领域都占有极其重要的地位。分布式光纤测温是目前新兴的接触式测温手段，具有体积小、重量轻、无源检测、防电磁干扰、阻燃防爆、易于远程监测等优点。光纤测温技术在高压电力电缆、电气设备因接触不良引起的发热部位、电缆夹层、电缆通道、大型发电机定子、大型变压器、锅炉等设施的温度定点传感场合具有广泛的应用前景。通常采用带有外护套的光纤电缆可以大范围实时监测其温度，全面且高效，在异常演变成事故之前，发现并通知相关人员采取措施。

发明内容

本实用新型提供分布式光纤测温系统，利用高功率脉冲光在光纤中传输时，由于光纤的折射率随机起伏以及纤芯的微观不均衡等影响会产生拉曼散射的现象，根据对背向拉曼散射光信号的测量和时域分析，来进行温度的监测和定位。

本实用新型一种分布式光纤测温系统是通过以下技术方案来实现的：

分布式光纤测温系统，包括控制触发子系统（A）、光信号采集子系统（B）、光电转换子系统（C）和电信号处理子系统（D），所述控制触发子系统（A）内部设置有同步脉冲发生器（A1），光信号采集子系统（B）是由脉冲激光器（B1）、光波分复用器（B2）和传感光纤（B3）构成，光电转换子系统（C）是由第一光电检测器（C1）、第二光电检测器（C3）、第一主放大器（C2）和第二主放大器（C4）构成，电信号处理子系统（D）是由高速数据采集卡（D1）和计算机（D2）构成；所述计算机（D2）连接同步脉冲发生器（A1），同步脉冲发生器（A1）分别连接脉冲激光器（B1）和高速数据采集卡（D1），脉冲激光器（B1）连接光波分复用器（B2），光波分复用器（B2）连接传感光纤（B3），传感光纤（B3）向后产生散射光返回到光波分复用器（B2），经光波分复用器（B2）处理后的光分两路进入光电转换子系统（C），第一路光滤除斯托斯克光进入第一光电检测器（C1）转换成电信号，电信号经第一主放大器（C2）放大传入高速数据采集卡（D1），第二路光滤除反斯托斯克光进入第二光电检测器（C3）转换成电信号，电信号经第二主放大器（C4）放大传入高速数据采集卡（D1），高速数据采集卡（D1）分别连接计算机（D2）和同步脉冲发生器（A1）。

所述同步脉冲发生器（A1）采用FPGA处理器，由FPGA处理器产生具有一定宽度和重复频率的脉冲波。

所述光波分复用器（B2）集成薄膜干涉滤光片，用于滤除斯托克斯光和反斯托克斯光。

所述第一光电检测器（C1）和第一光电检测器（C3）采用雪崩二极管作为光电转换器件，雪崩二极管的信噪比很低，并且具有内部增益；偏置电压的调整可以保证最佳雪崩增益的恒定，所述雪崩二极管的偏置电路采用集成芯片ADL6317。

主放大器的前置放大器应该是具有一定放大倍数、噪声低，并具有大的动态范围和低输出阻抗等特性，所述第一主放大器（C2）和第二主放大器（C4）是由前置放大器和带通滤波器构成，前置放大器连接带通滤波器，用于放大电信号，滤除信号中噪声，提高信噪比。

本实用新型具有的有益效果：

1、以光信号作为载体，光纤为媒质，光纤的纤芯材料为二氧化硅，因此，本系统具有耐腐蚀、抗电磁干扰、防雷击等特点，属本质安全；

2、光纤本身轻细纤柔，光纤的体积小、重量轻，不仅便于布设安装，而且对埋设部位的材料性能和力学参数影响甚小，能实现无损埋设；

3、灵敏度高，可靠性好，使用寿命长；

4、可以准确地测出光纤沿线任一点的温度量，信息量大，成果直观。

附图说明

以下结合附图所示实施例的具体实施方式，对本实用新型的上述内容再作进一步的详细说明。

图1为本实用新型的系统结构图。

图中标记：控制触发子系统-A、同步脉冲发生器-A1、光信号采集子系统-B、脉冲激光器-B1、光波分复用器-B2、传感光纤-B3、光电转换子系统-C、第一光电检测器-C1、第一主放大器-C2、第二光电检测器-C3、第二主放大器-C4、电信号处理子系统-D、高速数据采集卡-D1和计算机-D2。

具体实施方式

如图1所示，光纤测温系统分为四个子系统：控制触发子系统A、光信号采集子系统B、光电转换子系统C和电信号处理子系统D，如图1所示。控制触发子系统A是同步脉冲发生器A1，采用FPGA产生具有一定宽度和重复频率的脉冲；光信号采集子系统B主要由脉冲激光器B1、光波分复用器B2和传感光纤B3构成。脉冲激光器B1需要产生脉宽较窄且功率较大的脉冲，光波分复用器B2集成了薄膜干涉滤光片，能滤除斯托斯克它和反斯托克斯这种量特定波长的光；光电转换子系统C是由第一光电检测器C1和第一主放大器C2构成，把微弱的光信号转换成适合数据采集的电压信号。光电检测器C1采用具有内部增益的雪崩二极管，主放大器C2由多级构成，具有高增益，低噪声，宽带宽的特点；电信号处理子系统D由数据采集卡B2和计算机D2构成，数据采集卡D1具有较高的数据采集速度和采集位数。

计算机D2控制同步脉冲发生器A1产生具有一定重复频率的脉冲，这个脉冲一方面调制脉冲激光器B1，使之产生一系列大功率光脉冲，同时向告诉数据采集卡D1提供同步脉冲，进入数据采集状态。光脉冲经过光波分复用器B2的一个端口进入到传感光纤B3，并在光纤各点处产生向后散射光，返回到光波分复用器B2。向后散射光通过薄膜干涉滤光片分别滤除斯托克斯光和反斯托克斯光，经光波分复用器B2的另外两个端口输出，分别进入到光电检测器C1和主放大器C2中进行光电转换和放大，将信号放大到数据采集卡D1能够有效的采集范围上。此时，数据采集卡D1将传感光纤各点散射回来的光电信号进行累加和平均等数据处理。最终由计算机D2通过编译好的软件进行温度调节和显示。

光电检测是整个系统是否实现的关键，微弱向后散射信号转换为计算机即可处理的电信号，并有效的优化信噪比都在于如何选择合适的光电检测器件。光电检测的方法有很多种，本系统采用光电探测器C1来实现微弱信号的光电转换，系统中选择雪崩二极管作为关键光电转换器件。

雪崩二极管的信噪比很低，而雪崩二极管又是具有内部增益的器件，在对信号的放大的同时也相应地增加了噪声的的强度，雪崩二极管光电检测器的总信噪比主要由电阻和放大器决定而不是由散粒噪声决定的，除非光信号很强且负载电阻很大，另外，偏置电压的调整可以保证最佳雪崩增益的恒定。在本系统中采用专用的集成芯片ADL6317作为雪崩二极管的偏置电路。

经光电检测器C1输出的光电流是十分微弱的，必须将该电信号通过多级放大器进行放大。放大器本身的电阻将引入热噪声，放大器中的晶体管将引入散粒噪声。并且，在一个多级放大中，后以及放大器会把前一级放大器输出的信号和噪声同样放大，因此，主放大器的前置放大器应该是具有一定放大倍数、噪声低，并具有大的动态范围和低输出阻抗等特性。主放大器中需要带通滤波器对信号进行滤波，除去游泳的信号频带意外的噪声，包括环境噪声及由前置放大器引入的噪声，进一步提高信噪比。

光电检测输出的电压经过放大器放大后进入双通道的告诉数据采集卡D1进行数据采集，然后根据测得数据的时间序列和散射光强可以解调出所测量场的温度信息。在实际采样中，温度信号是淹没于噪声之中，为了提高系统的测温精度，一般采用累加平均的方法进行去噪。

本实用新型所举实施方式或者实施例对本发明的目的、技术方案和优点进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所举实施方式或者实施例仅为本发明的优选实施方式而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内对本发明所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.分布式光纤测温系统，包括控制触发子系统（A）、光信号采集子系统（B）、光电转换子系统（C）和电信号处理子系统（D），其特征在于：所述控制触发子系统（A）内部设置有同步脉冲发生器（A1），光信号采集子系统（B）是由脉冲激光器（B1）、光波分复用器（B2）和传感光纤（B3）构成，光电转换子系统（C）是由第一光电检测器（C1）、第二光电检测器（C3）、第一主放大器（C2）和第二主放大器（C4）构成，电信号处理子系统（D）是由高速数据采集卡（D1）和计算机（D2）构成；所述计算机（D2）连接同步脉冲发生器（A1），同步脉冲发生器（A1）分别连接脉冲激光器（B1）和高速数据采集卡（D1），脉冲激光器（B1）连接光波分复用器（B2），光波分复用器（B2）连接传感光纤（B3），传感光纤（B3）向后产生散射光返回到光波分复用器（B2），经光波分复用器（B2）处理后的光分两路进入光电转换子系统（C），第一路光滤除斯托斯克光进入第一光电检测器（C1）转换成电信号，电信号经第一主放大器（C2）放大传入高速数据采集卡（D1），第二路光滤除反斯托斯克光进入第二光电检测器（C3）转换成电信号，电信号经第二主放大器（C4）放大传入高速数据采集卡（D1），高速数据采集卡（D1）分别连接计算机（D2）和同步脉冲发生器（A1）。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤测温系统，其特征在于：所述同步脉冲发生器（A1）采用FPGA处理器。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤测温系统，其特征在于：所述光波分复用器（B2）集成薄膜干涉滤光片，用于滤除斯托克斯光和反斯托克斯光。

4.根据权利要求1所述的分布式光纤测温系统，其特征在于：所述第一光电检测器（C1）和第一光电检测器（C3）采用雪崩二极管作为光电转换器件。

5.根据权利要求4所述的分布式光纤测温系统，其特征在于：所述雪崩二极管的偏置电路采用集成芯片ADL6317。

6.根据权利要求1所述的分布式光纤测温系统，其特征在于：所述第一主放大器（C2）和第二主放大器（C4）是由前置放大器和带通滤波器构成，前置放大器连接带通滤波器，用于放大电信号，滤除信号中噪声，提高信噪比。