CN205120269U - 边坡分布式光纤测温系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种边坡分布式光纤测温系统，其特征在于，包括：分布式光纤测温系统、传感光纤和上位机；所述分布式光纤测温系统包括：控制板、脉冲半导体激光器PLD、波分复用组件、定标光纤、第1光电检测器APD、第2光电检测器APD、信号放大器和采集板；所述传感光纤包括光纤跳线(1)和铠装多模光纤(2)。优点为：本实用新型在工程中将分布式光纤测温系统引入边坡温度检测，其所进行的测量是沿光纤路径的连续测量，可获得边坡纵横截面的连续监测数据，这一技术完善了边坡检测的手段，提供大量新的病害有关的参数，为保证边坡的安全提供有力的保证。另外，采用光纤分布式测温，还具有边坡测温连续、精确以及可靠性高等优点。

Description

边坡分布式光纤测温系统

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，具体涉及一种边坡分布式光纤测温系统。

背景技术

近几年来，世界各地边坡火灾事故频发，已广泛引起人们的高度重视。例如，2015年1月2日下午，G3京台高速公路1443公里处附近，衢州常山芳村出口附近的边坡上出现火情，火焰迫近柏油路面。据悉，这是此元旦假期发生在高速边坡的第3起火灾。类似事件频频发生，使得人们对边坡测温、预防灾难更加关注。

现有技术中虽然出现了少量的边坡测温系统，但是，普遍具有边坡测温不连续、不精确以及不可靠等缺点，从而导致无法对边坡温度进行有效测量，难以保证边坡安全状态。如何有效解决上述问题，是目前亟需解决的难点。

实用新型内容

针对现有技术存在的缺陷，本实用新型提供一种边坡分布式光纤测温系统，可有效解决上述问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

本实用新型提供一种边坡分布式光纤测温系统，包括：分布式光纤测温系统、传感光纤和上位机；

所述分布式光纤测温系统包括：控制板、脉冲半导体激光器PLD、波分复用组件、定标光纤、第1光电检测器APD、第2光电检测器APD、信号放大器和采集板；所述传感光纤包括光纤跳线(1)和铠装多模光纤(2)；

其中，所述控制板的输出端连接到所述脉冲半导体激光器PLD的输入端；所述脉冲半导体激光器PLD的输出端连接到所述波分复用组件的输入端；所述波分复用组件配置有三个输出端口，分别为光脉冲输出端口、斯托克斯光输出端口和反斯托克斯光输出端口；所述光脉冲输出端口通过所述定标光纤连接到所述光纤跳线(1)的一端，所述光纤跳线(1)的另一端与布置于边坡(3)的铠装多模光纤(2)的一端连接；所述斯托克斯光输出端口的输出光路布置所述第1光电检测器APD，所述反斯托克斯光输出端口的输出光路布置所述第2光电检测器APD；所述第1光电检测器APD和所述第2光电检测器APD的输出端分别连接到所述信号放大器的对应输入端口，所述信号放大器的输出端连接到所述采集板的输入端，所述采集板的输出端连接到所述上位机。

其中，所述铠装多模光纤(2)采用以下结构布置于被测温的边坡：

边坡的坡面采用加固体系进行加固，将所述铠装多模光纤(2)附着在边坡岩体表面，并每隔设定距离，采用固定件进行固定。

优选的，还包括：开关电源；所述开关电源分别与所述控制板、所述信号放大器和所述采集板的供电接口连接；所述控制板分别与所述脉冲半导体激光器PLD、所述第1光电检测器APD和所述第2光电检测器APD的供电接口连接。

优选的，还包括：总控制器；所述总控制器分别与所述控制板和所述采集板连接。

优选的，所述波分复用组件为Raman1×3波分复用组件；所述第1光电检测器APD和所述第2光电检测器APD均为含高压驱动的光电雪崩二极管；所述光纤跳线(1)为FC-APC多模光纤跳线；所述采集板为双通道采集板；所述控制板为ATMEGAAU1214型号单片机。

优选的，所述Raman1×3波分复用组件由1×3双向耦合器和多光束干涉型高隔离度的光学滤光片组成。

优选的，所述采集板的输出端通过通信接口连接到所述上位机。

优选的，所述通信接口为USB通信接口、RS-232通信接口和/或网口。

优选的，所述加固体系为：由钢筋混凝土格构梁和锚杆组成的结构体系。

优选的，在加固后的边坡上，还设置抗滑桩和挡土墙支挡结构。

本实用新型提供的边坡分布式光纤测温系统具有以下优点：

提出了用分布式光纤温度传感器监测边坡安全状况，在工程中将分布式光纤温度测量系统引入边坡检测，克服了传统测量不连续、不精确、不可靠等缺点。它所进行的测量是沿光纤路径的连续测量，可获得边坡纵横截面的连续监测数据，这一技术将完善边坡检测的手段，提供大量新的病害有关的参数，为边坡长期安全提供有力的保证。

附图说明

图1为本实用新型提供的边坡分布式光纤测温系统的结构示意图。

具体实施方式

为了使本实用新型所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

为克服传统测量技术存在的相关缺陷，本实用新型将分布式光纤测温系统应用在边坡温度的监测中，提出了采用分布式光纤温度传感器实时监测边坡安全状况，在工程中将分布式光纤测温系统引入边坡温度检测，其所进行的测量是沿光纤路径的连续测量，可获得边坡纵横截面的连续监测数据，这一技术完善了边坡检测的手段，提供大量新的病害有关的参数，为保证边坡的安全提供有力的保证。另外，采用光纤分布式测温，还具有边坡测温连续、精确以及可靠性高等优点。

具体的，结合图1，本实用新型提供一种边坡分布式光纤测温系统，包括：分布式光纤测温系统、传感光纤和上位机；

分布式光纤测温系统包括：控制板、脉冲半导体激光器PLD、波分复用组件、定标光纤、第1光电检测器APD、第2光电检测器APD、信号放大器和采集板；传感光纤包括光纤跳线1和铠装多模光纤2；

其中，控制板的输出端连接到脉冲半导体激光器PLD的输入端；脉冲半导体激光器PLD的输出端连接到波分复用组件的输入端；波分复用组件配置有三个输出端口，分别为光脉冲输出端口、斯托克斯光输出端口和反斯托克斯光输出端口；光脉冲输出端口通过定标光纤连接到光纤跳线1的一端，光纤跳线1的另一端与布置于边坡3的铠装多模光纤2的一端连接；斯托克斯光输出端口的输出光路布置第1光电检测器APD，反斯托克斯光输出端口的输出光路布置第2光电检测器APD；第1光电检测器APD和第2光电检测器APD的输出端分别连接到信号放大器的对应输入端口，信号放大器的输出端连接到采集板的输入端，采集板的输出端连接到上位机。还包括：总控制器；总控制器分别与控制板和采集板连接。

铠装多模光纤2的布设方式为：地质条件复杂的边坡，一般需要对坡面进行特殊处理，如采用钢筋混凝土格构梁和锚杆(索)组成的结构体系进行加固；采用抗滑桩和挡土墙等支挡结构。边坡工程的加固效果是决定边坡稳定的重要因素之一。传感光纤(光缆)在边坡表面布设方法具体为：间隔一定距离将光纤附着在岩体表面，并加以固定。为防止光纤受粗颗粒介质的切割而使光纤折断，需在边坡上铺设外层有保护钢丝的铠装多模光纤。

上述边坡分布式光纤测温系统的测温原理为：

由总控制器控制控制板和采集板同步工作，一方面，控制板控制脉冲半导体激光器PLD产生具有一定重复频率的脉冲并对所产生的脉冲进行调制，产生一系列大功率光脉冲；另一方面，总控制器向采集板提供同步脉冲，使其进入数据采集状态。

对于脉冲半导体激光器PLD产生的光脉冲，传输到波分复用组件，波分复用组件采用Raman1×3波分复用组件，由1×3双向耦合器和多光束干涉型高隔离度的光学滤光片组成，因此，光脉冲经过波分复用器的一个输出端口输出后、依次经过定标光纤、光纤跳线的传输后，最后传输到布置在边坡的铠装多模光纤，并在铠装多模光纤各点产生后向散射光，后向散射光传输到波分复用组件，通过波分复用组件的薄膜干涉滤光片，对后向散射光进行滤光，分别滤出斯托克斯光和反斯托克斯光；然后，斯托克斯光从波分复用组件的斯托克斯光输出端口输出，进入到第1光电检测器APD；反斯托克斯光从波分复用组件的反斯托克斯光输出端口输出，进入到第2光电检测器APD；第1光电检测器APD和第2光电检测器APD分别将检测到的光信号进行光电转换后，得到对应的电信号，并将电信号传输到信号放大器进行放大处理，将信号放大到采集板有效的采集范围。

此时，采集板将传感光纤各点散射回来的光电信号进行采集和存储，产生一条光纤温度曲线，并等待后续光脉冲产生的散射光电信号进行累加和平均等处理，最终由上位机通过编译软件进行温度解调和显示。

在上述过程中，测温原理为：分布式光纤测温系统依据光纤的光时域反射(OTDR)原理以及光纤的后向拉曼散射光(ramanscattering)温度效应，当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时，光脉冲会沿着光纤向前传播。因光纤内壁类似镜面，故光脉冲在传播中每一点都会产生反射，反射之中有一小部分的反射光，其方向正好与入射光的方向相反。这种后向反射光的强度与光纤中反射点的温度有一定的关系。反射点的温度(光纤所处的环境温度)越高，反射光的强度也越大。也就是说，后向反射光的强度可以反映出反射点的温度。利用这个现象，若能测量出后向反射光的强度，就可以计算出反射点的温度。分布式测温系统的温度解调公式为：

$\frac{1}{T}=\frac{1}{T_0}-\frac{k}{hcv}ln\frac{R\left(T\right)}{R\left(T_0\right)}$

式中，T为绝对温度，T₀为标定温度，K为玻尔兹曼常量，h为普朗克常量。

在上述结构中，还包括：开关电源；开关电源分别与控制板、信号放大器和采集板的供电接口连接；控制板分别与脉冲半导体激光器PLD、第1光电检测器APD和第2光电检测器APD的供电接口连接。也就是说，开关电源分别向控制板、信号放大器和采集板供电；而控制板分别向脉冲半导体激光器PLD、第1光电检测器APD和第2光电检测器APD供电。

下面结合说明书附图对本实用新型作进一步说明，但实施例不是对本实用新型的限定。

1、具体参数为：

1、分布式光纤测温系统的光源采用峰值为5-30W、脉冲宽度为125ns的光纤激光器模块。光源的工作电压为+5V，输出波长为1550nm。

2、光纤跳线使用FC-APC多模光纤跳线。

4、采用双通道采集、采集距离为60km、累计次数最高达到3600万次的采集板。

5、选用ATMEGAAU1214型号单片机作为控制板。

6、APD基于内光电效应工作，具有内部增益和放大功能，工作于反向偏置电压下，达到雪崩倍增状态，放大光信号。

7、测温系统与上位机之间为USB通信方式或RS-232通信方式以及网口通讯方式。

8、选用多模光纤作为测温光纤，可以传播多个模式光信号。

9、边坡布设多模光纤通过光纤跳线连接到分布式光纤测温系统，使用光纤跳线为FC-APC多模光纤跳线。

10、第1光电检测器APD和第2光电检测器APD均采用含高压驱动的光电雪崩二极管。

本实用新型提供的边坡分布式光纤测温系统，具有以下优点：

(1)提出了用分布式光纤温度传感器监测边坡安全状况，在工程中将分布式光纤温度测量系统引入边坡检测，克服了传统测量不连续、不精确、不可靠等缺点。它所进行的测量是沿光纤路径的连续测量，可获得边坡纵横截面的连续监测数据，这一技术将完善边坡检测的手段，提供大量新的病害有关的参数，为边坡长期安全提供有力的保证。

(2)分布式光纤温度传感器利用光纤作为温度信息的传感和传输介质，光纤设在整个温度场中，可以测量整条光纤沿线的温度分布情况，随着光纤的增长，测量点数的增加，单位信息的获取成本大大降低。

(3)边坡上光纤的铺设方法与铺设路径直接关系到检测质量，是需要仔细研究的内容，必须针对边坡工程结构的具体特点，设计与之相适应的布设方案，这一技术是提取有效边坡温度保证。

(4)本实用新型是对边坡健康的一种新的评价方法，通过分布式光纤温度传感器对边坡进行温度测量后，必须根据所获得的数据边坡进行评估。本实用新型将遵循边坡测量的标准和要求，掌握边坡温度随时间的变化情况。依托于已运营或在建的公路边坡工程从事研发，从分布式光纤传感网络的综合检测能力出发，来完成对边坡工程结构进行检测。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视本实用新型的保护范围。

Claims (9)

1.一种边坡分布式光纤测温系统，其特征在于，包括：分布式光纤测温系统、传感光纤和上位机；

所述分布式光纤测温系统包括：控制板、脉冲半导体激光器PLD、波分复用组件、定标光纤、第1光电检测器APD、第2光电检测器APD、信号放大器和采集板；所述传感光纤包括光纤跳线(1)和铠装多模光纤(2)；

其中，所述控制板的输出端连接到所述脉冲半导体激光器PLD的输入端；所述脉冲半导体激光器PLD的输出端连接到所述波分复用组件的输入端；所述波分复用组件配置有三个输出端口，分别为光脉冲输出端口、斯托克斯光输出端口和反斯托克斯光输出端口；所述光脉冲输出端口通过所述定标光纤连接到所述光纤跳线(1)的一端，所述光纤跳线(1)的另一端与布置于边坡(3)的铠装多模光纤(2)的一端连接；所述斯托克斯光输出端口的输出光路布置所述第1光电检测器APD，所述反斯托克斯光输出端口的输出光路布置所述第2光电检测器APD；所述第1光电检测器APD和所述第2光电检测器APD的输出端分别连接到所述信号放大器的对应输入端口，所述信号放大器的输出端连接到所述采集板的输入端，所述采集板的输出端连接到所述上位机；

其中，所述铠装多模光纤(2)采用以下结构布置于被测温的边坡：

边坡的坡面采用加固体系进行加固，将所述铠装多模光纤(2)附着在边坡岩体表面，并每隔设定距离，采用固定件进行固定。

2.根据权利要求1所述的边坡分布式光纤测温系统，其特征在于，还包括：开关电源；所述开关电源分别与所述控制板、所述信号放大器和所述采集板的供电接口连接；所述控制板分别与所述脉冲半导体激光器PLD、所述第1光电检测器APD和所述第2光电检测器APD的供电接口连接。

3.根据权利要求1所述的边坡分布式光纤测温系统，其特征在于，还包括：总控制器；所述总控制器分别与所述控制板和所述采集板连接。

4.根据权利要求1所述的边坡分布式光纤测温系统，其特征在于，所述波分复用组件为Raman1×3波分复用组件；所述第1光电检测器APD和所述第2光电检测器APD均为含高压驱动的光电雪崩二极管；所述光纤跳线(1)为FC-APC多模光纤跳线；所述采集板为双通道采集板；所述控制板为ATMEGAAU1214型号单片机。

5.根据权利要求4所述的边坡分布式光纤测温系统，其特征在于，所述Raman1×3波分复用组件由1×3双向耦合器和多光束干涉型高隔离度的光学滤光片组成。

6.根据权利要求1所述的边坡分布式光纤测温系统，其特征在于，所述采集板的输出端通过通信接口连接到所述上位机。

7.根据权利要求6所述的边坡分布式光纤测温系统，其特征在于，所述通信接口为USB通信接口、RS-232通信接口和/或网口。

8.根据权利要求1所述的边坡分布式光纤测温系统，其特征在于，所述加固体系为：由钢筋混凝土格构梁和锚杆组成的结构体系。

9.根据权利要求1所述的边坡分布式光纤测温系统，其特征在于，在加固后的边坡上，还设置抗滑桩和挡土墙支挡结构。