CN205209651U - 一种分布式测温模块、分布式测温系统 - Google Patents

一种分布式测温模块、分布式测温系统 Download PDF

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李小彦
苗守功
杨睿
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Abstract

本实用新型提供了一种分布式测温模块、分布式测温系统，属于检测技术领域，所述分布式测温模块包括：测温光纤、标定光纤、波分复用模块、激光光源、光电探测模块、采样主板，其中，将测温光纤一端通过光纤接口和所述标定光纤连接；所述标定光纤通过波分复用模块与激光光源连接；然后,光电探测模块的两路输入端分别连接至所述波分复用模块的两路输出端，接收所述波分复用模块的输出的散射光脉冲并转换成不同功率的电信号；采样主板和所述光电探测模块的输出端连接。和现有技术相比，本实用新型公开的方案体积小，并且降低了功耗。

Description

一种分布式测温模块、分布式测温系统
技术领域
本申请涉及检测技术领域，特别是涉及一种分布式测温模块及分布式测温系统。
背景技术
利用光纤测温已经是比较成熟的技术，通常应用于需要布设多个温度传感器，并且需要实时测温的环境，例如互联网数据中心(InternetDataCenter)机房等现场。由于原始光脉冲在光纤中传输时会产生自发拉曼散射光，其中背向自发拉曼散射光中有两种波长成分，一种是相对于原始光脉冲频率下移的波长成分，叫做斯托克斯光，另一种是相对于原始光脉冲频率上移的波长成分，叫做反斯托克斯光，其中反斯托克斯光的功率受光纤温度的影响较大，而斯托克斯光的功率受光纤温度的影响较小。所以，实际应用中，通过采集反斯托克斯光作为信号光，斯托克斯光作为参考光，并根据信号光和参考光的光功率计算产生散射光产生的位置的温度。
现有技术中利用光纤测量温度的分布式测温模块采用工控机，外接显示器构成，现有技术的光纤测温模块至少存在以下缺陷：工控机体积大、功耗高。
实用新型内容
本申请所要解决的技术问题是提供一种分布式测温模块，解决现有技术中的测温模块体积大、功耗高的问题。
为了解决上述问题，本申请公开了一种分布式测温模块，包括：测温光纤、标定光纤、波分复用模块、激光光源、光电探测模块、采样主板，其中，
所述测温光纤一端通过光纤接口和所述标定光纤连接；
所述标定光纤通过波分复用模块与激光光源连接；
所述光电探测模块的两路输入端分别连接至所述波分复用模块的两路输出端，接收所述波分复用模块的输出的散射光脉冲并转换成不同功率的电信号；
所述采样主板和所述光电探测模块的输出端连接。
在本申请的一个实施例中,所述采样主板进一步包括：AD转换器、FPGA硬核处理系统，其中，
所述AD转换器将接收的散射光脉冲对应的电信号转换成数字电信号；
所述FPGA硬核处理系统接收所述数字电信号，生成待测温现场的温度数据。
在本申请的一个实施例中,所述采样主板进一步包括：信号调理模块，所述信号调理模块设置在所述光电探测模块和所述AD转换器之间。
前述实施例中,所述FPGA硬核处理系统进一步包括：FPGA芯片、基于ARM的硬核处理器系统，其中，所述FPGA芯片和所述基于ARM的硬核处理器系统通过AXI总线桥接。
在本申请的一个实施例中,所述分布式测温模块还包括：铂电阻测温模块，所述铂电阻测温模块的传感器与所述标定光纤固定贴合；所述铂电阻测温模块的输出端与所述基于ARM的硬核处理器系统连接。
在本申请的一个实施例中,所述分布式测温模块还包括：显示器，所述显示器通过VGA接口耦接至所述基于ARM的硬核处理器系统。
进一步地，所述激光光源采用5V供电的脉冲光源。
进一步地，所述AD转换器为双通道高速AD转换器。
进一步地，所述FPGA硬核处理系统为CycloneVSoC芯片。
相应地,本申请还公开了一种分布式测温系统，包括如前述实施例所述的分布式测温模块。
与现有技术相比，本实用新型的分布式测温模块通过采用以下结构:将测温光纤一端通过光纤接口和所述标定光纤连接；所述标定光纤通过波分复用模块与激光光源连接；然后,光电探测模块的两路输入端分别连接至所述波分复用模块的两路输出端，接收所述波分复用模块的输出的散射光脉冲并转换成不同功率的电信号；采样主板和所述光电探测模块的输出端连接，具有以下优点：减小了分布式测温模块的体积，并且降低了功耗。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请的一个实施例的分布式测温模块结构示意图；
图2是本申请采样主板一具体实施例的结构示意图；
图3是本申请采样主板另一具体实施例的结构示意图；
图4是本申请的另一个实施例的分布式测温模块结构示意图；
图5是本申请的再一个实施例的分布式测温模块结构示意图。
具体实施方式
为使本申请的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本申请的具体实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参照图1，图1示出了本申请一种分布式测温模块结构的示意图。
如图1所示，所述分布式测温模块包括：测温光纤10、标定光纤20、波分复用模块30、激光光源40、光电探测模块50、采样主板60，其中，
所述测温光纤10一端通过光纤接口和所述标定光纤20连接；
所述标定光纤20通过波分复用模块30与激光光源40连接，用于传输所述激光光源40发射的光脉冲，以及背向传输的散射光脉冲；
所述光电探测模块50至少包括两路输入，分别连接至所述波分复用模块30的两路输出端，接收所述波分复用模块30输出的散射光脉冲并转换成不同功率的电信号；
所述采样主板60连接至所述光电探测模块50的输出端，采集所述光电探测模块50输出的散射光脉冲对应的电信号，并进行累加、解调处理，获得测量的温度数据。
所述测温光纤10布设在测温现场，根据具体测温需求采用光纤绕环或者梳状敷设。激光光源40用于发射原始光脉冲，激光光源40发射的原始光脉冲依次经过波分复用模块30、标定光纤20，通过光纤接口进入测温光纤10。具体实施时，激光光源40可以采用5V供电的脉冲光源，其输出脉冲的脉冲宽度为10ns，峰值功率20W可调，重复频率30KHz可调。
波分复用模块30，用于将所述激光光源40发射的原始光脉冲输入所述标定光纤20，并依次沿所述标定光纤20和所述测温光纤10传输；所述测温光纤10的不同位置的温度不同，会产生不同功率的散射光，依次沿测温光纤10、标定光纤20背向传输至所述波分复用模块30。测温光纤10中散射的光脉冲中包括受光纤温度的影响较大的脉冲光(即反斯托克斯光)，和受光纤温度的影响较小的脉冲光(即斯托克斯光)。本申请采用受光纤温度的影响较大的脉冲光作为信号光，受光纤温度的影响较小的脉冲光作为参考光，来进行温度测量。所述波分复用模块30还用于采集沿所述测温光纤10和所述标定光纤20散射的信号光和参考光。具体实施时，所述波分复用模块30可以采用光波分复用器实现。
光电探测模块50连接于光波分复用模块30和采样主板60之间，至少具备两路输入和两路输出，用于将光波分复用模块30输出的所述信号光和参考光分别转换成电信号发送给所述采样主板60。例如：所述光电探测模块50将标定光纤20和测温光纤10中同时散射的斯托克斯光转换成电信号Vs，反斯托克斯光转换成电信号Vas，输出至所述采样主板60的分别采集这两路电信号的采集通道，在采样主板60中完成电信号的多次累加、平均计算，并解调得到温度数据。具体实施时，所述光电探测模块50可以采用多路光电转换器实现。
在本申请的一个具体实施例中，如图2所示，所述采样主板60进一步包括：AD(Analog-Digital模拟-数字)转换器601、FPGA(Field－ProgrammableGateArray)硬核处理系统602，其中，所述AD转换器601将接收的散射光脉冲对应的电信号转换数字电信号；所述FPGA硬核处理系统602接收所述数字电信号，并进行累加、解调处理，生成待测温现场的温度数据。
光电探测模块50对测温光纤10和标定光纤20的散射光脉冲进行转换，得到光脉冲对应的电信号；所述AD转换器601对光电探测模块50输出的电信号进行采集，并转换成数字信号。具体实施时，为了适应多点采样，优选地，所述AD转换器为高速、双通道、低功率AD转换器，如：高速AD转换器LTC2283-12。所述高速AD转换器的采样速度快，可以测量测温光纤上的多个采样点的温度，测量精度越高。
所述FPGA硬核处理系统602进一步包括：FPGA芯片6021、基于ARM的硬核处理器系统6022，其中，所述FPGA芯片6021和所述基于ARM的硬核处理器系统6022通过AXI(AdvancedeXtensibleInterface)总线桥接宽带系统紧密链接。FPGA(Field－ProgrammableGateArray)硬核处理系统602，采用在FPGA架构中集成了基于ARM的硬核处理器系统(HPS)的架构，包括处理器、外设和存储器接口。CycloneVSoCFPGA在一个基于ARM的用户可定制芯片系统(SoC)中集成了分立处理器、FPGA和数字信号处理(DSP)功能，帮助您降低了系统功耗、系统成本，减小了电路板面积，提高了系统性能。优选地，所述FPGA硬核处理系统6022为CycloneVSoCFPGA芯片。其中，基于ARM的硬核处理器系统HPS和FPGA独立工作，它们通过高性能ARMAMBA(AdvancedMicrocontrollerBusArchitecture)，AXITM总线桥接宽带系统互联紧密链接。FPGA架构中的IP总线主机能够通过FPGA至HPS互联访问HPS总线从机。相似的，HPS总线主机能够通过HPS至FPGA桥接访问FPGA架构中的总线从机。所有桥接兼容AMBAAXI-3，支持同时读写操作。6个FPGA主机可以和处理器共享HPSSDRAM控制器。
本申请通过设置光波分复用模块30分别采集用于测量温度的信号光和参考光，并输出至光电探测模块50；然后，采样主板60接收光电探测模块50转换得到的光纤中的散射光脉冲对应的电信号，并进行累加、解调处理，获得测量的温度数据。采样主板60基于FPGA硬核处理系统实现，使得本申请的分布式测温模块体积更小，并且功耗低。
基于前述实施例，本申请的又一优选实施例中，所述采样主板60进一步包括：信号调理模块603，如图3所示。所述信号调理模块603设置在所述光电探测模块50和所述AD转换器601之间，其中，所述信号调理模块603的输入端与所述光电探测模块50的输出端连接，对所述光电探测模块50输出的散射光脉冲对应的电信号进行差分处理；所述AD转换器601将接收的所述信号调理模块603差分处理后输出的散射光脉冲对应的电信号转换数字电信号。具体实施时，所述信号调理模块603可以采用差分放大器实现，也可以采用放大电路和差分电路串联实现，本申请对此不做限定。
通过在AD转换器601之前设置信号调理模块603，对信号进行差分处理，可以有效地去除噪声，放大有用信号，提高信号采集的准确度。
基于前述实施例，本申请的再一优选实施例中，所述分布式测温模块，还包括：铂电阻测温模块70，如图4所示。所述铂电阻测温模块70的传感器探头与标定光纤20固定贴合，用于测量标定光纤20的温度。铂电阻测温模块70的输出和采样主板60的输入接口连接，用于将采集的标定光纤20的温度值发送给所述采样主板60。具体实施时，铂电阻测温模块60可以采用铂电阻传感器，其输出通过串行接口和基于ARM的硬核处理器系统(HPS)中的ARM芯片连接。
基于前述实施例，本申请的再一优选实施例中，所述分布式测温模块，还包括：显示器80，如图5所示。所述显示器80与所述采样主板60耦接，接收待测温现场的温度数据，并显示。具体实施时，所述显示器80通过VGA(VideoGraphicsArray)接口耦接至所述基于ARM处理器的HPS硬核处理系统。
所述FPGA硬核处理系统的工作过程为：所述FPGA芯片6021接收AD转换器601输出的散射光脉冲对应的电信号，并定期进行累加、平均计算后，得到某一采样点的电信号，并将一系列的电信号发送至HPS硬核处理系统6022进行解调计算。本申请的实施例中，所述光电转换模块50、AD转换器601、信号调理模块603至少具有两个采集通道，分别采集信号光的电信号和参考光的电信号。FPGA芯片对一段时间内采集的电信号进行累加、平均处理，以得到测温光纤10和标定光纤20的某一位置对应的准确的电信号，并通过AXI总线发送给HPS。HPS硬核处理系统6022根据标定光纤的温度、标定光纤的信号光和参考光的电信号、测温光纤的信号光和参考光的电信号，利用解调算法，计算得到测温光纤某一采样点的温度。其中，标定光纤的温度可以是预先设置的室内温度，也可以是接收的铂电阻测温模块发送的标定光纤的温度。
相应地，本申请还公开了一种分布式测温系统，包括前述实施例所述的测温模块，所述测温模块通过网络接口或串口和其他设备连接。此处的其他设备包括：存储器、报警器等。
本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。
以上所描述的控制模块的实施例仅仅是示意性的，本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，可以选择其他具有相同功能的器件或模块替代本申请实施例中的某一个或多个器件或模块，都应属于本实用新型保护的范畴。

Claims (10)

1.一种分布式测温模块，其特征在于，包括：测温光纤、标定光纤、波分复用模块、激光光源、光电探测模块、采样主板，其中，
所述测温光纤一端通过光纤接口和所述标定光纤连接；
所述标定光纤通过波分复用模块与激光光源连接；
所述光电探测模块的两路输入端分别连接至所述波分复用模块的两路输出端，接收所述波分复用模块的输出的散射光脉冲并转换成不同功率的电信号；
所述采样主板和所述光电探测模块的输出端连接。
2.如权利要求1所述的分布式测温模块，其特征在于，所述采样主板进一步包括：AD转换器、FPGA硬核处理系统，其中，
所述AD转换器将接收的散射光脉冲对应的电信号转换成数字电信号；
所述FPGA硬核处理系统接收所述数字电信号，生成待测温现场的温度数据。
3.如权利要求2所述的分布式测温模块，其特征在于，所述采样主板进一步包括：信号调理模块，所述信号调理模块设置在所述光电探测模块和所述AD转换器之间。
4.如权利要求2或3所述的分布式测温模块，其特征在于，所述FPGA硬核处理系统进一步包括：FPGA芯片、基于ARM的硬核处理器系统，其中，所述FPGA芯片和所述基于ARM的硬核处理器系统通过AXI总线桥接。
5.如权利要求4所述的分布式测温模块，其特征在于，还包括：铂电阻测温模块，所述铂电阻测温模块的传感器与所述标定光纤固定贴合；所述铂电阻测温模块的输出端与所述基于ARM的硬核处理器系统连接。
6.如权利要求5所述的分布式测温模块，其特征在于，还包括：显示器，所述显示器通过VGA接口耦接至所述基于ARM的硬核处理器系统。
7.如权利要求5所述的分布式测温模块，其特征在于，所述激光光源采用5V供电的脉冲光源。
8.如权利要求5所述的分布式测温模块，其特征在于，所述AD转换器为双通道高速AD转换器。
9.如权利要求5所述的分布式测温模块，其特征在于，所述FPGA硬核处理系统为CycloneVSoC芯片。
10.一种分布式测温系统，包括如权利要求1至9任意一项权利要求所述的分布式测温模块。
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