第 1 章 緒論

1.1 課題背景和意義
溫度一直是與人類生活息息相關(guān)的重要信息，從原始人類的鉆木取火，到現(xiàn)代人類社會的日常生活，都離不開溫度，而溫度的測量技術(shù)愈發(fā)凸顯它的重要性。隨著現(xiàn)代社會的高速發(fā)展，溫度信息對現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、公共區(qū)域安全、人們?nèi)粘Ｉ畹染哂性絹碓街匾淖饔�，我們對溫度測量技術(shù)的要求也越來越高[1]。尤其是電力設(shè)備運行場所的火災(zāi)預(yù)防，因為電力設(shè)備在運行過程中長期處于高壓高電流狀態(tài)下容易引起設(shè)備溫度上升而引起火災(zāi)，如果能在溫度異常上升期間及時發(fā)現(xiàn)并采取相應(yīng)措施就能避免不必要的人力以及財產(chǎn)損失。因此我們需要采用有效的實時溫度測量方法進行相應(yīng)的溫度監(jiān)測，來避免不必要的火災(zāi)發(fā)生。至今為止，溫度測量方式已經(jīng)多種多樣，尤其是傳統(tǒng)的一些溫度測量方法已經(jīng)發(fā)展的非常成熟，有接觸式和非接觸式兩種類型，比較常見的膨脹式的有水銀溫度計、有機液體溫度計等，壓力式的有液體壓力溫度計和壓力溫度計等[2]，電阻式的有鉑電阻和熱敏電阻溫度計等，熱電動勢式的有熱電偶溫度計等，它們以結(jié)構(gòu)簡單、測量方便精度高以及成本低等優(yōu)點大量應(yīng)用于社會各個方面，但這些測溫方式一般不能實現(xiàn)溫度的分布式測量，不能在高溫強電磁等場所長期穩(wěn)定運行，因此，在現(xiàn)代社會中，這些傳統(tǒng)的測溫方法受到了很大的限制。光纖傳感技術(shù)是隨著光纖通信技術(shù)的不斷進步而發(fā)展起來的，傳感光纖的材質(zhì)一般是玻璃或者塑料，光信號在傳感光纖中傳播時會與光纖材質(zhì)碰撞發(fā)生全反射，依靠此原理來實現(xiàn)信息的傳播，由于光在光纖中的全反射基本沒有損耗產(chǎn)生，因此，可以利用其原理實現(xiàn)長距離低損耗的信號傳輸[3]。光纖不僅可以作為傳輸信號的媒介，還可以作為傳感介質(zhì)測量各種物理信號。光信號在傳感光纖中傳播時，一些表示光的特征量在外界因素的影響下會發(fā)生一些變化，通過光電探測器件實現(xiàn)信號的光電轉(zhuǎn)換進而實現(xiàn)信息解調(diào)。其中光纖溫度傳感器的應(yīng)用比較廣泛，分為點式和分布式。顧名思義，點式光纖溫度傳感器實現(xiàn)單點溫度測量，例如，熱色效應(yīng)光纖溫度傳感器、吸收型光纖溫度傳感器等[4]。分布式可實現(xiàn)待測區(qū)域的多點分布式溫度測量。它們的結(jié)構(gòu)簡單，利用光纖作為傳感媒介，利用光纖的特質(zhì)可將其按任意形狀鋪設(shè)在待測區(qū)，測量距離長范圍廣，同時具有電絕緣性好，抗電磁輻射，耐腐蝕，靈敏度高等優(yōu)點[5].
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1.2 分布式光纖溫度傳感器的研究現(xiàn)狀
1970 年左右，光纖技術(shù)在多種場合得到了廣泛的利用，尤其是在通信技術(shù)方面得到了迅猛的發(fā)展，并逐漸成為不可取代的一項技術(shù)。在此期間，分布式光纖溫度傳感技術(shù)相應(yīng)發(fā)展起來。1981 年，南安普頓大學(xué)首次提出分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)[8]，此后在1983年J.P.Dakin博士提出一種基于后向拉曼散射的分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的模型，首次利用分布式光纖測溫系統(tǒng)進行測溫實驗是由英國科學(xué)家在 1985 年進行的[9]，將氬離子激光器作為光源，但由于激光器的不穩(wěn)定性實驗效果一般，同年，Harton 和Dakin 等人用半導(dǎo)體激光器代替了氬離子激光器作為光源，成功研制首臺分布式光纖溫度測量系統(tǒng)[10]。分布式光纖測溫系統(tǒng)首次推向市場在上世紀(jì)80年代末90年代初，是由英國的York公司推出的，測量距離為 2 千米。在同一時期，其它一些國家也展開了對此項技術(shù)的研究并有了一定的研究成果，比如 1990 年日本騰倉公司推出了 DFS-1000 光纖溫度傳感系統(tǒng)[11]，1996 年日本東京大學(xué)研制的分布式光纖測溫系統(tǒng)成功應(yīng)用于核工業(yè)冷卻回路的溫度監(jiān)測中[12]。德國也在同時期進行了一定的研究并取得了空間分辨率為 0.5 米的產(chǎn)品。直至近十年，在美國科學(xué)家及一些公司的帶領(lǐng)研究下，分布式光纖測溫系統(tǒng)有了較快的發(fā)展，首先由美國安捷倫公司推出的 DTS 測溫系統(tǒng)成功申請專利，測量距離最大可達(dá) 30 千米，溫度分辨率能達(dá)到 0.1 攝氏度，空間分辨率達(dá)到 1 米，并且可實現(xiàn)多通道測量，該公司利用單片機作為信號采集及處理系統(tǒng)，避免了普通 DTS 雙接收機通道的大測量誤差缺點，同時期，SensorTran 公司也針對分布式光纖測溫系統(tǒng)進行了相關(guān)的研究，這家公司研究的產(chǎn)品主要應(yīng)用在國防軍事等領(lǐng)域[13].
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第 2 章 分布式光纖測溫系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)

分布式光纖測溫方式由測溫原理可分為三種類型，分為基于瑞利散射、拉曼散射以及布利淵散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)[31]。本章節(jié)主要針對這三種測溫方法進行了原理研究及比較，得到了它們各自的優(yōu)缺點，最后根據(jù)性能的比較得出最優(yōu)溫度解調(diào)方案，除此之外，本章對光纖中的待測點進行了定位研究，從而保證了系統(tǒng)定位精度。

2.1 光纖中的散射
(1)假設(shè)光纖介質(zhì)分子分布比較均勻，且外界沒有溫度變化情況，則光信號在發(fā)生碰撞時，它的一些光特性不會發(fā)生任何改變，仍然沿著原有方向向前傳播[33]。上式表示的是散射光和入射光的性質(zhì)完全相同，這是一種理想情況，在實際中幾乎不可能發(fā)生。(2)然而光纖中的介質(zhì)分子不是均勻分布的，光信號與介質(zhì)分子發(fā)生碰撞，，勢必會產(chǎn)生散射現(xiàn)象，導(dǎo)致散射光的特性與入射光相比會發(fā)生相應(yīng)的一些變化，如果這種不均勻性與時間沒有關(guān)系，那么散射光頻率也不會發(fā)生任何變化，僅僅波矢量會發(fā)生變化[34]，將這種僅僅由于介質(zhì)分子不均勻分布產(chǎn)生的散射叫做彈性散射。(3)當(dāng)然，介質(zhì)分子的不均勻分布也可以隨時間變化而變化，在這種情況下，光信號發(fā)生散射現(xiàn)象時，它們的能量也會發(fā)生改變。此時，散射光的光功率發(fā)生了改變，也就是光的頻率發(fā)生了改變，將這種散射現(xiàn)象叫做非彈性散射[36]。
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2.2 方案比較
式(2.3)中，rK 代表的是光纖介質(zhì)中的瑞利散射系數(shù)，和溫度成正比關(guān)系；t 代表光信號初始端從開始注入進光纖介質(zhì)中Z點后，后向散射光沿原路返回到入射端所經(jīng)過的時間，t可以轉(zhuǎn)換為光纖中的位置距離；v是光在傳感光纖中的傳播速度；0I 代表的是入射光脈沖的光功率；S 代表光纖介質(zhì)中的后向散射因子系數(shù)；瑞利散射在傳輸過程中的損耗系數(shù)[38]。外界溫度的改變會影響傳感光纖的孔徑發(fā)生細(xì)微變化，在這過程中，瑞利散射系數(shù)隨之改變，根據(jù)上述描述的瑞利散射公式可以得出，瑞利散射光的光功率相應(yīng)發(fā)生變化。在普通的2SiO 傳感光纖中，光纖光纜的數(shù)值孔徑以及瑞利散射的散射系數(shù)與溫度變化的改變很小。而隨溫度變化的瑞利散射系數(shù)，如果液心光纖在溫度過高或過低時，其性能會受到較大影響，因此基于這種散射的溫度傳感系統(tǒng)的溫度測量范圍很小[39]。除此之外，瑞利散射的散射光功率受光纖的材質(zhì)影響比較大。同時光纖材質(zhì)中會含有雜質(zhì)，這些因素都會增加光纖的散射面，從而產(chǎn)生損耗，導(dǎo)致獲得的信號不精確，帶來一些錯誤的信息。
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第 3 章 系統(tǒng)總體設(shè)計及技術(shù)指標(biāo).......14
3.1 系統(tǒng)總體設(shè)計....14
3.2 光時域反射(OTDR)技術(shù).........14
3.3 系統(tǒng)解調(diào)方案的研究........15
3.4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)....17
3.5 系統(tǒng)參數(shù)及技術(shù)指標(biāo)........17
3.5.1 溫度分辨率的確定性分析....... 17
3.5.2 空間分辨率的確定性分析....... 18
3.5.3 系統(tǒng)響應(yīng)時間的確定性分析........... 20
3.6 本章小結(jié)....20
第 4 章 分布式光纖測溫各子系統(tǒng)設(shè)計.......21
4.1 系統(tǒng)工作波長的選定........21
4.2 光源子系統(tǒng)設(shè)計........24
4.2.1 脈沖發(fā)生器設(shè)計....... 25
4.2.2 光源的選擇....... 25
4.2.3 激光器的驅(qū)動電路的設(shè)計....... 26
4.3 光傳輸與分光系統(tǒng)的設(shè)計........2
94.4 光電探測電路設(shè)計....31
4.5 本章小結(jié)....36
第 5 章 實驗結(jié)果及分析.......37
5.1 系統(tǒng)實驗方案的設(shè)計........37
5.2 本章小結(jié)....41

第 5 章 實驗結(jié)果及分析

本課題針對分布式光纖測溫原理進行了一定的研究。設(shè)計了基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)，此測溫系統(tǒng)能夠測量沿一條將近 1.8 千米的傳感光纖上的任一點的溫度，同時也能實現(xiàn)沿傳感光纖的分布式溫度測量。

5.1 系統(tǒng)實驗方案的設(shè)計

由于 APD 需要直流高壓偏置電路提供 100-200V 直流電壓，因此，有必要對本系統(tǒng)設(shè)計的高壓偏置電路輸出的電壓穩(wěn)定性進行驗證。其輸出電壓信號如圖 5.1 所示。通過示波器得到的電壓波形可以輕易得出一段波動很小的直流電壓，因此其滿足本測溫系統(tǒng)中的直流偏置電壓的要求。圖中的曲線為采集到的電壓信號隨距離變化的曲線，橫坐標(biāo)代表測量距離，也可以轉(zhuǎn)換為采集信號的時間長度，縱坐標(biāo)代表經(jīng)過取整換算后采集電壓信號的大小，電壓值 1V 對應(yīng)數(shù)值 3276。溫度測量的定標(biāo)區(qū)應(yīng)該在距光纖起始端面的 100 米后，測量的初始距離應(yīng)該從這里算起。從圖中可以看出，在傳感光纖末端電壓信號存在波動且幅度比較明顯，曲線幅度變化的最高處代表溫度變化點。由于實驗器材的限制，在實驗過程中，只使用了長度為 1.8 千米的傳感光纖，從理論分析來看，傳感光纖的距離還有很大的增加空間。將測得水溫為 0 攝氏度的數(shù)據(jù)作為定溫溫度，然后分別測量 60 攝氏度和 90 攝氏度的水箱。

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結(jié)論

基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感技術(shù)具有許多獨特的優(yōu)點，包括溫度分辨率高、測溫距離長、抗強電磁干擾以及適應(yīng)于各種復(fù)雜環(huán)境。目前這項技術(shù)已成為國內(nèi)外許多國家的研究熱點，具有廣闊的應(yīng)用前景。與此同時，這種測溫系統(tǒng)在許多技術(shù)層面還有待提高，尤其在各器件的性能優(yōu)化上，還有許多實際問題需要解決。隨著科技的進步，各器件的價格也會更加廉價，從而可以實現(xiàn)性價比更高的分布式光纖傳感系統(tǒng)，最終實現(xiàn)社會中各個場合的廣泛應(yīng)用，對溫度監(jiān)測以及火災(zāi)預(yù)防起到至關(guān)重要的作用。本論文主要研究成果如下：（1）利用課題設(shè)計的分布式光纖測溫系統(tǒng)成功搭建測溫平臺并測得了準(zhǔn)確的溫度數(shù)據(jù)。測溫系統(tǒng)達(dá)到了良好的性能指標(biāo)：測溫范圍達(dá) 1.8 千米，空間分辨率為 2.5 米。（2）通過對試驗數(shù)據(jù)的處理，得到了沿光纖分布的溫度信息，為實現(xiàn)模擬待測區(qū)域的溫度場提供了準(zhǔn)確的溫度信息。（3）通過比對測量溫度與真實溫度，驗證了課題提出的溫度解調(diào)方案的可行性。通過對分布式光纖溫度傳感技術(shù)的詳細(xì)研究，本課題基本完成了系統(tǒng)設(shè)計，實現(xiàn)了沿傳感光纖上待測點的分布式測量。但溫度信息的解調(diào)還需要完善。尤其在溫度測量的距離方面還有待增加，并且本套系統(tǒng)的空間分辨率偏低，導(dǎo)致了待測區(qū)域熱流分布圖的分辨率較低。隨著科技的進步，一些相對廉價器件的性能也會越來越好，從而可以取代目前各子系統(tǒng)中昂貴的器件，可以節(jié)約成本，使分布式光纖測溫系統(tǒng)更廣泛的利用到社會各個場合。同時各器件的創(chuàng)新也會越來越多，勢必會出現(xiàn)一些性能更加優(yōu)秀的器件，從而可以使分布式光纖測溫系統(tǒng)的各項技術(shù)指標(biāo)更加精確，總而言之，分布式光纖測溫技術(shù)的發(fā)展遠(yuǎn)遠(yuǎn)沒到盡頭，應(yīng)該向著更加優(yōu)秀的方向發(fā)展。
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參考文獻(略)

本文編號：61093