分布式光纤温度传感器的设计

３．２ 信号发生器实现
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《 现场总线技术应用 ２００ 例》
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传感器与仪器仪表
本 系 统 的 信 号 发 生 器 由 单 片 机 控 制 ＡＤ９８５９ 组 个 系 统 时 钟 的 上 升 沿 对 应 是 下 一 个 通 信 周 期 的 指 令
背向散射光经过滤波器分离出带有温度信息的 反斯托克斯喇曼背向散射光， 再将分离出的信号送到
李殊骁：副教授
光电雪崩二极管（ ＡＰＤ１） 这是喇曼通道， 而系统的另一
项目基金： 国家产业技术成果转化基金， 财建［２００５］５５４ 号 路信号是由 ＬＤ 激光源送出， 不经过滤波器， 直接进入
《 Ｐ ＬＣ 技术应用 ２００ 例》
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传感器与仪器仪表
中 文 核 心 期 刊《 微 计 算 机 信 息 》（ 测 控 自 动 化 ）２００６ 年 第 ２２ 卷 第 １１－１ 期
光电雪崩二极管（ ＡＰＤ２） ， 这二个通道的背向散射光经 各自的 ＡＰＤ 进到光电转换后， 再由各自放大器对信号 进 行 放 大 ； 信 号 采 集 卡 （ ＤＳＰ） 采 集 由 二 个 放 大 器 传 送 过来的放大后的电信号， 从测量到的激光功率波形和 反斯托克斯喇曼反射信号波形分别计算其振幅和相 位， 并构造相应于反斯托克斯喇曼反射信号的频域响 应函数， 进行相应计算， 然后生成二路信号， 一路送给 单片机， 确定下一次应该传送的信号频率， 另一路送 到计算机， 计算机对采集到的数据进行处理， 最后得 到温度的空间分布并以图形或表格形式显示出来。
术
１ 引言
在众多光纤传感技术中分布式光纤传感器技术 是目前国内外关注的新热点， 它利用了光纤中喇曼散
２ 装置和原理
创
分布式光纤温度传感器的结构如图 １ 所示， 可以
新 分 为 主 机 、信 号 采 集 和 信 号 处 理 以 及 传 感 光 纤 三 个 部
射 的 温 度 效 应 和 光 学 时 域 反 射 （ Ｏｐｔｉｃａｌ ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ 分 ， 主 机 部 分 由 光 源 、光 纤 波 分 复 用 系 统 以 及 光 电 接
信号发生器的组成见图 ３。
４ 结论
反 射 光 纤 温 度 传 感 器 的 研 制 过 程 中 ， 利 用 直 接 数 字 合 成 芯 片 ＡＤ９８５９ 作 信 号 源 ， 通 过 测 量 激 光 功 率 波 形 和 反 斯 托 克 斯 喇 曼
反 射 信 号 波 形 的 振 幅 和 相 位 ， 经 过 优 化 设 计 ， 在 ６ＫＭ 的 系 统 中 空 间 分 辨 率 达 到 了 １ 米 。
成 。 为 适 应 系 统 高 速 度 的 要 求 ， 单 片 机 采 用 ＰＨＩＬＩＰＳ 字。ＡＤ９８５９ 的电流输出最大只有 １５ｍＡ， 所以需要进
公 司 的 Ｐ８９Ｃ６６９。 该 单 片 机 的 内 核 是 一 种 加 速 的 行电流放大后再送入 ＬＤ 激光源。
８０Ｃ５１ 结 构 ， 指 令 执 行 速 度 ２ 倍 于 标 准 的 ８０Ｃ５１ 器 件 ， ２４ＭＨｚ 的 ＣＰＵ 时 钟 ， 一 个 非 易 失 性 的 Ｆｌａｓｈ 程 序 存储器， 可用于并行编程以及串行在系统编程和在 应用中编程。
可以实现长距离、大范围、高密度的监测， 系统 具有无
信号采集和处理部分由数据采集器和计算机及
可比拟的性价比。
相关软件构成。
分布式光纤传感器的工作机理很多， 喇曼散射、 布 里 渊 散 射 、光 克 尔 效 应 等 ， 这 些 机 理 都 有 各 自 的 优 缺点， 目前只有喇曼散射型分布式光纤温度传感器 得 到 应 用 。分 布 光 纤 温 度 传 感 器 的 传 感 光 纤 不 带 电 ， 抗 射 频 和 电 磁 干 扰 、防 燃 、抗 腐 蚀 、耐 高 压 电 、耐 电 磁 辐射等。由于分布光纤温度传感器具有这些独特的 优点， 目前得到了越来越广泛的应用。如： 电力电缆 的温度检测和热保护； 煤矿和隧道的温度检测和报 警 系 统 ； 大 型 变 压 器 、发 电 机 组 的 温 度 分 布 测 量 、热 保护诊断等。
（１．广东水利电力学院；２．吉林师范学院；３．吉林光大公司）李 殊 骁 １ 郝 赤 ２ 徐 福 峰 ３
Ｌｉ，Ｓ ｈｕｘｉａｏ Ｈａｏ ，Ｃｈｉ Ｘｕ ，Ｆｕｆｅｎｇ
摘要：分 布 光 纤 温 度 传 感 器 是 一 种 比 较 新 型 的 传 感 器 系 统 ， 它 可 以 实 时 测 量 空 间 温 度 场 的 分 布 。在 对 功 率 调 制 型 光 频 域 喇 曼
Байду номын сангаас
技
术
创
图 １ 分布光纤温度传感器结构图
新
ＬＤ 激光二极管输出调制频率为 ｖｍ 的调制激光功
率 Ｐ０（ ｔ， ｖｍ） ， 其平均功率为 Ｐ０，
３ 波形产生
３．１ 直接数字合成原理 ＤＤＳ 是接数字频率合成的简称 （ 即 Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅ）。直接数字频率合成芯片技术是 近 １０ 年 来 随 着 微 电 子 技 术 的 发 展 而 发 展 起 来 的 。 ＤＤＳ 最 基 本 的 理 论 依 据 是 采 样 定 理 ， 即 奈 奎 斯 特 定 理： 对于 任 意 一 个 带 宽 为 Ｆ 的 连 续 信 号 ｆ （ｔ） ， 可 以 用 一系列离散的取样值 ｆ （ｔ±Ｔ）， ｆ （ｔ±２Ｔ），… 来表示。只要 取样点的时间间隔 Ｔ 小于 １／２Ｆ ， 这样的表示就是完整 的， 包含了连续信号 ｆ（ｔ）的全部信息。ＤＤＳ 主要有五部 分 组 成 ： 相 位 累 加 器 、正 弦 查 询 表 、数 模 转 换 器 、低 通 滤 波 器 和 参 考 时 钟 。系 统 的 核 心 是 相 位 累 加 器，主 要 完 成以频率控制字为增量的正弦表查询地址的生成， 其 中参考时钟是一个高稳定的晶体振荡器， 其输出信号 用于提供 ＤＤＳ 中各个部件同步工作。 ３．２ ＡＤ９８５９ 的结构 系统信号发生 器采用 ａｎａｌｏｇ 公司 ２００４ 年推出的 一款最高输出频率可达 ２００ＭＨｚ 的 ＡＤ９８５９，它是采用 先进的直接数字频率合成（ 简称 ＤＤＳ， 即 Ｄｉｒｅｃｔ Ｄｉｇｉｔａｌ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｙｎｔｈｅｓｉｚｅ） 开发的高集成度器件。
点， 它最显著的特点还在于网络化传感方式， 即把传 组成。
感光纤或光纤传感器回路沿作用场（ 压力、温度、应 变
（ ３） 光电接收放大模块： 由带尾 纤和前置放 大器
等） 分布排列， 并采用独特的探测技术， 对回路场上 的 的光电雪崩二极管（ ＡＰＤ） 以及高增益， 宽带、低噪声的
空间分布和随时间变化的信息进行测量和监控， 因而 放大器组成。
ｒｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ ， ＯＴＤＲ） 技术， 可以实时测量空间温度 场 收和放大模块组成。
的分布。
（ １） 光源由 ＤＤＳ 直接合成数字芯片 ＡＤ９８５９ 产生
分布式光纤温度传感器系统的信号通道和传感 调制信号。
器全部用光纤实现， 因而具有光纤传感器的所有特
（ ２） 光纤波分复用系统： 由双向 耦合器和滤 波器
该信号的一部分被 ＡＰＤ２ 接收， 其余激光通过双 向耦合器后注入长度为 Ｌ 的单模感温光纤， 经过双向 耦合器 的回波通道， 反 斯托克斯 喇 曼 反 射 信 号 Ｐａ（ ｔ， ｖｍ） ， 被滤波器提取后进入 ＡＰＤ２，
其中 ｎ 是光纤的折射率， ｃ 是光 速 Ｃａ 是一个常 数 因子， Ｓａ（ Ｔ， ｌ） 是光纤的反斯托克斯喇曼强度的空间分 布因子， 与温度和何光纤损耗的空间分布有关的因 子。在频域反射技术中， 直接测量量是不同调制频率 下的激光功率波形 Ｐ０（ ｔ， ｖｍ） 和反斯托克斯喇曼反射信 号波形 Ｐａ（ ｔ， ｖｍ） 。
分布光纤温度传感器的工作过程为： 单片机接收 （ 数据采集卡 ＤＳＰ） 的信号， 确认需 要输出的载 波信号 频率， 然后向直接数字合成器（ ＤＤＳ） 发送指令， 直接数 字合成器接收该指令后， 输出对应频率的正弦波信 号， 信号经过 ＬＤ 激光器后得到调制激光， 该激光信号 分 为 两 路 ， 一 路 直 接 输 入 雪 崩 二 极 管 ＡＤＤ２ ， 另 一 路 经耦合器后进入传感光纤， 即为激光沿测温光纤向前 传播的通道。同时耦合器还有一路回波， 即反斯托克 斯喇曼背向散射光回波通道。
本分布式光纤传感器的关键在于， 在有限的频率 采样间隔下， 模拟的空间分布因子能够再现实际空间 分布因子的轮廓， 需要的直接测量量是不同调制频率 下的激光功率波形和反斯托克斯喇曼反射信号波形。
图 ２ ＡＤ９８５９ 结构框图
ＡＤ９８５９ 内部结构框图如图 ２ 所示， 它有一个 ３２ 位相位累加器， 其频率控制字 由一个 ３２ 位的 频率控 制寄存器提供。一个相位偏移器， 它将相位累加器的 输出与 １４ 位相位偏移寄存器的 输出相加， 构 成 １９ 位 的相位 地址， 去寻址 余弦表， 余 弦 函 数 存 贮 在 ＲＯＭ 中， 寻址得到的幅度值与 １０ 位振幅比例因 子合成后， 送给高速 Ｄ／Ａ 转换器成为需要输出的余弦信号。引脚 ＳＹＮＣ＿ＣＬＫ 时 钟 输 出 ， 用 于 外 部 设 备 同 步 ； Ｉ／Ｏ ＵＰ－ ＤＡＴＥ 是存贮器数据更新信号， 上升沿有效， 将缓冲器 内 容 传 送 到 Ｉ／Ｏ 存 贮 器 中 ； Ｉ／Ｏ ＰＯＲＴ 包 括 三 个 引 脚 ， ０ＳＤＯ、ＳＤＩＯ 和 ＳＣＬＫ， 用于同步串行通信。ＡＤ９８５９ 支 持二种串行通信模式： 二线数据传输方式和三线数据 传输方式。系统使用二线数据传输时， ＳＤＩＯ 做为双向 数据引脚。使用三线数据传输时， ＳＤＩＯ 作为数据输入 引脚， ＳＤＯ 作为数据输出引脚。ＳＣＬＫ 为 Ｉ／Ｏ 操作的连 续数据时钟。
您的论文得到两院院士关注 文章编号：１００８－ ０５７０（２００６）１１－ １－ ０１７９－ ０３