分布式光纤测温系统分析

分布式光纤测温系统

一、兴安矿现状

兴安矿井煤系地层厚1120米，有煤层41个，其中可采和局部可采煤层23个，煤层总厚度为75.99米，2006年10月26日黑龙江省煤田地质研究所对兴安矿煤层自然倾向性分类和自然发火期核定说明：11、12、17-1、17-2、18、21、22、27、30号层9个煤层属容易自然发火煤层。

各煤层自然发火期：11 号层自然发火期：4个月；17-1号层、17-2号层自然发火期： 8个月；18号层自然发火期：6个月；21号层自然发火期： 10 个月、12、27、30号煤层自然发火期12个月属自然发火煤层， 23、24、28、33等煤层自然发火期12 个月以上，属不易自然发火煤层。

由于煤层自燃发火期短，在对煤层自然发火潜伏期温度的变化进行观测时发现现有的观测技术落后。

二、强化温度观测技术

兴安矿煤层自燃发火的预测预报工作主要以人工观测采空区后部钻孔为主，这种方法在技术上限制了观测的连续性和准确性，为改变现有的观测技术，兴安矿引进了山东微感光电子有限公司研发的分布式光纤测温监测预报系统。

三、分布式光纤测温监测预报系统原理及系统软硬件设备

1、原理

分布式光纤测温监测预报系统采用分布式光纤测温技术，该技术

为拉曼散射和光时域反射技术，可以实现温度和距离的测定。

拉曼散射是依据光在光纤中传播过程中，产生后向拉曼散射光谱的温度效应。当入射的光量子与光纤物质分子产生碰撞时，产生弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞时，光量子和物质分子之间没有能量交换，光量子的频率不发生任何改变，表现为瑞利散射光保持与入射光相同的波长；在非弹性碰撞时，发生能量交换，光量子可以释放或吸收声子，表现为产生一个波长较长的斯托克斯光和一个波长较短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受温度影响比较敏感，系统采用以斯托克斯光通道作为参考通道，反斯托克斯光通道作为信号通道，有两者的比值可以消除光源信号波动、光纤弯曲等非温度因素，实现对温度信息的采集，光纤测温的原理是依据后向拉曼（Raman ）散射效应。

图3-1 激光散射光谱分析

光时域反射技术（即OTDR 原理）是对空间分布的温度实现空间测量的理论基础。激光脉冲在光纤中传输时，在时域里，入射光经过背向散射返回到光纤入射端所需时间为t ，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L ，有：

2L V t =⋅ (3-1)

C

V n = (3-2)

V 为光在光纤中传输速度；C 为真空中的光速；n 为光纤折射率。

图3-2 光纤后向散射原理示意图

2、系统软硬件设备

分布式光纤测温系统集光纤通讯、光纤传感、信号解调、报警控制等功能于一体。系统可分为五大组成部分：光信号发射模块、光信号接收模块、光波分复用模块、DSP 数据处理模块以及定标控温模块。系统利用半导体激光器产生窄脉宽光脉冲信号进入光纤，经过光波分复用装置，将产生的拉曼散射光耦合至光电探测模块，由于受温度影响的反斯托克斯光信号很弱，采用双路微信号光电探测APD 以及信号放大电路进行光信号和电信号之间的转换，将转换后相应的电压值经DSP 高速处理芯片进行数据采集以及初步解调。 )]ln()([ln 1100

0T T R hcv k T T --= (3-3) 其中，k 为玻尔兹曼常数，h 为普朗克常数；c 为真空中的光速；k 为波尔兹曼常数；V0为入射光频度；T 为绝对温度。

由上式可以看出，要得知光纤所处环境的实时温度T ，必须知道T 0，所以系统中引入一段定标光纤，对于固定的温度（控温模块定标温度）有： )]ln(4)([ln 1000s

a T R hcv k T λλ+-= (3-4)

所以有以上各式可以看出，温度信息T 只是与光纤固定参数以及定标温度有关的量。

对温度测量点的空间定位是通过光时域反射（OTDR ）技术实现的，当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生后向散射。入射光经过光纤中散射点返回到光纤入射端所需时间为t ，则光纤中散射点与光纤入射端的距离L （如图3-6所示）为：

2

V t L ⋅= (3-5) c V n

= (3-6) 式中，V 为光在光纤中传输速度；c 为真空中的光速；n 为光纤折射率。因此利用光时域反射技术可以确定沿光纤温度场中每个温度采集点的位置及异常温度点、光纤故障点、断点的距离定位信息。

图3-3 分布式光纤测温原理图

图3-4 矿用分布式温度检测仪

（1）仪器的研制及集成

仪器由矿用光纤分布式温度监测装置、工控机、显示器及矿用感温光缆组成。系统主机实现光信号发生、背向散射信号的光谱分析、光电转换、信号放大和信号处理的功能，采用电源和数据总线的模块化结构，包含以下A、B模块：

A、开关电源模块:把交流220V电源转换为直流电源。

B、模拟电源模块:产生供光电探测器和放大器用的高精度直流电源。

光电转换和放大器模块:内置高速高增益光电探测器和放大器、光电探测器的温度监测和控制部件。其功能是把输入的光信号转换为电信号，并放大到适当的电压水平。

模数转换与数字信号处理模块:内置高性能单片机、高速模数转换器和数字信号处理器。其功能是把输入的模拟电信号转换为数字信号，并根据上位机的命令换算为原始数据、温度数据或背景数据。

激光二极管和控制模块:内置高功率半导体激光器及其驱动电路、光电探测器的温度监测和控制电路。其功能是实现光信号的发生

和光电探测器的闭环程序温度控制。

光纤器件模块:内置光纤滤波器和定标光纤段。光纤滤波器的功能是从背散射光信号中提取与温度有关的感温信号和与温度无关的参考信号；定标光纤段的长度在100米左右，其温度由内置精密测温芯片实时监测，通过定标光纤段测量到的温度与测温芯片测量的温度的比较，来消除系统光源起伏、光电探测器及放大器增益的起伏的影响。

光开关模块（适用于感温光纤路数大于1的机型）：内置光开关，在多条感温光纤之间巡回切换，实现一台主机监测多路感温光纤。（2）仪器测试

通过试验测试，进行光纤和仪器通道的温度校正，得到拟合参数用于校准感温光纤对实际温度的响应。

在感温光纤中取出6米（选取整段光缆的前端位置），将此段光缆盘成圈；缠绕半径尽量大并且正好可以放入恒温槽水域内。在恒温水槽出水口处接上胶管，打开存液容器的盖子，往槽内加入工作介质（0~100℃用水作为工作介质,0℃以下用酒精作为工作介质）。插上恒温槽电源，开启“电源”和“循环”开关，将温度设定到指定温度放入之前盘好的待测光缆待温度稳定；

在测温范围内，平均选择范围内至少6个温度点，将恒温水域控制在这几个恒温点处稳定一段时间，记录下此时温度计的实际值以及软件的测量值。记录软件测量值时，取温度峰值最高点为测量值。

将把上面的记录的温度数据和实际温度逐一记录输入EXCEL表