分布式光纤传感温度报警系统

分布式光纤传感温度报警系统Ξ
张在宣　郭　宁　余向东　吴孝彪
(中国计量学院光电子技术研究所,杭州310034)
摘　要　研制了一种由分布光纤温度传感器系统组成的新型在线自动温度检测、报警系统,它是一种特殊的光纤通信网络,也是一种光纤雷达。

文中讨论了系统的工作原理、调制与解调原理,系统的组成结构和系统的报警特性。

在一根2km光纤上可采集一千个温度信息并能进行空间定位,是一种理想的温度报警系统。

关键词　分布光纤温度传感器　光时域反射技术　温度报警系统
一、前　言
分布式光纤温度传感器系统实质上是分布光纤喇曼(Raman)光子传感器(DOFRPS)系统,它是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场的光纤传感系统。

在系统中光纤既是传输媒体又是传感媒体,利用光纤背向喇曼散射的温度效应,光纤所处空间各点的温度场调制了光纤中的背向喇曼散射的强度,即反斯托克斯(stokes)背向喇曼散射光的强度),经波分复用器和光电检测器采集了带有温度信息的背向喇曼散射光电信号,再经信号处理系统解调后,将温度信息实时从噪声中提取出来并进行显示,它是一种典型的光纤通信网络;在时域里,利用光纤中光波的传播速度和背向光回波的时间间隔,利用光纤的光时域反射(O TDR)技术对所测温度点定位,它是一种典型的光雷达系统。

分布光纤传感系统中的传感光纤不带电,抗射频和电磁干扰,防燃、防爆、抗腐蚀、耐高电压和强电磁场、耐电离辐射,能在有害环境中安全运行,系统具有自标定、自校准和自检测功能;即使在光纤受损时不仅可继续工作,而且可检测出断点位置。

在一根2km光纤上可采集一千个温度信息并能进行空间定位,由于分布光纤传感系统的优越特性,已经开始应用于火灾自动温度报警系统。

分布光纤温度传感器的主要用途:
11用于煤矿、隧道的温度自动报警控制系统;
21油库、油轮,危险品仓库,大型货轮,军火库等温度自动报警控制系统;
31高层建筑、智能大厦、桥梁、高速公路等在线动态检测和火灾防治及报警;
41各种大、中型变压器,发电机组的温度分布测量,热保护和故障诊断;
51地下和架空高压电力电缆的热检测与监控;
61火力发电所的配管温度、供热系统的管道、输油管道的热点检测和故障诊断;化工原料、照相材料及油料生产过程在线动态检测;
71作为一种典型的机敏结构用于航空、航天飞行器在线动态检测和机器人的神经网络系统。

分布光纤温度传感系统是一种光机电和计算机一体化的高科技,世界上有英国、日本、瑞士和我国研制生产,英国、日本等应用于大型变压器、发电机组热保护和保障诊断,日本、瑞士和我国开始应用于火灾自动报警控制系统。

分布光纤温度传感器系统可显示温度的传播方向、速度和受热面积。

可将报警区域的
42计量技术　20001№2Ξ国家首批产学研工程项目资助
平面结构图和光缆布线图事先输入计算机,可自动或手动显示温度报警区域或故障区域,实时显示。

二、工作原理[1、2、3]
DOFRPS系统主要依据光纤光时域反射(O TDR)原理和光纤背向自发喇曼散射的温度效应。

11光纤光时域反射(O TDR)原理
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,会产生瑞利(Rayleigh)散射,入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t,激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L,2L=V・t,V为光在光纤中传播的速度,V=(C/n),C为真空中的光速,n为光纤的折射率。

在t时刻测量到的是离光纤入射端距离为L处局域的背向瑞利散射光。

用O TDR技术,可以确定光纤处的损耗,光纤故障点、断点的位置,对测量点进行定位,因此也可称为光纤光雷达。

光纤应力、压力传感器是依据光纤的微弯和宏弯效应而造成光纤损耗而制作的,经过定标后,通过局域处光纤损耗的测量,来确定应力和压力。

21光纤背向自发喇曼散射的温度效应[2]
当激光脉冲在光纤中传输时,除了产生瑞利散射、布里渊(Brillouin)散射外,还产生自发的喇曼散射,在频域里,喇曼散射光子分为斯托克斯和反斯托克斯喇曼散射光子,自发的喇曼散射光子强度,特别是反斯托克斯喇曼散射光子强度依赖于光纤的温度状态,经过理论计算[3],在0～120°C温度范围内,平均温度灵敏度力11065%/K。

三、系统的组成及结构
11系统的组成
系统由主机和温度传感器组成。

(1)主机的组成
1)激光组件:由带尾纤MOCVD In G aAsP 高功率脉冲半导体激光器(出纤功率>500mW)和激光器驱动电源组成。

2)光纤波分复用器:由1×3双向光纤耦合器(BDC)和波分复用器系统(多光束干涉型高隔离度光学滤光片)组成。

3)光电接收、放大组件:由带尾纤、带前放的光雪崩二级管(APD)和高增益、宽带、低噪声主放大器组成。

4)信号处理系统:由双通道高速瞬态(50MHz)信号采集处理卡和信号处理软件组成。

5)光纤和光纤绕组温度传感器和光纤应力、压力传感器。

(2)温度传感器
温度传感器是指线性分布光纤温度传感器和分布光纤绕组温度传感器。

1)线性分布光纤温度传感器
是在裸光纤外层包以塑料护套,以防外界硬物对光纤的损伤。

护套外粘有变色不干胶,当达到显示报警温度点时,相应的护套处的变色不干胶将由浅色变为红色,利于判断热点的位置。

2)分布光纤绕组温度传感器
是将带有阻燃塑料护套的光纤绕在塑料骨架上,外有防碰保护罩和热敏显色指示,组成一种变色显示温度报警点的点型温度传感器。

21系统的结构
系统的结构框图如图。

31温度处理和图形显示软件
温度处理和图形显示软件是预装在计算机内的,显示器能显示系统主菜单,根据使用要求选择工作菜单,确定采样速率、触发电平、采样次数、工作模式(单次测量或连续测量)、显示类型和绘图类型等。

在主菜单上选择显示时,可选择光时域反射曲线信号显示、温度显示、升温速率显示等,能显示光纤上各点温度信号电平值、温度值、升温速率。

在主菜单上选择绘图时,可选择光时域反射曲线绘图、温度分布图、升温速率分布图。

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计量技术　20001№2
若将光纤平面布线图预先输入计算机,则可在图形上直接显示温度的变化。

图　分布光纤温度传感器系统的结构
可将2km光纤按检测需要分成若干个分区,根据分区的情况设置温度和升温速率报警电平;当某个位置达到和超过该电平时,系统发出声、光报警信号,打印机能自动纪录报警点位置及年、月、日、时、分、秒。

备有RS232计算机输出接口,便于联机,输出信号。

四、结　果
中国计量学院光电子技术研究所在实施国家首批产学研工程项目过程中,研制成功F GC-W1分布光纤温度传感器系统,1994年7月正式通过鉴定,鉴定结论为:“F GC-W1系统是国内首次正式鉴定的光机电和计算机一体化的分布光纤温度传感系统的样机,综合指标优于国内文献报导的同类系统,并相当于国外当前技术水平,在光纤喇曼光谱测温技术的理论分析和系统的总体结构和系统可靠性分析上具有自己的特色。

”
系统的主要特性如下:
11测温范围:0℃～120℃(可扩展);
21测温不确定度:±2℃
31温度分辨力:011℃
41空间分辨力:自由展开光纤<8m;
光纤探头<5cm;
51采样速率(空间采样距离):50MHz (2m);
61测量时间:(16k次)<40s;
71光纤长度:2km(1000个采样点);
81系统动态范围:20dB
近年来,走产学研相结合的道路,与企业合作完成了模块化的产业样机,并向长波段、长距离、多功能分布光纤喇曼光子传感器系统拓展。

1997年11月F GC-W2系列分布光纤传感器系统在上海展览,获上海市第四届科技博览会金奖。

现正与企业合作批量生产2km 分布光纤传感型温度报警系统。

最近,应用于煤矿火灾自动报警系统用的近红外长波段1550nm、长距离10km多功能分布光纤传感器系统已研制成功并交付使用。

参考文献
[1]张在宣等1激光拉曼型分布光纤温度传感器系统1光学
学报,1995,15(11):1585-1589
[2]张在宣等1光纤背向激光自发拉曼散射的温度效应研究1
光子学报,1996,25(3):273-278
[3]张在宣等1DOFRPS系统的温度灵敏度1光学仪器11997,
19(4-5):70-73
[4]张在宣等1分布光纤喇曼光子传感器系统的一种解调方
法1光子学报1998,27(5):467-471
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