分布式光纖溫度測量及數(shù)據(jù)處理技術研究.pdf

1、分布式光纖傳感技術是利用光纖的相關物理特性對被測量場的空間和時間行為進行實時監(jiān)測的技術。光纖傳感器作為一種測量新技術，利用光波導原理，具有損耗低、頻帶寬、線徑細、重量輕、可撓性好、抗電磁干擾、耐化學腐蝕、原料豐富、制造過程能耗少、節(jié)約大量有色金屬等突出優(yōu)點，近年來逐漸擴大應用范圍和應用領域。在光電子技術、計算機技術和微電子技術的發(fā)展帶動下，分布式光纖傳感技術迅速發(fā)展，從理論研究走向產(chǎn)品化，解決了很多使用傳統(tǒng)傳感器難以解決的問題，也是傳感

2、領域研究的一個熱點。分布式光纖溫度傳感器的光纖即是傳輸介質(zhì)，又是傳感介質(zhì)，可實現(xiàn)沿光纖連續(xù)分布的溫度場的分布式測量，測試用光纖的跨距可達幾十千米，空間分辨率高，誤差小，與單點或多點準分布測量相比具有較高的性能價格比，以其獨特的技術優(yōu)勢廣泛應用于工業(yè)、國防、航空航天、交通運輸和日常生活等各個領域。 本論文對基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感及其數(shù)據(jù)處理技術進行了系統(tǒng)而深入的研究，通過對長距離皮帶傳輸線工作特性進行分析及試驗，設計分布

3、式光纖溫度傳感系統(tǒng)并應用于長距離皮帶傳輸線的實際溫度檢測和火災報警中。主要工作有以下幾個方面： 1．基于散射的光纖傳感技術所涉及的基礎理論的研究。利用傳統(tǒng)光學和量子力學理論，對光在光纖中的傳輸特性進行了分析，研究了光纖傳感中的影響因素，獲得了受溫度調(diào)制的反斯托克斯光強的關系。為得到沿光纖分布的溫度場信息，采用光時域反射技術和對溫度不敏感的斯托克斯曲線求解反斯托克斯曲線，實現(xiàn)分布式光纖溫度測量。 2．從長距離皮帶傳輸線的實

4、際溫度檢測應用角度探討了基于拉曼散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)的設計并完成實用的虛擬儀器設計。設計中采用了先進的計算機軟硬件和數(shù)據(jù)庫技術，使系統(tǒng)滿足實際工程測量要求，在實際皮帶傳輸線溫度檢測中測試應用良好，為工程應用和生產(chǎn)化提供基礎。 3．深入探討了分布式光纖溫度傳感中測量距離、空間分辨率、測溫精度和測量時間等幾者的關系及其影響因素。有別于其它溫度傳感技術，在分布式溫度傳感測量中這些因素是互相關聯(lián)的，不能孤立的談論某一參數(shù)，對系統(tǒng)整體

5、的性能評估用品質(zhì)因數(shù)來描述。 4．由于測量的反斯托克斯信號和斯托克斯信號非常微弱，完全淹沒在噪聲中。需要采用微弱信號處理技術。而且數(shù)據(jù)處理技術的性能對測量指標有重要的影響，在整個分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)中具有重要地位，是系統(tǒng)設計中的重要一環(huán)。通過對各種新的信號處理技術進行研究，提出了一種基于高精度A／D轉(zhuǎn)換器完成的信號處理方案。 5．深入研究了Sigma Delta調(diào)制器實現(xiàn)高精度A／D轉(zhuǎn)換的原理和計算方法并應用于數(shù)據(jù)采集

6、處理中，很好的解決了測量精度的問題。通過采用sigma delta調(diào)制器改進的有限周期算法和減少冗余算法，使得可以根據(jù)工程實際需要靈活調(diào)整計算精度和計算速度。 6．先進的編程技術（LabVIEW）和關系型數(shù)據(jù)庫的采用，即加快了系統(tǒng)開發(fā)的時間，又解決了實際工程應用中分布式溫度測量海量數(shù)據(jù)的管理問題。采用LabVIEW完成上層軟件設計，實現(xiàn)了虛擬儀器功能。 7．分析了皮帶傳輸線工作特點，通過實驗和現(xiàn)場測試，獲得了溫度檢測的基

7、準數(shù)據(jù)和修正方法，并在實際測量中應用獲得了良好的效果。而靈活、多樣可設置的報警方式為系統(tǒng)應用提供了有力的保證。 作為一種新的測量技術，分布式溫度傳感系統(tǒng)解決了對溫度場的分布式測量問題，特別是在具有強的電磁干擾等應用場合，具有明顯的優(yōu)點。本文的特點是理論性與實踐性并重，理論研究著重于光纖傳感技術所涉及的基本問題與共性問題以及測量的微弱信號的有效處理；系統(tǒng)設計實現(xiàn)則主要針對分布式光纖傳感系統(tǒng)在長距離皮帶傳輸線的實際溫度檢測和火災報警