基于分布式光纤传感器的温度检测设计

胡 康



基于分布式光纤传感器的温度检测设计

胡 康

湖北工程学院新技术学院，湖北 孝感 432000

现代传感技术的飞速发展促进了测量与测试行业的发展，光纤传感器具有测量范围广、精度高的特点，已被应用到多个领域。基于此，主要探究了分布式光纤传感器在温度测量领域的应用，利用光纤的后向散射现象和光时域反射理论，在光纤长度范围内，以连续函数的形式测量各个点的温度。

光纤传感器；分布式；硬件设计

引言

随着嵌入式技术、现代传感技术和计算机技术的不断发展，各种新技术被应用到了工程检测领域内，功能强大、性能稳定的测量系统是未来测量与测试领域的发展方向。分布式光纤传感器以光纤作为载体，将光纤布置在测量范围内，不仅能够测量温度，还能够测量距离。分布式光纤传感器测量温度，能够获得温度随时间和空间变化的规律，并且基于嵌入式控制技术，能够设计出具有智能化和网络化的现代温度检测系统。本文通过探究分布式光纤传感器的相关理论，借助嵌入式测量系统的硬件，设计分布式光纤传感器温度测量系统[1]。

1 分布式光纤传感器相关理论

分布式光纤温度传感器主要是利用光纤沿温度场的排布，通过测量光在光纤传输时的散射光携带的温度信息，同时采用光时域反射技术，实现对光纤传输路径上温度的测量和检测。分布式光纤传感器的散射机理主要有瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。

瑞利散射是光纤纤芯密度不均匀造成了折射率不同而形成的一种弹性的散射。所以瑞利散射的光频率不会受其影响，散射光和入射光的频率相同。通过测量沿着光轴方向返回的背向瑞利散射光功率，可以得到沿着光纤方向传输的损耗信息，从而检测外界信号在分布式光纤上的扰动信息，例如应变、抖动和断点等。瑞利散射能够对温度进行测量，但是受到的影响因素众多。散射稀疏对温度的灵敏度太低，导致检测的灵敏度不高[2]。

布里渊散射的原理基于光在介质中受到各种元激发的非弹性散射，其频率的变化能够表征元激发的能量。频率的变化和散射方向与介质内的声速特性有关。环境温度变化时，光的折射率和声速都会发生变化，通过频率的移动就可以检测温度的变化。分布式布里渊测温方法测量精度高、范围大，但是光纤在温度变化时会热胀冷缩，给温度的测量带来影响。

拉曼散射是入射光与分子运行相互作用产生的频率变化造成的。通过在光纤中注入窄脉冲，传感光纤敷设在有待测量的温度场内，窄脉冲在光纤传输过程中会发生非线性效应，产生拉曼散射。拉曼散射会产生斯托克斯和反斯托克斯两种光。反斯托克斯光受温度的影响加大，斯托克斯光受温度的影响小。通过测量两种光纤的光强比，就可以计算温度信息。本文采用拉曼散射原理作为测量温度的理论。

2 分布式光纤测温系统设计

分布式光纤温度传感系统主要包括光学部分和信号处理及采集装置。光学部分采用了两个分光器、两个定向耦合器和两个激光发射器及激光器驱动的设计；信号采集及处理部分采由光电转换器、放大器及数据采集模块组成。整个分布式光纤测温系统的系统框图如图1所示。

图1 分布式光纤温度测量系统框图

采用该系统进行温度测量时，首先由计算机控制激光器发射出测量所需的激光。激光经过定向耦合器进入到传感器光纤中，传感器光纤的温度就是需要测量的环境温度。不同的温度会引起不同的拉曼散射，产生斯托克斯和反斯托克斯光，散射光传输回定向耦合器后，采集相关的参数，通过计算可得需要测量的环境温度[3]。

3 温度测量系统硬件组成

分布式温度测量系统的光学部分硬件主要包括激光器、分光器和光电转换电路。激光器采用的是FLDM系列多模光纤耦合半导体激光器FLDM-915-10000T，激光器类型为FP型，光谱宽度2 nm。分光器的任务是分离出斯托克斯光和反斯托克斯光。其中，斯托克斯滤光片891 nm，反斯托克斯滤光片826 nm。光电转换电路选用的是光电倍增管和雪崩光电二极管。雪崩光电二极管具有小型化、不需要高压电源等优势。

数据采集和信号处理硬件包括系统电源、系统时钟、A/D转换、外部存储器以及接口电路。系统电源采用+5 V电压供电，通过芯片转换为+5 V、+3.3 V、+1.5 V、+1.2 V、-1 V等多种电源。稳定的系统时钟是DSP和FPGA等高精准工作的保证。系统时钟通过外部晶体振荡器产生，分别由两块晶振完成，即16 MHz用于DSP的外部时钟，50 MHz的FPGA外部时钟和A/D转换的时钟由FPGA倍频获得。A/D转换是将采集的光电模拟信号转变为数字信号，芯片选用ADS62P25。ADC模拟信号采用的是差分输入方式，差分输入方式可以滤除偶次谐波分量和共模干扰信号。外部存储器采用SRAM和FLASH。FPGA选用两个SRAM，用于缓存斯托克斯和反斯托勒斯信号；DSP选用FLASH，用于存储固化的DSP源程序。

4 总结

本文主要对分布式光纤传感器测温系统进行设计，阐述了分布式传感器的相关理论，并采用基于拉曼散射的光纤传感器搭建该系统，分析了分布式光纤传感器温度检测系统的组成，重点介绍了分布式测温系统的光学硬件部分和信号采集及处理部分。

[1]周正仙.分布式光纤温度传感器的设计和优化[D].上海：上海交通大学，2009.

[2]丁英丽.基于光纤传感器的智能温度检测系统的设计[J].计量与测试技术，2003（2）：11-12.

[3]张岩红.分布式光纤温度传感器信号处理系统的研究与设计[D].秦皇岛：燕山大学，2003.

Based on the Temperature of the Distributed Optical Fiber Sensor Design

Hu Kang

Hubei College of Engineering Institute of New Technology, Hubei Xiaogan 432000

The rapid development of modern sensor technology will promote the development of measurement and testing industry, fiber optic sensor has the characteristics of wide measurement range, high precision, has been applied to many areas. In this paper, we explore the distributed optical fiber sensor applied in the field of temperature measurement, using the backscatter phenomenon in optical fiber and optical time domain reflection theory, can be within the scope of the fiber length, measuring the temperature of the various points in the form of a continuous function.

optical fiber sensor; distributed; hardware design

TP212

A

1009-6434（2017）02-0003-02