提高分布光纤温度传感器系统稳定性的方法

1、第2期(第11卷2000年12月中国计量学院学报JOU RNAL O F CH I NA I N ST ITU TE O F M ETROLO GY .2(V o l .11D ec .2000【文章编号】100421540(2000022*【收稿日期】2000204217【作者简介】王剑锋(1970-,男,江苏盐城人,助教,硕士提高分布光纤温度传感器系统稳定性的方法王剑锋1,张在宣1,郭宁1,余向东1,吴孝彪1,金仁洙2,金尧喜2(1.中国计量学院光电子研究所,浙江杭州310034;2.韩国电气研究所光技术研究中心,韩国庆南641-600【摘要】简要介绍了分布式光纤温度传感器系统的工作原理,

2、分析了引起系统不稳定的主要因素,提出了提高系统稳定性的方法,最后比较了提高系统稳定性的几种方法的效果【关键词】分布光纤温度传感器系统;雪崩二极管的温度效应;温度补偿电路;取样校正【中图分类号】TB 96;TH 811【文献标识码】A1引言1970年美国的康宁(co rn ing 玻璃公司研制出衰减系数为20dB km 的石英光纤1,使用光纤作为信息传输介质和传感介质的技术得到了很大的重视和发展1981年英国的南安普敦大学首次提出分布光纤温度传感器系统,1985年英国的H artog 2和D ak in 分别独立地用半导体激光器作为光源研制出了测温用的分布光纤温度传感器装置从此分布光纤温度传感器

3、系统进入蓬勃发展的阶段,英国、日本3、中国4和德国等许多国家相继投入人力、物力开展这方面的研制工作经过十几年的发展,分布光纤温度传感器系统已经形成了比较成熟的产品,产品覆盖了短距离、中距离和长距离等几个不同的档次,系统的各种性能指标也逐步提高分布光纤温度传感器系统中的光纤既是温度信息的传感介质,又是温度信息的传输介质,光纤还具有防燃、防爆、抗腐蚀、抗电磁和射频干扰、耐电离辐射、耐高电压和强电场等一系列的优点;系统工作时光纤不带电,仅带有极其微小的光能量,因而系统本身具有高度的安全性,能在危险的环境中安全运行系统具有自检测、自定标和自校准的功能,可在一根光纤上同时测量多点的温度由于分布光纤温度传

4、感器系统的这些优良特性,它广泛应用于:工业过程的监控;大型变压器和发电机组的温度分布测量;大型堤坝的渗水、漏水监视;地下电力电缆的热保护和温度检测报警系统;煤矿、隧道的火灾报警系统;油库、危险品库和军火库的温度报警系统等分布光纤温度传感器系统是一个光、机、电、计算机一体化的系统,涉及激光技术、光纤技术、光谱技术、微弱信号检测技术和计算机等多种技术,系统的每一部分都具有相当高的技术含量而作为温度监测的火灾报警系统,要求系统具有很高的稳定性,能够在现场连续运行五年以上因此,提高稳定性和可靠性就成了系统正常工作的重要条件图1分布光纤温度传感器系统结构原理图2系统的工作原理简介5分布光纤温度传感器系统

5、的结构如图1所示,其工作原理是:激光器驱动电源以一定的频率驱动半导体激光器,使之发出一定频率的激光脉冲;激光脉冲耦合进带有1×3双向耦合器(BDC 的光纤,1×3双向耦合器的一路为激光脉冲沿测温光纤向前传播的通道,另外两路分别为喇曼和瑞利背向散射光的回波通道;喇曼和瑞利两个通道的背向散射光经过波分复用器(OW DD ,由各自通道的雪崩管(A PD 探测器进行光电转换,再由各自的放大器对电信号进行放大,信号采集卡将放大后的电信号采集累加,传送给计算机,计算机软件对采集到的数据按照解调原理进行解调,最后得到温度按照散射理论,用温度T 0(绝对温度时的基线作为虚拟解调器去解调任一

6、温度T 时的采集线,由下式得到温度T :T =T 01-T 0k h v ln V A (T V R (T V A (T 0 V R (T 0(1式中,T 0为基线的绝对温度,k 为玻耳兹曼常数,h 为普朗克常数,v 为光纤的分子振动频率,V A (T 和V R (T 分别为温度T 时的反斯托克斯喇曼和瑞利信号电平,V A (T 0和V R (T 0分别为温度T 0时的反斯托克斯喇曼和瑞利信号电平在实际的系统中,在0-120之间,温度值T 与比值V A (T V R (T V A (T 0 V R (T 0的线性非常好,故常用实际系统的一次拟合公式来计算温度,公式如下:T =T 0+A 

7、15;V A (T V R (T V A (T 0 V R (T 0+B (2其中:T 0为基线的绝对温度,V A (T 和V R (T 分别为温度T 时的反斯托克斯喇曼和瑞利信号电平,V A (T 0和V R (T 0分别为温度T 0时的反斯托克斯喇曼和瑞利信号电平,A 为拟合线的一次项系数,B 为拟合线的常数项3系统的稳定性分析分布光纤温度传感器系统中,任一部件的性能不稳定都可能导致整个系统的不稳定这些不稳定的因素主要包括:(1由于环境温度的变化使半导体激光器驱动电源的输出电压不稳定,引起激光器的输出功率起伏,温度变化引起激光器波长和功率发生漂移,这都可能引起整个系统的不稳定(2放大器的增

8、益会因为温度的变化而改变,从而引起信号电平的变化(3雪崩管探测器的温度效应也使信号电平随温度的升高而下降,温度降低而上升(4温度的变化影响高速数据采集卡的工作状态,也会导致系统工作的不稳定641中国计量学院学报2000年所有这些影响系统稳定性的因素,有些是有规律可循、可以预见的;有些则是无规律可循、随机的经过较长时间的研究,我们提出了几种提高系统稳定性的方法4提高系统温度稳定性的方法411温度补偿对系统稳定性的提高由于分布光纤温度传感器系统中所探测的喇曼和瑞利两种光信号都非常弱,因此必须采用具有高增益、低噪音的雪崩管作为光电转换探测器,但雪崩管的增益对环境温度的变化非常敏感根据供货商提供的数据

9、,在电压一定时,增益-温度关系曲线如图2所示增益一定时,电压-温度关系曲线如图3所示 图2增益-温度关系曲线图3电压-温度关系曲线由图2可知,当雪崩管两端所加的电压一定时,它的增益随着温度的升高而下降在20附近,温度每变化1,增益的相对变化大约为5%,若以20时的信号电平为1V ,仅考虑雪崩管的温度效应,0时的信号电平为2.65V ,40时的信号电平为0.35V 因此,雪崩管的温度效应是影响分布光纤温度传感器系统稳定性和测温精度的主要因素根据图3,要使雪崩管的增益在环境温度变化时维持恒定,必须使它的工作电压随着环境温度的升高而升高温度每上升1,大约使电压升高0.61V (供货商提供的数据为0.

10、5V -0.7V ,对不同的雪崩管有一定的离散性因此,我们设计了一种温度补偿电路,将它应用于分布光纤温度传感器系统中,收到了一定的效果,以20为中心点,按照给定的参数给雪崩管供以一定的电压,通过温敏元件来调节这一电压,使温度每上升1电压升高一个固定的值,从而使雪崩管的放大倍数保持不变,即保证最后采集到的信号不受环境温度的影响这样提高了系统对环境温度的适应性,即提高了系统的稳定性412恒温装置对系统稳定性的提高因为分布光纤温度传感器系统中许多元器件对环境温度敏感,而温度补偿电路只能使雪崩管的温度效应得到补偿,所以我们设计了一种智能化的恒温箱当环境温度在0-40的范围内变化时,使用半导体制冷技术使

11、恒温箱内的温度保持在20±0.2将系统的主要部件安装在恒温箱内,使它们在恒温下工作,稳定了电源的输出电压、半导体激光器的波长和输出功率以及放大器的放大倍数,消除了雪崩管增益变化的诱因,从而大大地提高了系统工作的稳定性而且,恒温箱的箱体材料里层为铜板,外层为不锈钢板,中间为绝热保温层,使得恒温箱741第2期王剑锋,等:提高分布光纤温度传感器系统稳定性的方法具有双层屏蔽,提高了整个系统抗电磁干扰的能力413取样校正技术对系统稳定性的提高6虽然温度补偿电路和恒温装置对系统稳定性有相当大的提高,但仍存在一些不很明确的因素(如高速数据采集卡的不稳定、光纤插拔和采集电缆线接触不牢固等可能影响系统

12、的稳定性,为了消除这些因素对测温准确度的影响,我们提出了从软件上提高系统稳定性的取样校正方法取样校正原理假定温度是引起信号电平变化的唯一原因,即测温光纤上任一点的信号电平只有在待测温度发生改变时才改变,当待测温度未变时信号电平不应发生改变例如,采集基线时,测温光纤上某点的信号电平为1V在测温时,如果该点的温度没有发生变化,那么信号电平仍然应该是1V,但是在实际系统中往往会存在一些不确定的因素使得信号电平发生或上或下的漂移,引起测温误差,取样校正的任务就是要消除这些漂移引起的误差,提高系统的稳定性取样校正的实现方法是:在测温光纤的头部(因为在头部信号较强,信噪比好绕一个大约30米的光纤环(称为取

13、样环,并将其放入一个特制的恒温箱中,使恒温箱保持在一个固定的温度上,假设基线取样环中心位置的喇曼和瑞利电平值以及其它任意一点的喇曼和瑞利电平值分别为:V SA(T0、V S R(T0、V A(T0和V R(T0;测温线上与之对应的各值分别为V SA(T、V S R(T、V A(T和V R(T;经过取样校正后V A(T和V R(T的值分别为VA(T和VR(T因为取样环是处于恒温状态的,所以在基线和测温线中,它中心位置的喇曼和瑞利电平值应该保持不变,即应该有下式成立:V SA(T=V SA(T0V S R(T=V S R(T0(3这时的V A(T和V R(T只与其所对应的各点温度有关而当系统受到不

14、稳定因素的干扰时,(3式就不再成立,即V SA(T V SA(T0和V S R(T V S R(T0是不等于1的数,这时的V A(T和V R(T不但包含了所对应的各点温度信息,而且含有干扰的成分,在变化幅度不太大的情况下,V A(T和V R(T能按照取样环处的变化比例来校正,从而得到消除干扰后只包含温度信息的电平值VA(T和VR(T,即:V A(T VA(T=V SA(TV SA(T0(4V R(T VR(T=V S R(TV S R(T0(5由(4式和(5式得:VA(T VR(T=V A(T V R(TV SA(T V S R(T V SA(T0 V S R(T0(6经过取样校正后,代入(2

15、式计算温度的就不是V A (T V R(TV A(T0 V R(T0,而是VA(T VR(T V A(T0 V R(T0=V A(T V R(T V A(T0 V R(T0V SA(T V S R(T V SA(T0 V S R(T0(7在软件中,先计算出取样环中心位置处的比值V SA(T V S R(T V SA(T0 V S R(T0,再将式(7代入式(2计算出温度:T=T0+A×V A(T V R(T V A(T0 V R(T0V SA(T V S R(T V SA(T0 V S R(T0+B(8841中国计量学院学报2000年 由于V SA (T 和V S R (T 是与测温

16、线上的其它数据同时采集的,所以取样校正具有实时性图4为基线和测温线的采样图,第一个“温度包”是处于恒温状态的取样环,在实际应用中取样环只用作取样校正,而不用作测温,所以这一段光纤的实际温度对测温来说是没有意义的图5是解调后的温度分布图经实际应用检验,取样校正技术能够很好地消除环境条件变化引起的测温误差,提高了系统的稳定性 图4带有取样环的基线和测温线图5解调出的温度分布图5几种方法的比较上面所介绍的三种方法都能在一定程度上提高分布光纤温度传感器系统的稳定性但由于三种方法具有不同的工作原理与实现的途径,所以它们最终达到不同的效果温度补偿电路是针对雪崩管的温度效应这一影响系统稳定性的因素而提出的方

17、法由于不同的雪崩管在性能上存在一定的离散性,同一只雪崩管在不同的温度段所需要的补偿电压并不相同,温度补偿电路也不可能在很大的温度范围内有良好的线性因而这种方法只能在比较小的温度范围内(20±5起到效果但因为雪崩管的温度效应是影响系统稳定性的主要因素,在指标不太高的场合,对它进行了补偿就基本能满足要求而且,温度补偿电路实现起来比较简单,几乎不增加成本,是一种简单、廉价的方法恒温装置将系统中几乎所有的元器件都处于一个恒定的温度,不但稳定了雪崩管的增益,而且消除了其它可能影响系统稳定性的因素因而它能够达到很好的效果,是提高系统稳定性的首选方法但要将整个恒温箱的温度稳定在20±0.

18、2,实现起来比较困难,也使系统的成本大幅度增加因此,只有在对性能指标要求比较高的场合才使用这种方法与上面两种通过硬件来提高系统稳定性的方法不同,取样校正技术是通过软件的方法来提高系统稳定性的,它并不要求查明引起系统不稳定的原因,而是通过读取处于恒温箱中取样环中心位置的喇曼和瑞利电平值来相应地消除这些不稳定因素引起的误差这种方法实现起来也很简单,只要在处理软件中加入取样校正的算法就能实现,所增加的成本也只是一个用于放置取样的恒温箱但是,当干扰所引起的信号电平变化太大时,它对整个光纤上各点所引起的变化不一定满足简单的比例关系,所以取样校正技术有一定的适用范围6结论以上三种提高分布光纤温度传感器系统

19、稳定性的方法有着各自的侧重和特点,单独使941第2期王剑锋,等:提高分布光纤温度传感器系统稳定性的方法150 中国计量学院学报 2000 年 用其中一种方法只在某一方面提高系统的稳定性, 满足一定场合的要求 同时使用多种方 法, 对系统稳定性的提高效果更好 通过使用这些方法, 分布光纤温度传感器系统的工作温度从 15 25扩展到了 0 40测温不确定度也从±3减小到±2系统的长期稳定性也有了相当大的提高达 到工程的实用要求, 为进一步开展应用研究提供了条件 【参考文献】 1 赵仲刚. 光纤通信与光纤传感 M . 上海: 上海科学技术文献出版社, 1993. 2 A. H.

20、H a rtog. D istribu ted tem p era tu re sen so r in so lid 2co re fibersJ . EL ECTRON L FT T. , 1985, 21: 1061. F iber Sen so r, Sp ring P rocceding in Physics, 1989, 44: 544- 551. 4 黄尚廉. 分布式光纤温度传感器系统的研究 J . 仪器仪表学报, 1991, ( 12 4: 359- 364. (DO FR PT S system J . ( invited p ap er , P roc. of SP IE ,

21、 1996, 2895: 126- 131. (DO FR PS system J . P roc. of SP IE , 1998, 3555: 209- 216. Abstract: T h is p ap er b riefly in t roduces the w o rk ing p rincip le of d ist ribu ted op t ica l fiber tem p era tu re sen so r (DO FT S system and ana lyzes the m a in facto rs cau sing in stab ility of the sy

22、stem. M ethod s to im p rove the stab ility of the system a re d iscu ssed here. A nd the effect of the m ethod s a re com p a red a t la st. Key words: D ist ribu ted O p t ica l F iber T em p era tu re Sen so r (DO FT S System ; T em p era tu re Effect of A va lanche Pho tod iode (A PD ; T em p era tu re com p en sa t ion C ircu it; sam p ling co rrect 3 K. O gaw a. A fiber2 tica l distribu ted tem p era tu re sen so r w ith h