分布式光纤温度传感器设计

1、摘要 分布式光纤传感技术是利用光纤的相关物理特性对被测量场的空间和时间行为进行实 时监测的技术。光纤传感器作为一种测量新技术，利用光波导原理，具有损耗低、频带宽、 线径细、重量轻、可挠性好、抗电磁干扰、耐化学腐蚀、原料丰富、制造过程能耗少、节约 大量有色金属等突出优点， 近年来逐渐扩大应用范围和应用领域。 在光电子技术、 计算机技 术和微电子技术的发展带动下， 分布式光纤传感技术迅速发展， 从理论研究走向产品化， 解 决了很多使用传统传感器难以解决的问题， 也是传感领域研究的一个热点。 分布式光纤温度 传感器的光纤即是传输介质， 又是传感介质， 可实现沿光纤连续分布的温度场的分布式测量， 测试

2、用光纤的跨距可达几十千米， 空间分辨率高， 误差小， 与单点或多点准分布测量相比具 有较高的性能价格比，以其独特的技术优势广泛应用于工业、 国防、航空航天、交通运输和 日常生活等各个领域。 本论文对基于拉曼散射的分布式光纤温度传感及其数据处理技术进行了系统而深入的 研究，通过对煤矿井下长距离皮带传输线工作特性进行分析， 设计分布式光纤温度传感系统 并应用于长距离皮带传输线的实际温度检测和火灾报警中。 主要工作有以下几个方面 : 1.了解基于散射的光纤传感技术所涉及的基础理论。 对光在光纤中的传输特性进行了分 析，研究了光纤传感中的影响因素， 获得了受温度调制的反斯托克斯光强的关系。 采用光时

3、域反射技术和对温度不敏感的斯托克斯曲线求解反斯托克斯曲线，实现分布式光纤温度测 量。 2 光信号的调制与解调。由于所有的信号最终要转换成电信号使用和控制，所以信号的 调制与解调就非常重要。 对于所有的传感器来说， 其都有精确的理论推导， 但在实际应用中 必须加以修正。 修正后还要考虑到以后更换光纤型号是否还能达到要求的精度， 变换了环境 是否还需要新的修正公式或者参数等， 这些因素都会影响到最终读数的正确性， 所以要进行 大量的研究和推理。 3 选择合理的元器件和数据处理方式。基于系统稳定性、灵敏度、信噪比方面要求，激 光器工作波长的选定、 APD 最佳雪崩增益 、 光纤的耦合器选定、后向散射

4、光的分离、放 大电路的设计等都需要仔细研究， 反复斟酌。 由于测量的反斯托克斯信号和斯托克斯信号非 常微弱， 完全淹没在噪声中。 需要采用微弱信号处理技术。 而且数据处理技术的性能对测量 指标有重要的影响， 在整个分布式光纤温度传感系统中具有重要地位， 是系统设计中的重要 一环。通过对各种新的信号处理技术进行研究， 提出了一种基于高精度 AD/ 转换器完成的信 号处理方案。 4 探讨了分布式光纤温度传感中测量距离、空间分辨率、测温精度和测量时间等几者的 关系及其影响因素。 有别于其它温度传感技术， 在分布式温度传感测量中这些因素是互相关 联的，不能孤立的谈论某一参数，对系统整体的性能评估用品质

5、因数来描述 5绘制原理图并设计合理高效软件编程。在 dsp、数据采集卡、单片机等控制芯片中， 根据系统设计需要选择一款精度高、 价格低廉、 处理速度高效的数据处理芯片， 并编写软件 程序。系统设计实现则主要针对分布式光纤传感系统在长距离皮带传输线的实际温度检测和 火灾报警中的要求和技术难点展开 ;理论与实践相结合所研制出的分布式光纤传感系统针对 工业现场对分布式测量的要求， 采用先进的光电子技术、 数字处理技术、 计算机软硬件技术 和数据库技术等实现了虚拟仪器设计，适应用户对分布式温度测量的要求。 .关键词 :分布式光纤，温度传感， ，拉曼散射，微弱信号处理，虚拟仪器，皮带传输线 光电转换电路

6、 器件选择 在光电系统中，光电转换电路把接收到的光信号转换成电信号， 并对电信号进行放大， 再与 后面的检测和运算系统对接。 光电转换电路在整个光电系统中是非常重要的， 它的性能好坏 直接决定了整个系统的性能好坏。 在光电转换电路中， 由于接收到的光信号和转换后的电信 号通常都比较微弱， 很容易淹没在各种噪声中， 所以在设计光电转换电路时， 要尽量减小噪 声，提高系统的信噪比和检测精度。由于光电检测电路是整个监测电路最前面的一个环节， 如果光电检测电路的噪声比较大， 后面的放大和检测系统的输出误差就非常大。 因此设计出 噪声很低的光电检测电路非常重要。选择光电转换器件考虑性能参数有 ： 1）

7、光谱响应：这是所有光电器件都具有的非常普遍的特性，即不同频率的光作用后，探测 器上输出的信号也不一样，其随波长汪的变化关系称为探测器的光谱响应。 2） 时间常数：即光电元件的反应速度，当有阶跃信号输入时，光探测器输出的电信号达到 稳定值0.63倍所需的时间。 3） 线性度：这是我们非常追求的一个指标，指探测器的输出信号与输入信号之间的一个线 性关系，变化的程度和范围。 4） 响应度：反映光电器件对光信号的转换能力的一个参数，主要参看其能探测的最小光信 号的大小，表述为输出电压或电流的大小相对于输出光强的比值。 5） 量子效率：表示一个转换效率，即一定的光子能激发出多少电子来，一般量子效率越大

8、越好。 总和上述几点，我们最常用的即光电倍增管和雪崩光电二极管（ APD）。 与真空光电倍增管相比，雪崩光电二极管具有小型、不需要高压电源等优点，因而更适于实 际应用；与一般的半导体光电二极管相比，雪崩光电二极管具有灵敏度高、速度快等优点， 特别当系统带宽比较大时， 能使系统的探测性能获得大的改善。 雪崩二极管是我们探测微弱 光非常常用的器件。雪崩击穿是 PN结反向电压增大到一数值时，载流子倍增就像雪崩一 样，增加得多而快。利用这个特性制作的二极管就是雪崩二极管。 雪崩击穿是在电场作用下， 载流子能量增大，不断与晶体原子相碰，使共价键中的电子激发形成自由电子 -空穴对。新 产生的载流子又通过碰

9、撞产生自由电子 -空穴对，这就是倍增效应。 1生2，2生4,像雪 崩一样增加载流子。所以，雪崩二极管具有响应时间短， 响应频率极高以及能达到一千倍的 增益。 我们要选择一个合适的雪崩二极管，主要从下面几个参数进行考虑。 1）雪崩增益M 们常用的硅元件一般为 1.54。由上式可以表明，加在 APD上的反向电压不断增大的接近 VBR时，其雪崩增益 M就会迅速增大。试验表明，雪崩二极管的反向击穿电压与温度有 着直接的关系，温度越低，击穿电压越低，反之，则击穿电压就会增大，所以，我们在应用 中，为了能达到不变的增益， 就要进行温度补偿，使其在不同的温度下加载不同的偏置电压。雪朋增益表示为: Im 式中

10、，lm反向饱和亮电流, I R反向饱和暗电流。 V BR为反向击穿电压, n为一常数，我 1 R 2）噪声 每个元件在工作过程中都会产生噪声， 在雪崩二极管中，噪声的主要原因就是由雪崩效应引 起的散粒噪声和热噪声。 雪崩二极管的噪声与其加载的反向工作电压有着很大的关系。 当反 向电压逐渐升高时， 雪崩二极管的噪声就会迅速升高。 因为反向电压高增益也会增大， 所以 在具体使用时，就要在增益和噪声之间相互平衡选择 3）最佳增益M opt 当雪崩二极管中的散粒噪声和热噪声大小相等时， 对应着雪崩二极管有着最好的信噪比， 此 I D为反偏时的暗电流，I P为照射到 APD上的光功率 R为二极管负载电阻

11、 综合各个因素，结合本系统的需求，选用雪崩光电二极管型号为 C30902B，其敏感波长为 0.85卩m,与我们选择的激光发生器搭配，响应曲线如图所示。 C30902B主要参数： 1） 反向工作电压：237V 2） 反向极限电压：247 V 3） 反向暗电流：19.2 nA 4） 响应度：0.5A/W（0.85 卩 m） 温度补偿 几乎所有的传感器都会受到温度的影响， 雪崩二极管也不例外。而且APD的增益受温度的 影响还很大，所以在实际应用中，尤其是在温度变化较大时， 就必须采取温度补偿了。 考虑 到雪崩二极管的特点和本应用的需求 本设计温度补偿是通过温度传感器检测温度而控制调 整APD的供电电

12、源，使 APD工作于接近最佳倍增因子状态。温度补偿电路如下图所示。时的增益为最佳增益 Mopt ，即 M opt （2 x） 4kT e I D I P Rx k为与雪崩二极管材料有关的系数; 广壬二二g 忖iw- datasheet给的电源抑制比都是指直流的， 但是这个值在频率增大时会降低。 O队129的电源 AD59O为外接温度 传感器，它的输出电流与绝对温度成正比。 R1和R2串联构成传感器的负载电阻，选用低 温度系数精密电阻完成电流电压变换功能，下方为两个三极管构成镜像恒流源 调节Rw:可 以改变恒流源的电流， 从而调整传感器在某一温度下输出电压的初始值。 因为恒流源的等效 内阻远大于

13、R2.所以调节Rw:对检测精度的影响可以忽略。信号放大电路采用由低漂移、低 噪声、高共模抑制比运算放大器构成同相放大器 这样温度补偿电路输出的补偿电压为 V (R4 RW1 1)1, I,为流过温度传感器同相端输 R3 入电流。 检测电路的设计 集成运算放大器从本质上说，是一种高增益直流多级放大器。它在信号的产生、处理、 变换、测量等应用中起着非常重要的作用。在此放大电路中最为重要的是集成运算放大器， 其精度和稳定性直接影响了放大电路性能指标， 要根据系统的要求选择合适的运放来满足电 路的需求。光经过光电二极管转化成的光电流非常小， 数量级在微安级别， 所以此处应该非 常注意误差的影响，应选择

14、一种偏置电流极低，放大器输入电容较小，差分输入电阻极大， 电流和电压噪声较低， 电源抑制比较高的集成运算放大器。 根据需要选择TI公司的OPA129 超低偏置电流差分运算放大器，其主要指标为 ： 1) 偏置电流。此参数是运算放大器两输入端流进或流出直流电流的平均值。因为系统 放大的信号大约是 10PA,所以要求偏置电流应该远远小于这个值，而 OPA129的偏置电流 为士 30fA。 2) 电源抑制比。因为是微弱信号放大，对电源要求是显而易见的，一般放大器里 抑制比是IHz到IMHz，其典型值在 90dB。 3) 放大器的差分输入电阻和输入电容。因为 10pA的信号需要很大的反馈电阻做放大，所

15、以应该选择输入差分电阻远远大于反馈电阻 ；而输入电容的大小会对信号的带宽带来限制， 所以应该选择极小的输入电容。 OPA129的这两个参数分别为 10e13欧姆和lpF。 4) 电流和电压噪声。这个指标会影响输出信号的信噪比。这个指标后面会有一个估算，而 且有详细的解释。 O队129的典型噪声参数，电压 17nV/sqrt(Hz),电流OfA/sqrt(Hz)。 如上图， 电路采用TI公司的高精度运放 OPA129，其输入偏置电流约为100fA，而一般 的光电流大小为nA级，二者比较，偏置电流带来的误差忽略不计。 DI为PIN光电二极管， 该二极管为重庆航伟光电科技有限公司制造，其具体参数见表

16、 3.1。工作方式为光伏模式。 Rl为反馈电阻，其主要功能是实现 I/V转换，C3与Rl并联，其作用是防止运放的振荡。为 了避免数字信号对微弱模拟部分的干扰， 在数字地和模拟地，数字电源和模拟电源之间用磁 珠隔离，防止高频的信号涌入模拟部分。 由于检测电路处于整个系统的最前端， 其精度直接关系到整个系统的精度， 故设计时应特别 小心，通过本系统的制作调试，得出以下需注意的地方 ： 运放的等效输入阻抗为 RIN = (1 R AUO )/ RID 1)电路的反馈电阻Rl在满足通频带宽度和输出信号范围的情况下应尽可能大， 这样会增大 输出信噪比，也提高了电路的信号放大倍数。 2） 在满足信号频带宽

17、度的情况下，应尽量减小电路的通频带，这样可滤除高频噪声，增大 输出信噪比。在反馈电阻 RI两端并联电容C3，构成滤波电路，减小了输出噪声。 3） 整个电路必须是在离电源入口端最远的一级，以防止其他器件的电流回路的干扰。要防 止电路板上电源线对反馈环路和输入端漏电，产生噪声或漂。 4） 光电二极管输出端到放大器的引线距离要尽量短，并且引线尽量对称， 保证阻抗基本匹配。 为了减小系统的外部噪声， 光电检测电路必须用金属外壳来屏蔽外界电 磁干扰，同时外壳接地。 前置放大及滤波电路 器件选择 放大器。光电转换完毕后需要将电压多级放大，此处的要求相对较低， 而OPA129价格 较高，因此选用 TI公司生

18、产的OP27A作为后续放大电路中的集成运放。 OP27A是低温漂 型运算放大器，受温度变化影响较小，可以满足系统的要求。偏置电流最大为 ：1PA;偏置电 压最大为：25OmV;漂移量最大为：1uf/ C ;最大开环增益：120dBmin 。 基准电压源。在电路中提供一个稳定的低噪声高精 5V电压输出。设计选择 ADR293。 共有8个引脚，如上图所示。ADR293具有低噪声、微功耗、低温漂和高精度的特点。相对 于传统的带隙式和隐埋齐纳二极管式基准电压源来说， 新的XFET结构大大地提高了基准电 压源的电气性能，在相同的电流驱动下， ADR293的噪声只是传统的带隙式基准电压源噪声 源的1/4，

19、同时具有更低的温度漂移系数和优良的长期电压稳定性。 其工作电压在6V到15V , 提供一个5V电压，最大输出电流为 5mA，提供的初始稳定电压精度有土 3mv、士 4mV和 土 6mV三级标准，其温度影响在 8 一 25ppm/C之间工作温度范围为一 40 c到+150 , C。 放大电路工作原理 参考光和滤波光进入光电二极管后经光点转换为光电流， 再经过一个电阻后成为电压。 这 是最初的一级电路，为电流电压转换电路。 实现光信号到电流信号再到电压信号 U。的转变。 数据采集卡可以接受 0到5V的电压信号，因此需要将 U。进行放大、滤波等处理，最后送 入到计算机中去。 系统设计的放大电路是同时

20、将参考光和滤波光同时进行光电转换和放大滤波处理。 放大电 路进行工作的过程，以滤波光为例 ： 光强度被转换为电信号后需要将其代表的测量点温度解调出来。本系统测量的温度范围 是0 100度，那么若传感器测量 0 C的时候电压值为 U，那么在测得温度为 0T100 C 时，U0=U+ u，其中U是基础电压值，其中 u是由于温度变化而引起的电压变化，但是 U非常小， u更小，在放大电路工作的时候 U和厶u会同时被放大，若同时被放大100倍， 变成了 l00U+100 u，这个时候有效信号仍然被淹没在 looU之中。因此将信号放大后需要 减去一 个偏移量，使有用信号得以最大程度的放大。 所以本文设计了

21、一个放大电路如下图所示。 光强经光电二极管转换成电信号后， 首先得 到一个电压值 U O，将U。放大得到U1，贝y U 1=A 1u。=A 1 (U+ u) 然后减去一个偏移量，在此电路中设计减去一个 5V的电压，得到 U。即 U2=U1 一 5V=A 1(U+ U) 一 5V 减去一个偏移量后此时 U。为 U的放大，但是这个信号依然很小，需要将其放大到 0 一 5V之间，因此需要再次将其放大，得到 U 3即 U3=A2U2=A2(U1 一 5V)=A 1 A 2 U+A 1A 2 u 一 A 2 5V 最后将U3进行滤波后送入到计算机中进行处理。 有源二阶滤波电路 因为本系统是测量温度的系统

22、， 而温度变化较为缓慢，不会出现突变，因此设计滤波器是低 通滤波器。此滤波器能够将 5Hz以上的杂波滤除。二阶有源低通滤波器电路如下图所示， 它是一种具有正相增益的常用二阶低通滤波器电路， 运放和它的两个连接电阻 R3、R4形成 一个电压控制电压源（vcvs）。运放的增益为K=1+-R4，它为滤波器提供了增益。其中截止频 R3 1 一 一 率可W= - 。vcvs滤波器具有兀件数量小、输出阻抗低、兀件间差值范围小和放大 R-! R2C1C4 能力比较高等优点。 而且增益值可用电位器微调、 进行精确的调整。VCVS滤波器一般用于 品质因数值不高于10的场合。 数据采集电路 作为数据采集端，现在市场上有很多技术成熟，集成度高，且价格合适的模块，采用这 样的模块，即节约了开发时间，有能获得稳定的信号采集，所以，经过对比研究，现采用北 京阿尔泰科贸有限公司产品 PCI2010 数据采集卡作为采集设备。 PCI2010 卡是一种基于 PCI 总线的数据采集卡，可直接插在 IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机内的任一 PCI 插槽 中，支持 Windows95/98/NT/2000/XP 下的多种语言的驱动， VC 、VB 、C+Builder 、Delphi 、 Labview 、LabWindows/CVI 、组态软件等语言的平台驱动简易示例程序 （板卡的工作流程， 包括板卡的各