分布式光纖溫度測量及數(shù)據(jù)處理技術(shù)研究.pdf

1、分布式光纖傳感技術(shù)是利用光纖的相關(guān)物理特性對被測量場的空間和時(shí)間行為進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測的技術(shù)。光纖傳感器作為一種測量新技術(shù)，利用光波導(dǎo)原理，具有損耗低、頻帶寬、線徑細(xì)、重量輕、可撓性好、抗電磁干擾、耐化學(xué)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(diǎn)，近年來逐漸擴(kuò)大應(yīng)用范圍和應(yīng)用領(lǐng)域。在光電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和微電子技術(shù)的發(fā)展帶動下，分布式光纖傳感技術(shù)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(lǐng)域研究的一個(gè)熱點(diǎn)。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(shí)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(dá)幾十千米，空間分辨率高，誤差小，與單點(diǎn)或多點(diǎn)準(zhǔn)分布測量相比具有較高的性能價(jià)格比，以其獨(dú)特的技術(shù)優(yōu)勢廣泛應(yīng)用于工業(yè)、國防、航空航天、交通運(yùn)輸和日常生活等各個(gè)領(lǐng)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(shù)進(jìn)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(jìn)行分析及試驗(yàn)，設(shè)計(jì)分布

3、式光纖溫度傳感系統(tǒng)并應(yīng)用于長距離皮帶傳輸線的實(shí)際溫度檢測和火災(zāi)報(bào)警中。主要工作有以下幾個(gè)方面： 1．基于散射的光纖傳感技術(shù)所涉及的基礎(chǔ)理論的研究。利用傳統(tǒng)光學(xué)和量子力學(xué)理論，對光在光纖中的傳輸特性進(jìn)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(qiáng)的關(guān)系。為得到沿光纖分布的溫度場信息，采用光時(shí)域反射技術(shù)和對溫度不敏感的斯托克斯曲線求解反斯托克斯曲線，實(shí)現(xiàn)分布式光纖溫度測量。 2．從長距離皮帶傳輸線的實(shí)

4、際溫度檢測應(yīng)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(shè)計(jì)并完成實(shí)用的虛擬儀器設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)中采用了先進(jìn)的計(jì)算機(jī)軟硬件和數(shù)據(jù)庫技術(shù)，使系統(tǒng)滿足實(shí)際工程測量要求，在實(shí)際皮帶傳輸線溫度檢測中測試應(yīng)用良好，為工程應(yīng)用和生產(chǎn)化提供基礎(chǔ)。 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(shí)間等幾者的關(guān)系及其影響因素。有別于其它溫度傳感技術(shù)，在分布式溫度傳感測量中這些因素是互相關(guān)聯(lián)的，不能孤立的談?wù)撃骋粎?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(shù)。而且數(shù)據(jù)處理技術(shù)的性能對測量指標(biāo)有重要的影響，在整個(gè)分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)中具有重要地位，是系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的重要一環(huán)。通過對各種新的信號處理技術(shù)進(jìn)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(shí)現(xiàn)高精度A／D轉(zhuǎn)換的原理和計(jì)算方法并應(yīng)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(jìn)的有限周期算法和減少冗余算法，使得可以根據(jù)工程實(shí)際需要靈活調(diào)整計(jì)算精度和計(jì)算速度。 6．先進(jìn)的編程技術(shù)（LabVIEW）和關(guān)系型數(shù)據(jù)庫的采用，即加快了系統(tǒng)開發(fā)的時(shí)間，又解決了實(shí)際工程應(yīng)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(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了虛擬儀器功能。 7．分析了皮帶傳輸線工作特點(diǎn)，通過實(shí)驗(yàn)和現(xiàn)場測試，獲得了溫度檢測的基

7、準(zhǔn)數(shù)據(jù)和修正方法，并在實(shí)際測量中應(yīng)用獲得了良好的效果。而靈活、多樣可設(shè)置的報(bào)警方式為系統(tǒng)應(yīng)用提供了有力的保證。 作為一種新的測量技術(shù)，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(qiáng)的電磁干擾等應(yīng)用場合，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)。本文的特點(diǎn)是理論性與實(shí)踐性并重，理論研究著重于光纖傳感技術(shù)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(shè)計(jì)實(shí)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(shí)際溫度檢測和火災(zāi)報(bào)警