第 1 章 緒論

1.1 課題背景和意義
溫度一直是與人類生活息息相關的重要信息，從原始人類的鉆木取火，到現代人類社會的日常生活，都離不開溫度，而溫度的測量技術愈發(fā)凸顯它的重要性。隨著現代社會的高速發(fā)展，溫度信息對現代工業(yè)生產、公共區(qū)域安全、人們日常生活等具有越來越重要的作用，我們對溫度測量技術的要求也越來越高[1]。尤其是電力設備運行場所的火災預防，因為電力設備在運行過程中長期處于高壓高電流狀態(tài)下容易引起設備溫度上升而引起火災，如果能在溫度異常上升期間及時發(fā)現并采取相應措施就能避免不必要的人力以及財產損失。因此我們需要采用有效的實時溫度測量方法進行相應的溫度監(jiān)測，來避免不必要的火災發(fā)生。至今為止，溫度測量方式已經多種多樣，尤其是傳統(tǒng)的一些溫度測量方法已經發(fā)展的非常成熟，有接觸式和非接觸式兩種類型，比較常見的膨脹式的有水銀溫度計、有機液體溫度計等，壓力式的有液體壓力溫度計和壓力溫度計等[2]，電阻式的有鉑電阻和熱敏電阻溫度計等，熱電動勢式的有熱電偶溫度計等，它們以結構簡單、測量方便精度高以及成本低等優(yōu)點大量應用于社會各個方面，但這些測溫方式一般不能實現溫度的分布式測量，不能在高溫強電磁等場所長期穩(wěn)定運行，因此，在現代社會中，這些傳統(tǒng)的測溫方法受到了很大的限制。光纖傳感技術是隨著光纖通信技術的不斷進步而發(fā)展起來的，傳感光纖的材質一般是玻璃或者塑料，光信號在傳感光纖中傳播時會與光纖材質碰撞發(fā)生全反射，依靠此原理來實現信息的傳播，由于光在光纖中的全反射基本沒有損耗產生，因此，可以利用其原理實現長距離低損耗的信號傳輸[3]。光纖不僅可以作為傳輸信號的媒介，還可以作為傳感介質測量各種物理信號。光信號在傳感光纖中傳播時，一些表示光的特征量在外界因素的影響下會發(fā)生一些變化，通過光電探測器件實現信號的光電轉換進而實現信息解調。其中光纖溫度傳感器的應用比較廣泛，分為點式和分布式。顧名思義，點式光纖溫度傳感器實現單點溫度測量，例如，熱色效應光纖溫度傳感器、吸收型光纖溫度傳感器等[4]。分布式可實現待測區(qū)域的多點分布式溫度測量。它們的結構簡單，利用光纖作為傳感媒介，利用光纖的特質可將其按任意形狀鋪設在待測區(qū)，測量距離長范圍廣，同時具有電絕緣性好，抗電磁輻射，耐腐蝕，靈敏度高等優(yōu)點[5].
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1.2 分布式光纖溫度傳感器的研究現狀
1970 年左右，光纖技術在多種場合得到了廣泛的利用，尤其是在通信技術方面得到了迅猛的發(fā)展，并逐漸成為不可取代的一項技術。在此期間，分布式光纖溫度傳感技術相應發(fā)展起來。1981 年，南安普頓大學首次提出分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)[8]，此后在1983年J.P.Dakin博士提出一種基于后向拉曼散射的分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的模型，首次利用分布式光纖測溫系統(tǒng)進行測溫實驗是由英國科學家在 1985 年進行的[9]，將氬離子激光器作為光源，但由于激光器的不穩(wěn)定性實驗效果一般，同年，Harton 和Dakin 等人用半導體激光器代替了氬離子激光器作為光源，成功研制首臺分布式光纖溫度測量系統(tǒng)[10]。分布式光纖測溫系統(tǒng)首次推向市場在上世紀80年代末90年代初，是由英國的York公司推出的，測量距離為 2 千米。在同一時期，其它一些國家也展開了對此項技術的研究并有了一定的研究成果，比如 1990 年日本騰倉公司推出了 DFS-1000 光纖溫度傳感系統(tǒng)[11]，1996 年日本東京大學研制的分布式光纖測溫系統(tǒng)成功應用于核工業(yè)冷卻回路的溫度監(jiān)測中[12]。德國也在同時期進行了一定的研究并取得了空間分辨率為 0.5 米的產品。直至近十年，在美國科學家及一些公司的帶領研究下，分布式光纖測溫系統(tǒng)有了較快的發(fā)展，首先由美國安捷倫公司推出的 DTS 測溫系統(tǒng)成功申請專利，測量距離最大可達 30 千米，溫度分辨率能達到 0.1 攝氏度，空間分辨率達到 1 米，并且可實現多通道測量，該公司利用單片機作為信號采集及處理系統(tǒng)，避免了普通 DTS 雙接收機通道的大測量誤差缺點，同時期，SensorTran 公司也針對分布式光纖測溫系統(tǒng)進行了相關的研究，這家公司研究的產品主要應用在國防軍事等領域[13].
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第 2 章 分布式光纖測溫系統(tǒng)的理論基礎

分布式光纖測溫方式由測溫原理可分為三種類型，分為基于瑞利散射、拉曼散射以及布利淵散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)[31]。本章節(jié)主要針對這三種測溫方法進行了原理研究及比較，得到了它們各自的優(yōu)缺點，最后根據性能的比較得出最優(yōu)溫度解調方案，除此之外，本章對光纖中的待測點進行了定位研究，從而保證了系統(tǒng)定位精度。

2.1 光纖中的散射
(1)假設光纖介質分子分布比較均勻，且外界沒有溫度變化情況，則光信號在發(fā)生碰撞時，它的一些光特性不會發(fā)生任何改變，仍然沿著原有方向向前傳播[33]。上式表示的是散射光和入射光的性質完全相同，這是一種理想情況，在實際中幾乎不可能發(fā)生。(2)然而光纖中的介質分子不是均勻分布的，光信號與介質分子發(fā)生碰撞，，勢必會產生散射現象，導致散射光的特性與入射光相比會發(fā)生相應的一些變化，如果這種不均勻性與時間沒有關系，那么散射光頻率也不會發(fā)生任何變化，僅僅波矢量會發(fā)生變化[34]，將這種僅僅由于介質分子不均勻分布產生的散射叫做彈性散射。(3)當然，介質分子的不均勻分布也可以隨時間變化而變化，在這種情況下，光信號發(fā)生散射現象時，它們的能量也會發(fā)生改變。此時，散射光的光功率發(fā)生了改變，也就是光的頻率發(fā)生了改變，將這種散射現象叫做非彈性散射[36]。
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2.2 方案比較
式(2.3)中，rK 代表的是光纖介質中的瑞利散射系數，和溫度成正比關系；t 代表光信號初始端從開始注入進光纖介質中Z點后，后向散射光沿原路返回到入射端所經過的時間，t可以轉換為光纖中的位置距離；v是光在傳感光纖中的傳播速度；0I 代表的是入射光脈沖的光功率；S 代表光纖介質中的后向散射因子系數；瑞利散射在傳輸過程中的損耗系數[38]。外界溫度的改變會影響傳感光纖的孔徑發(fā)生細微變化，在這過程中，瑞利散射系數隨之改變，根據上述描述的瑞利散射公式可以得出，瑞利散射光的光功率相應發(fā)生變化。在普通的2SiO 傳感光纖中，光纖光纜的數值孔徑以及瑞利散射的散射系數與溫度變化的改變很小。而隨溫度變化的瑞利散射系數，如果液心光纖在溫度過高或過低時，其性能會受到較大影響，因此基于這種散射的溫度傳感系統(tǒng)的溫度測量范圍很小[39]。除此之外，瑞利散射的散射光功率受光纖的材質影響比較大。同時光纖材質中會含有雜質，這些因素都會增加光纖的散射面，從而產生損耗，導致獲得的信號不精確，帶來一些錯誤的信息。
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第 3 章 系統(tǒng)總體設計及技術指標.......14
3.1 系統(tǒng)總體設計....14
3.2 光時域反射(OTDR)技術.........14
3.3 系統(tǒng)解調方案的研究........15
3.4 系統(tǒng)結構....17
3.5 系統(tǒng)參數及技術指標........17
3.5.1 溫度分辨率的確定性分析....... 17
3.5.2 空間分辨率的確定性分析....... 18
3.5.3 系統(tǒng)響應時間的確定性分析........... 20
3.6 本章小結....20
第 4 章 分布式光纖測溫各子系統(tǒng)設計.......21
4.1 系統(tǒng)工作波長的選定........21
4.2 光源子系統(tǒng)設計........24
4.2.1 脈沖發(fā)生器設計....... 25
4.2.2 光源的選擇....... 25
4.2.3 激光器的驅動電路的設計....... 26
4.3 光傳輸與分光系統(tǒng)的設計........2
94.4 光電探測電路設計....31
4.5 本章小結....36
第 5 章 實驗結果及分析.......37
5.1 系統(tǒng)實驗方案的設計........37
5.2 本章小結....41

第 5 章 實驗結果及分析

本課題針對分布式光纖測溫原理進行了一定的研究。設計了基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)，此測溫系統(tǒng)能夠測量沿一條將近 1.8 千米的傳感光纖上的任一點的溫度，同時也能實現沿傳感光纖的分布式溫度測量。

5.1 系統(tǒng)實驗方案的設計

由于 APD 需要直流高壓偏置電路提供 100-200V 直流電壓，因此，有必要對本系統(tǒng)設計的高壓偏置電路輸出的電壓穩(wěn)定性進行驗證。其輸出電壓信號如圖 5.1 所示。通過示波器得到的電壓波形可以輕易得出一段波動很小的直流電壓，因此其滿足本測溫系統(tǒng)中的直流偏置電壓的要求。圖中的曲線為采集到的電壓信號隨距離變化的曲線，橫坐標代表測量距離，也可以轉換為采集信號的時間長度，縱坐標代表經過取整換算后采集電壓信號的大小，電壓值 1V 對應數值 3276。溫度測量的定標區(qū)應該在距光纖起始端面的 100 米后，測量的初始距離應該從這里算起。從圖中可以看出，在傳感光纖末端電壓信號存在波動且幅度比較明顯，曲線幅度變化的最高處代表溫度變化點。由于實驗器材的限制，在實驗過程中，只使用了長度為 1.8 千米的傳感光纖，從理論分析來看，傳感光纖的距離還有很大的增加空間。將測得水溫為 0 攝氏度的數據作為定溫溫度，然后分別測量 60 攝氏度和 90 攝氏度的水箱。

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結論

基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感技術具有許多獨特的優(yōu)點，包括溫度分辨率高、測溫距離長、抗強電磁干擾以及適應于各種復雜環(huán)境。目前這項技術已成為國內外許多國家的研究熱點，具有廣闊的應用前景。與此同時，這種測溫系統(tǒng)在許多技術層面還有待提高，尤其在各器件的性能優(yōu)化上，還有許多實際問題需要解決。隨著科技的進步，各器件的價格也會更加廉價，從而可以實現性價比更高的分布式光纖傳感系統(tǒng)，最終實現社會中各個場合的廣泛應用，對溫度監(jiān)測以及火災預防起到至關重要的作用。本論文主要研究成果如下：（1）利用課題設計的分布式光纖測溫系統(tǒng)成功搭建測溫平臺并測得了準確的溫度數據。測溫系統(tǒng)達到了良好的性能指標：測溫范圍達 1.8 千米，空間分辨率為 2.5 米。（2）通過對試驗數據的處理，得到了沿光纖分布的溫度信息，為實現模擬待測區(qū)域的溫度場提供了準確的溫度信息。（3）通過比對測量溫度與真實溫度，驗證了課題提出的溫度解調方案的可行性。通過對分布式光纖溫度傳感技術的詳細研究，本課題基本完成了系統(tǒng)設計，實現了沿傳感光纖上待測點的分布式測量。但溫度信息的解調還需要完善。尤其在溫度測量的距離方面還有待增加，并且本套系統(tǒng)的空間分辨率偏低，導致了待測區(qū)域熱流分布圖的分辨率較低。隨著科技的進步，一些相對廉價器件的性能也會越來越好，從而可以取代目前各子系統(tǒng)中昂貴的器件，可以節(jié)約成本，使分布式光纖測溫系統(tǒng)更廣泛的利用到社會各個場合。同時各器件的創(chuàng)新也會越來越多，勢必會出現一些性能更加優(yōu)秀的器件，從而可以使分布式光纖測溫系統(tǒng)的各項技術指標更加精確，總而言之，分布式光纖測溫技術的發(fā)展遠遠沒到盡頭，應該向著更加優(yōu)秀的方向發(fā)展。
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參考文獻(略)

本文編號：61093