文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
DOI:10.16157/j.issn.0258-7998.172507
中文引用格式: 楊洋. 基于拉曼散射的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[J].電子技術(shù)應(yīng)用,,2017,43(12):59-60,,64.
英文引用格式: Yang Yang. Research and implementation of distributed optical fiber temperature measurement system based on Raman scattering[J].Application of Electronic Technique,,2017,43(12):59-60,64.
0 引言
目前,,大電網(wǎng),、超高壓、自動(dòng)化,、大容量是我國(guó)電力系統(tǒng)發(fā)展的方向,,監(jiān)測(cè)地下電纜的溫度可進(jìn)行電網(wǎng)輸配電能力的優(yōu)化,這種需求增長(zhǎng)迅速[1],。地下的電網(wǎng)系統(tǒng)在正常的極限設(shè)計(jì)當(dāng)中不會(huì)出現(xiàn)負(fù)載運(yùn)行的情況,,但是社會(huì)發(fā)展隨之而來(lái)的就是社會(huì)用電量增大,在相應(yīng)情況下電網(wǎng)的負(fù)載也越來(lái)越大,,各種各樣的設(shè)備和系統(tǒng)相連接,,使得事故發(fā)生的概率增大了,可能造成巨大經(jīng)濟(jì)損失[2],。在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)下,,電纜事故隱患可降低或徹底消除,在今后,,溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)電纜的運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行檢測(cè)將會(huì)普及[3],。分布式光纖的溫度檢測(cè)系統(tǒng)是實(shí)現(xiàn)電纜在線檢測(cè)的一個(gè)好方法,在進(jìn)行常規(guī)測(cè)量時(shí)能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)測(cè)量和在線測(cè)量,,有效解決電纜出現(xiàn)的燃燒,、高溫、火災(zāi),、爆炸等事故,,應(yīng)用前景非常廣泛[4]。本文設(shè)計(jì)出分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng),,并通過(guò)室內(nèi)和室外試驗(yàn)對(duì)儀器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證,。
1 測(cè)溫系統(tǒng)的方案設(shè)計(jì)
1.1 光纖分布式測(cè)溫的實(shí)現(xiàn)過(guò)程
圖1為分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)框圖。在圖1中,,光纖具有傳感器和傳輸介質(zhì)兩個(gè)作用,。系統(tǒng)的組成包括光學(xué)部分,、信號(hào)采集部分、信號(hào)處理部分,。光學(xué)部分組成包括激光發(fā)射、脈沖驅(qū)動(dòng)電源,、光電檢測(cè),、波分復(fù)用器(WDM)、傳感光纖,;信號(hào)采集和處理部分組成包括模數(shù)轉(zhuǎn)換,、信號(hào)放大、數(shù)據(jù)采集,、數(shù)據(jù)處理,。在進(jìn)行傳感光纖布置時(shí),布置方向?yàn)殡娎|長(zhǎng)度的方向,,啟動(dòng)計(jì)算機(jī)控制的電路脈沖,,將會(huì)使得電流源和半導(dǎo)體激光器被驅(qū)動(dòng)起來(lái)從而進(jìn)行工作。通過(guò)波分復(fù)用器WDM輸出LD,,光纖中被射入激光,。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的具體實(shí)際情況,其溫度信息會(huì)由拉曼散射光攜帶,,散射光的采集由光電二極管(APD)進(jìn)行,,完成光電間的轉(zhuǎn)換。因拉曼散射光較弱,,采用放大器對(duì)拉曼散射光信號(hào)放大處理,。測(cè)量結(jié)果通過(guò)模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換,形成數(shù)字量,。監(jiān)控系統(tǒng)可以借助主機(jī)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的管理和監(jiān)測(cè),。
1.2 數(shù)據(jù)采集和處理
散射光信號(hào)較弱是拉曼散射測(cè)溫系統(tǒng)的主要缺點(diǎn),散射光信號(hào)約為入射光的0.93%,,信噪比非常小,,在噪聲中,幾乎完全淹沒(méi)了測(cè)量信息,,信號(hào)處理單元以DSP系統(tǒng)為核心,,主要是對(duì)光電檢測(cè)器輸出信號(hào)進(jìn)行放大、采樣和處理,,并將溫度解調(diào)出,。在噪聲條件下,對(duì)放大微弱信號(hào)幅值進(jìn)行有效抑制是數(shù)據(jù)處理的核心,。
1.2.1 拉曼散射信號(hào)的特點(diǎn)
拉曼散射信號(hào)信噪比較低,,在噪聲中,,有用溫度信息會(huì)被淹沒(méi);有用溫度信息具有較低頻率,,噪聲具有較高頻率,;信號(hào)噪聲強(qiáng)度遠(yuǎn)端大,近端小,。因此,,系統(tǒng)提出使用將小波分析和累加平均結(jié)合的方法對(duì)采集的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,這樣得到的溫度信號(hào)更為準(zhǔn)確,。
1.2.2 信號(hào)預(yù)處理
在光纖測(cè)溫系統(tǒng)中,,噪聲具有零均值統(tǒng)計(jì)特性,系統(tǒng)中的低頻噪聲干擾可通過(guò)數(shù)字累加的方式將其去除,,通過(guò)噪聲的統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行降噪,。通過(guò)數(shù)字平均的方法處理信號(hào),提高信噪比,,在DSP內(nèi)存單元中,,依次對(duì)一次測(cè)量的N點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲(chǔ),對(duì)于下一次測(cè)量的N點(diǎn)數(shù)據(jù),,將其與內(nèi)存對(duì)應(yīng)單元數(shù)據(jù)進(jìn)行相加,,然后將其放回原內(nèi)存單元,這樣的循環(huán)進(jìn)行M次,,然后各單元進(jìn)行求平均,。通過(guò)將每次測(cè)量的N點(diǎn)數(shù)據(jù)以向量形式表達(dá),用式(1)表示第i次測(cè)量結(jié)果:
1.2.3 測(cè)溫實(shí)驗(yàn)
在1 km長(zhǎng)的光纖中,,將兩個(gè)光纖點(diǎn)A,、B加熱,進(jìn)行本研究研制的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的溫度空間分布特性,、拉曼光時(shí)域反射的測(cè)溫實(shí)驗(yàn),,在1 km長(zhǎng)的光纖100 m(A點(diǎn))、500 m(B點(diǎn))處,,用2個(gè)55 ℃的熱源進(jìn)行點(diǎn)輻射加熱,,圖2為溫度點(diǎn)布置。
通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)得,,本研究研制的系統(tǒng)溫度測(cè)量長(zhǎng)度范圍可達(dá)到0~12 km,,2 m為最小的采樣分辨率,同時(shí)也是最小的空間分辨率,。系統(tǒng)能夠測(cè)量在12 km范圍內(nèi)的電纜溫升情況,,同時(shí)還能夠?qū)ξ⑿厣闆r作預(yù)判,方便后續(xù)維修工作,。
2 應(yīng)用實(shí)例
2.1 室內(nèi)實(shí)驗(yàn)
室內(nèi)試驗(yàn)在恒溫的水槽中進(jìn)行,,其中放入一段多模光纖,,加熱使水保持在26 ℃、32 ℃,、38 ℃,、44 ℃、50 ℃,、56 ℃,,將DTS測(cè)出的溫度值和實(shí)際的水溫進(jìn)行對(duì)比,能夠得出其測(cè)量的精度較高,,達(dá)到了實(shí)驗(yàn)需要。圖3為溫度標(biāo)定數(shù)據(jù)圖,,可看出最大測(cè)量誤差為0.25 ℃,。
2.2 室外實(shí)驗(yàn)
試驗(yàn)地點(diǎn)為沈陽(yáng)市郊某大橋上游河灘上,試驗(yàn)場(chǎng)地尺寸為6.5 m×6.5 m×6.5 m,,用于測(cè)溫的光纖是以蛇形分布被埋于地下的,,分為4個(gè)層次,每一層之間的間隔以米為單位,。水注射進(jìn)去之后實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量保證光纖溫度的恒定,。從11:20:22開始注水試驗(yàn),試驗(yàn)水溫17.4℃~16.1℃,,持續(xù)300 min,,在注水過(guò)程中,全程進(jìn)行溫度監(jiān)測(cè),。從底部第四層開始鋪設(shè)光纖,,由上而下,每層光纖長(zhǎng)度分別為:105m~138m,、71m~104m,、35m~70m、0m~34m,。在注水后,,選取A(13.10.22)、B(16.10.22),、C(11.10.22)3個(gè)時(shí)間點(diǎn)的溫度進(jìn)行比較,,從圖4可看出,通過(guò)傳感光纖,,各層溫度變化情況能得到很好反映,。在地層深度不同時(shí),原溫度分布為規(guī)則階梯狀,,在水流通道,、注水點(diǎn)處,,隨著注水的進(jìn)行,溫度出現(xiàn)異常,,比原溫度增高明顯,。在13:10:22時(shí),曲線A整體溫度較高,,有一部分地理氣候原因,,同時(shí)和試驗(yàn)地較多礫石底層溫度較低也是密不可分的。第1層具有較高地溫,,在注水后,,周圍溫度變化較小,第2層,、第4層在注水點(diǎn)的周圍溫度升高的情況比較明顯,。分布式光纖的測(cè)溫技術(shù)既能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)檢測(cè),同時(shí)還能夠?qū)崿F(xiàn)分布式的溫度測(cè)量,,在實(shí)際應(yīng)用中非常方便,。
3 結(jié)論
本文對(duì)拉曼散射斯托克斯光和反斯托克斯光比值與溫度分布的關(guān)系進(jìn)行了分析,并給出光時(shí)域反射距離定位解析表達(dá)式,,設(shè)計(jì)出分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng),,并通過(guò)室內(nèi)和室外試驗(yàn)對(duì)儀器的穩(wěn)定性和準(zhǔn)確性進(jìn)行了驗(yàn)證。室內(nèi)對(duì)恒溫槽的水溫進(jìn)行測(cè)量,,其最大測(cè)量誤差為0.25 ℃,,室外實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)在沈陽(yáng)市郊某大橋上游河灘上,對(duì)埋入地下的四層光纖進(jìn)行注水并測(cè)溫,,通過(guò)傳感光纖,,各層溫度變化情況能得到很好反映。
參考文獻(xiàn)
[1] 張汝山,,吳碩,,涂勤昌,等.高空間分辨率分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].光學(xué)儀器,,2015,,37(1):79-83.
[2] 費(fèi)芹,秦俊.基于拉曼散射的分布式光纖定溫與差溫探測(cè)方法[J].火災(zāi)科學(xué),,2015,,24(2):109-114.
[3] 楊斌,田杰,,江健武,,等.分布式光纖載流量/溫度安全監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的研究[J].光學(xué)儀器,2013,,35(1):75-79.
[4] 麥曉明,,張曉明.分布式光纖在線測(cè)溫系統(tǒng)在高壓電纜中的應(yīng)用[J].廣東電力,,2014,27(5):90-95.
作者信息:
楊 洋1,,2
(1.河北省儀器儀表產(chǎn)業(yè)技術(shù)研究院,,河北 承德067000;2.河北省儀器儀表工程技術(shù)研究中心,,河北 承德067000)