分布式光纤传感系统

分布式光纤传感系统（共8篇）

分布式光纤传感系统 篇1

摘要：针对当前分布式光纤震动传感系统中存在的震动信号获取问题,采用一种全新的光路形式,设计了一种基于双M-Z干涉仪方案的分布式光纤震动传感系统。系统采用3×3解调方案,从采集的传感器输出信号中解调出目标震动信号,且目标震动信号无失真。偏振控制器的引入避免了系统的偏振衰落现象。在此基础上搭建了实验测试系统,对外界目标信号进行了测试,测试结果表明,系统可以无失真探测目标信号,并对目标进行定位,定位误差为20 m,验证了系统的可行性。

关键词：光纤传感,偏振控制,目标定位

0 引言

现代安全防卫系统中及时发现和定位入侵行为具有重要的现实意义。传统的安全防卫系统主要有摄像机视频识别、红外线传感和地磁传感等。这些检测方法受设备供电限制,监测距离较短,抗电磁干扰能力弱,维护成本高。分布式光纤震动传感系统能测量整个光纤长度上随时间变化的震动信息,具有检测距离远、抗电磁干扰能力强和安装后易维护等优点,已成为防卫系统领域最具有应用前景的技术之一[1,2]。

分布式光纤传感技术应用光纤纵向特性进行测量,其测量参量作为光纤长度的函数,可以在整个光纤长度上对光纤分布路径上的外部物理参量进行连续不间断地测量,同时提供被测物理参量的时间和空间信息。随着光纤传感技术的进步,基于不同技术方案的分布式光纤传感器得到了深入研究与讨论,主要包括基于散射效应的OTDR传感器和基于光波干涉效应的干涉型传感器[3,4,5]。与散射型传感器相比,干涉型传感器利用前向传输光进行信号处理与目标定位,因此具有灵敏度和动态范围方面的优势。Sagnac干涉技术和M-Z干涉技术是分布式干涉型传感器采用的两种主要技术方案。相比于Sagnac干涉技术,M-Z干涉技术具有解调技术简单和对光源相干性要求低的特点,因此基于双M-Z干涉技术的光纤传感系统适合长距离分布式应用。目前干涉型光纤传感器的解调一般采用相位生成载波( PGC) 技术和基于3×3光纤耦合器干涉的被动解调技术。相比于3×3光纤耦合器干涉的被动解调方案,PGC技术具有解调结果失真、动态范围受限以及采用外调制产生载波时光路比较复杂等缺点,因此3×3解调技术得到了广泛应用。

本文采用一种全新的光路形式,设计了一种基于双M-Z干涉仪技术方案的分布式光纤震动传感系统,该系统采用3×3解调方案,具备目标信息无失真获取、外界目标信号定位和目标信息识别,最终形成报警信息输出功能。

1 分布式光纤震动传感系统原理分析

1. 1 系统原理

分布式光纤震动传感系统的结构示意图如图1所示。系统主要由光源、光隔离器、光分路器、偏振控制器、偏振控制单元、环形器、3×3耦合器、光电探测器和信号处理单元组成。其中2个环形器和2个3×3耦合器构成2个双向马赫—曾德尔干涉仪。

光源发出的窄线宽激光经过光隔离器后,进入光分路器,然后按照1∶1比例分为2路作为每个马赫-曾德尔干涉仪光源。其中一路光信号通过偏振控制器1和环行器1后,输入到由第1耦合器和第2耦合器构成的M-Z干涉仪1,干涉仪输出信号进入第2探测器组完成光电转换,第2探测器组输出信号作为第1偏振控制单元反馈信号对通过第1偏振控制器的光波偏振态进行控制; 另一路光信号通过偏振控制器2和环行器2后,输入到由第2耦合器和第1耦合器构成的马赫—曾德尔干涉仪2,干涉仪输出信号进入第1探测器组完成光电转换,第1探测器组输出信号作为第2偏振控制单元反馈信号对通过第2偏振控制器的光波进行偏振态控制。第1探测器组输出与第2探测器组输出信号输出至信号处理单元,信号处理单元对2路信号进行3×3解调得到目标信号,对2路目标信号进行相关运算得到目标位置,对目标信息识别得到目标类型,通过对以上目标信息综合形成报警信息输出。

1. 2 3×3解调原理

下面以第一干涉仪为例介绍光纤传感器的解调方案。窄线宽激光器发出的激光经过光隔离器和光分路器后分成2路相干光源,其中一路作为第一干涉仪的输入光源,输入的相干光信号经过偏振控制器和环形器1后进入由3×3耦合器1和3×3耦合器2构成的第一干涉仪,再在干涉仪输出端干涉,最终将相位调制的光强信号分3路,3路光信号间互成120°相位差。此时,即使一路光信号的偏置点处于余弦曲线的最大点或最小点,另外2路光信号由于存在着120°相位差可以将偏置点移至线性区,极大提高了检 测灵敏度,避免了信 号的相位 衰落现象[6]。

设3路输出光强信号I1、I2和I3,分别为:

由式( 1) 、式( 2) 和式( 3) 可以得到:

由式( 4) 消除光源输出直流量的影响,并对式( 1) 、式( 2) 和式( 3) 微分可得到:

式( 2) 消除直流量后与式( 7) 、式( 5) 的差相乘,即

同理可以得到:

式( 8) 、式( 9) 和式( 10) 相加后,

考虑到干涉条纹的峰值亮度受光源强度及偏振态变化而可能受到的影响,故将式 ( 11) 除以由式( 12) 得到的3路信号平方和B2。

最后再将所得的商对时间做积分,即可完整恢复原信号函数( t) 。

1. 3 系统定位原理

基于马赫—曾德尔干涉仪的分布式光纤传感系统,结构如图2所示,光源发出的相干激光经光分路器1后分成2路相干光源,2路相干光源分别经过耦合器2、3,由2个方向分别进入由4、5构成的马赫—曾德尔干涉仪,外界信号对由不同方向经过干涉仪的光信号同时进行相位调制,分别从干涉仪的输出端拾取2路光信号,光信号经光电转换后,由信号处理模块对包含有外界信息的信号x1( t) 和x2( t) 运用互相关算法进行触发位置定位。

传感系统干涉仪干涉臂长为L,假定在距始端耦合器4距离为x处发生扰动事件,则扰动信号传输至探测器2和探测器1的时延Δt为:

假定2路探测器输出信号分别为x1( t) 和x2( t) ,s( t) 为目标扰动信号,Δt为信号延迟,n1( t) 和n2( t) 为加性噪声。假定n1( t) 、n2( t) 、x1( t) 和x2( t) 互不相关,则2路探测器输出的信号为:

式中,Δt就是所估计信号到达2个探测器的时间差,根据式( 13) 可求得扰动位置x,即

利用互相关函数法确定两相关信号之 间时延,即

由上述假设n1( t) 、n2( t) 、x1( t) 和x2( t) 互不相关,可得

式中,Rss( τ) 为扰动信号s( t) 的自相关函数。由自相关函数的性质可知Rss( τ - Δt) ≤Rss( 0) ,即当τ - Δt = 0时,2个探测器接收信号相关性最大,相关函数峰值点位置即为时延值。,进而通过式( 16)得到目标扰动位置[7]。

1. 4 偏振控制原理

由于光纤温度变化,几何弯曲等因素影响,光纤传输过程中偏振态发生随机变化[8]。基于双M-Z干涉技术的分布式光纤传感系统由于偏振态的随机变化会发生偏振衰落现象,偏振衰落不仅会导致输出信噪比下降,更重要的是会导致系统定位精度下降[9]。在如图1所示的分布式光纤传感系统中,在相干光信号进入干涉仪前加入偏振控制器来控制输入光信号偏振状态,避免信号偏振衰落,提高系统定位精度[10]。

在分布式光纤震动传感系统中,偏振态控制器分别对双Mach-Zehnder干涉仪的双向光波进行偏振态控制,以补偿干涉仪偏振态变化,经偏振态控制的光波经干涉仪输出后的2路干涉信号分别进入光电探测器,经光电转换后作为反馈信号分别输入至对应偏振控制单元。

偏振控制单元利用干涉仪输出的反馈信号,运用基于敏感通道选择及控制的偏振控制方法,调整偏振控制器各通道的输入电压信号,利用反馈回路连续调节控制光波偏振态,直至2路信号满足相关系数大于阈值,且每路信号可见度大于可见度阈值。

所述的敏感通道选择及控制的偏振控制法具体过程是: 选取2路干涉信号,其中一路作为参考信号,另一路作为相关信号。

对于可见度控制过程可用以下函数描述:

式中,Vi,i = 1,2,3,4,分别为偏振控制器1各通道上所加的电压; A为信号幅度。

对于相关度控制过程可用以下函数描述:

式中,Vi,i =5,6,7,8,分别为偏振控制器2各通道上所加的电压; C为参考信号与相关信号的相关系数。

敏感通道选择及控制的偏振控制法具体流程如下:

1选取参考信号偏振敏感通道。在另外3个通道输入电压值为0 V情况下,选择其中某一通道( 1≤i≤4) 施加0 ~ VMAX之间固定步长变化电压值,记录该通道在不同电压之下的输出信号可见度。比较每一通道单独施加电压情况下,输出信号可见度的变化情况,选取变化最大通道为敏感通道。

2选取相关信号偏振敏感通道。在另外3个通道输入电压值为0 V情况下,选择其中某一通道( 1≤j≤4) 施加0 ~ VMAX之间固定步长变化电压值,记录该通道在不同电压之下的输出信号可见度。比较每一通道单独施加电压情况下,输出信号可见度的变化情况,选取变化最大通道为敏感通道。

3设置控制阈值。选取参考信号的敏感通道可见度均值作为参考信号可见度阈值ATh,设定相关信号相关系数阈值为CTh。

4初始化参考信号偏振控制器初始电压Vi,1≤i≤4。对于参考信号,设定敏感通道i可见度最大值对应电压值为该通道初始电压,其他通道设为0 V。

5初始化相关信号偏振控制器初始电压Vj。设定敏感通道j可见度最大值对应电压值为该通道初始电压,其他通道设为0 V。测定当前信号相关系数C,若C≥CTh,选取当前电压为相关通道控制电压,若C < CTh,则以相关系数差值作为权值调节当前相关通道电压值,若调节后C≥CTh,则停止调整,若调节后电压超出0 ~ VMAX范围,仍不能满足C≥CTh,则在除当前敏感通道的剩余通道中,重复步骤2和步骤5,选取满足要求的敏感通道j及电压值Vj。

6参考信号偏振控制。测量参考信号当前可见度A,若A≥ATh,则保持参考信号各通道当前电压,若A < ATh,则以相关系数差值作为权调节当前敏感通道电压值,若调节后A≥ATh,则停止调整,选取当前电压为参考通道控制电压,若调节后电压超出0 ~ VMAX范围,仍不能满足A≥ATh,则重复步骤1、步骤3、步骤4和步骤5。

7相关信号偏振控制。测量当前信号相关系数C,若C≥CTh,则保持相关信号各通道当前电压,若A < ATh,则调节当前敏感通道电压值,若调节后A≥ATh,则停止调整,选取当前电压为参考通道控制电压,若调节后电压超出0 ~ VMAX范围,仍不能满足A≥ATh,则重复步骤2、步骤3和步骤5。

8重复步骤6和步骤7。

本系统中最大偏振控制电压VMAX= 1 V,以0. 2 V步长进行电压调节。依据步骤1和步骤2的控制流程,敏感通道测试结果如表1所示。依据选取原则,选定偏振控制器1的2通道为参考信号敏感通道,偏振控制器2的3通道为相关信号敏感通道。

选取参考信号的敏感通道可见度均值作为参考信号可见度阈值,即ATh= 0. 844 V /2 = 0. 422 V,设定相关信号相关系数阈值为CTh= 0. 9。相关系数C1= 0. 718低于阈值情况下的信号波形图如图3所示。依据控制流程和所给出阈值,经偏振控制器调节后C3= 0. 925高于阈值情况的信号波形图如图4所示。

2 实验结果分析

实验中采用传感光纤长度为30. 15 km,在干涉仪距离第一探测器组14. 48 km处施加人员走动信号,2个探测器输出信号经信号处理单元解调后输出的信号波形图如图5所示。

从图5可以看出,传感解调系统可以无失真的得到目标震动信号[11,12]。图6为利用互相关算法将图5所示探测器输出的两路解调信号进行互相关运算的结果图。

从图6中可以看出,在Δt = 0. 16 ms时相关函数取得最大值。依据上述系统定位原理,可算出扰动点位置为14. 46 km,与实际扰动位置误差为20m。因此,基于图1所示的系统框图,采用前述的偏振控制、信号解调和目标定位方法,可以真实还原目标信号,准确定位目标位置。验证了系统的可行性。

3 结束语

介绍了一种分布式光纤传感系统并对系统中所涉及的相位解调原理、偏振控制原理和目标定位原理进行论述,基于以上 原理搭建 了传感距 离为30 km的实验系统。在实验系统中对相位解调、偏振控制和目标定位结果进行测试。系统实验结果表明: 系统通过偏振态控制可是系统输出信号的相关系数在0. 9以上,在此基础上解调系统可以真实还原目标信号,对采用目标定位方法,系统在30 km的测试距离下,目标定位误差为20 m,可以准确定位目标位置。?

分布式光纤传感系统 篇2

研究一种基于分布式光纤振动传感原理和电缆局部放电原理的电力电缆故障定位技术。通过在电缆上施加高压脉冲，使得电缆上有故障的位置产生局部放电，从而产生振动信号。并将放电脉冲信号同步传输给分布式光纤振动监测系统。通过分布式光纤振动传感技术来探测电缆沿线放电产生的振动信号，并对振动信号进行定位。将该故障定位技术应用于电力电缆沿线上监测电缆故障的状态分布，并进行试验验证。实验结果表明，该系统可实现监测多回路30 km电缆线路的故障分布状况，并对故障点进行准确定位。

关键词：

分布式光纤传感； 后向散射； 电力电缆； 故障定位

中图分类号： TP 212文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.05.003

引言

电力电缆是电力传输的重要载体。但是人为因素（如：施工挖破皮、被割破皮等）和自然灾害（如：滑坡、塌方、地基沉降、腐蚀、老鼠破坏等）会造成电缆线路故障，影响电力电网建设效能的发挥。因此，应用科学手段实现对电力电缆的电缆的故障进行检测和定位、及时提醒线路维护人员提前采取预防措施显得十分的紧迫和必要。

本文研究基于分布式光纤振动传感原理为核心的智能监测技术，利用光纤传感技术对电网中的电力电缆线路的故障进行全方位实时智能监测和定位。该智能监测系统可实现对电力电缆线路的故障进行检测和定位，确保电网安全、高效运行；综合分析处理各传感器信息，并且在出现异常情况时，通过控制相应的联动设备采取一定的措施来保障电网正常运行。

1分布式光纤振动传感技术原理

分布式光纤振动传感技术是利用ΦOTDR（optical time domain reflectometer，OTDR）^[14]光时域反射计的干涉机理测试外界绕那扰动，外界扰动作用在光缆上面或附近产生的压力（振动）导致光纤中瑞利散射光^[5]相位发生变化，由于干涉作用，光相位变化将引起光强度的变化时，通过实时监测不同时刻后向瑞利散射信号的干涉效应可定位振动信号的位置，并通过建立光缆线路环境特征参数数据模型和告警监测阈值模型，降低监测告警的虚警率。

分布式光纤振动传感系统采用普通通信光缆中的一根空闲纤芯作传感单元，进行分布式光纤传感器多点振动测量^[6]。其基本原理是当外界的振动作用于通信光缆时，引起光缆中纤芯发生形变，使纤芯长度和折射率发生变化，导致光缆中光的相位发生变化。当光在光缆中传输时，由于光子与纤芯晶格发生作用，不断向后传输瑞利散射光。当外界有振动发生时，背向瑞利散射光的相位随之发生变化，这些携带外界振动信息的信号光，返回系统主机后，经光学系统处理，将微弱的相位变化转换为光强变化，再经光电转换和信号处理后，进入计算机进行数据分析。系统根据分析的结果，判断入侵事件的发生，并确认入侵地点。

2基于分布式光纤振动传感技术的电缆故障定位系统组成

整体系统由高压电缆放电试验系统、分布式光纤振动传感系统及综合平台软件组成，系统结构如图2所示。

系统通过分布式光纤振动传感系统监测来自于高压电缆上方的振动信号，通过振动信号来分析判断故障点的位置。当高压电缆放电试验系统对高压电缆发出高压脉冲信号时，同时会向分布式光纤振动传感系统发出一个上升沿或下降沿信号，以作标记信号。分布式光纤振动传感系统根据高压电缆放电试验主机给的脉冲同步信号进行振动信号的采集，实时监测高压电缆的振动情况，并将监测到振动信号保存到数据库中。高压电缆放电试验系统放电结束后，由综合平台对分布式光纤振动传感系统采集到的振动信号进行分析，并结合高压电缆放电试验系统放电脉冲情况，综合分析对故障点进行定位，并在软件界面是显示整段监测光缆的波形图、故障点位置。系统数据库中保存测量的振动信号和放电信号的历史数据，并绘制成报表，由用户选择查看。

该系统以高压电缆故障时所产生的震动为监测对象，可实现以下功能：

（1）实时监测电缆走廊路面施工振动位置的振动量，并根据实时监测值显示报警状态。实时监测高压电缆故障点所产生的震动情况，可对故障点进行定位，定位误差不大于±25 m；

（2）检测到电缆故障时，在界面上显示告警提示；

（3）软件界面可显示电缆的震动波形图；

（4）能与高压电缆放电试验系统通讯，接收该系统发来的上升沿或下降沿信号；

（5）各监测值的历史数据记录展示。

3试验结果

为了验证系统是否能探测到电缆的故障信号并准确定位故障信号的位置，搭建了一个测试系统。测试验证系统选取110 kV电缆300 m，在电缆上100 m、200 m和300 m位置分别模拟放电信号。用该系统来探测电缆的放电信号及其位置。

4结论

研究的基于分布式光纤振动传感原理的电缆故障定位系统可准确探测电力电缆故障为，预防因电力电缆自身老化等原因而发生故障。制止因蓄意破坏、偷盗等情况造成的输电中断，从而保障中高压电力电缆的传输安全和通畅。当电力电缆线路发生故障时自动实现预警，自动定位故障发生位置，及时通知管理人员对警情进行有效处理，从而提高对电网供电的可靠性。

参考文献：

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[6]李志全，白志华，王会波，等.分布式光纤传感器多点温度测量的研究[J].光学仪器，2007，29（6）：8-11.

分布式光纤传感系统 篇3

光纤分布式喇曼温度传感技术是用于实时测量空间温度场分布的新型传感技术[1], 光纤既是传光介质又是传感元件, 基于喇曼散射中的反斯托克斯线是温度的敏感函数, 可以用来测量整个光纤长度上的温度分布情况。利用这种技术可以同时获得光纤沿线数十公里连续空间的温度场分布。现有的分布式光纤温度传感器大多为多模光纤传感器,由于多模光纤的模式色散限制了通过提高光接收机的性能来改善系统空间分辨率的程度,所以本文中进行系统设计时采用单模光纤,以克服多模光纤的不足,并且采用了反斯托克斯(Anti-Stokes)和斯托克斯(Stokes)背向喇曼散射强度比值的解调方法,消除了光源抖动、光纤弯曲、采集时的漏光、损耗系数和散射系数等因素的影响[2,3]。

1 分布式温度传感器的设计原理

光纤分布式喇曼温度传感是利用光纤中喇曼散射光的Anti-Stokes光对温度敏感的特性。实验中发现,Anti-Stokes散射光对温度敏感, 强度受温度调制,而 Stokes散射光基本上与温度无关, 两者光强的比值只与散射区的温度有关。

Stokes散射光子频率为νs=νo-Δν,Anti-Stokes散射光子频率为νa=νo+Δν,式中,νo为入射光频率;Δν为光纤中石英分子的振动频率,Δν=1.32×1013 Hz[4]。

分布式光纤温度传感器采用了光时域反射(OTDR)技术,并利用了喇曼散射光对温度敏感的特性,能测出沿光纤不同位置的温度变化。

1.1 OTDR原理

激光脉冲在光纤中传输时,由于光纤中存在折射率的微观不均匀性,会产生瑞利散射。在时域中,入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t,激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L,2L=νt,ν=c/n为光在光纤中的传播速度,c为真空中的光速,n为光纤的折射率。在时间t时可测量到离光纤入射端距离为L处局域的背向瑞利散射光。采用OTDR技术,可以确定光纤此处的损耗,光纤故障点、断点的位置,对测量点进行定位,因此也可称为光纤激光雷达。局域处离入射端的长度L为L=ct/(2n)。

1.2 喇曼散射光的温度效应

在离光源L处局域的Stokes喇曼散射的光子数为

${\rm N}{}_{\text{s}}={\rm K}{}_{\text{s}}S\nu {}_{\text{s}}^4{\rm N}{}_{\text{c}}\exp [-(\alpha {}_0+\alpha {}_{\text{s}})L]R{}_{\text{s}}({\rm T}),(1)$

Anti-Stokes喇曼散射光子数为

${\rm N}{}_{\text{a}}={\rm K}{}_{\text{a}}S\nu {}_{\text{a}}^4{\rm N}{}_{\text{c}}\exp [-(\alpha {}_0+\alpha {}_{\text{a}})L]R{}_{\text{a}}({\rm T}),(2)$

式中,Ks、Ka分别为与光纤Stokes和Anti-Stokes喇曼散射截面有关的系数;S为光纤的背向散射因子;νs、νa分别为Stokes和Anti-Stokes喇曼散射光子频率;Nc为光纤入射端的激光脉冲光子数;T为绝对温度;α0、αa和αs分别为入射、Anti-Stokes和Stokes散射光沿光纤的传输损耗;L为光纤待测局域处的长度;Rs(T)、Ra(T)是与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数,与局域光纤处的温度有关:

$\begin{array}{l}R{}_{\text{s}}({\rm T})=[1-\exp (-h\text{Δ}\nu /k{\rm T})]{}^{-1},(3)\\ R{}_{\text{a}}({\rm T})=[\exp (h\text{Δ}\nu /k{\rm T})-1]{}^{-1},(4)\end{array}$

式中,h为普朗克常数;k为玻耳兹曼常数。Rs(T)和Ra(T)服从玻耳兹曼分布规律[5]。当光纤L处局域温度变化时,调制了喇曼散射光的强度,这就是光纤背向喇曼散射的温度调制机理。

1.3 背向喇曼散射解调方法

由于喇曼背向散射光信号很微弱,这给解调带来一定的难度。现有的解调方法有Anti-Stokes背向喇曼散射、 Stokes背向喇曼散射以及Anti-Stokes与Stokes背向喇曼散射强度比值解调。T=T0时,式(2)可变为

${\rm N}{}_{\text{a}}={\rm K}{}_{\text{a}}S\nu {}_{\text{a}}^4{\rm N}{}_{\text{c}}\exp [-(\alpha {}_0+\alpha {}_{\text{a}})L]R{}_{\text{a}}({\rm T}{}_0),(5)$

由式(2)和式(5)可得

$\frac{{\rm N}{}_{\text{a}}({\rm T})}{{\rm N}{}_{\text{a}}({\rm T}{}_0)}=\frac{R{}_{\text{a}}({\rm T})}{R{}_{\text{a}}({\rm T}{}_0)}=\frac{\exp (h\text{Δ}\nu /k{\rm T}{}_0)-1}{\exp (h\text{Δ}\nu /k{\rm T})-1}。(6)$

由式(6)可以看出,Anti-Stokes背向喇曼散射解调方法由于不能消除光源和测温光纤变动带来的影响,系统的稳定性和可靠性差,不适合现场应用。Stokes背向喇曼散射解调方法除了具有Anti-Stokes背向喇曼散射解调方法的缺点外,其信号更微弱,不易解调,也不适合现场应用。本文采用了Anti-Stokes与Stokes背向喇曼散射强度比值的解调方法。由式(1)～(4)可得

$\begin{array}{l}\frac{{\rm N}{}_{\text{a}}}{{\rm N}{}_{\text{s}}}=\frac{{\rm K}{}_{\text{a}}}{{\rm K}{}_{\text{s}}}\left(\frac{\nu {}_{\text{a}}}{\nu {}_{\text{s}}}\right){}^4\exp (-h\text{Δ}\nu /k{\rm T})\cdot \\ \exp [-(\alpha {}_{\text{a}}-\alpha {}_{\text{s}})L]。(7)\end{array}$

当T=T0时,

$\begin{array}{l}\frac{{\rm N}{}_{\text{a}}}{{\rm N}{}_{\text{s}}}=\frac{{\rm K}{}_{\text{a}}}{{\rm K}{}_{\text{s}}}\left(\frac{\nu {}_{\text{a}}}{\nu {}_{\text{s}}}\right){}^4\exp (-h\text{Δ}\nu /k{\rm T}{}_0)\cdot \\ \exp [-(\alpha {}_{\text{a}}-\alpha {}_{\text{s}})L]。(8)\end{array}$

由式(7)和式(8)可得

$\frac{1}{{\rm T}}=\frac{1}{{\rm T}{}_0}-\frac{k}{h\text{Δ}\nu }\ln \left[\frac{{\rm N}{}_{\text{a}}({\rm T}){\rm N}{}_{\text{s}}({\rm T}{}_0)}{{\rm N}{}_{\text{a}}({\rm T}{}_0){\rm N}{}_{\text{s}}({\rm T})}\right]。(9)$

由于T0、h、k、Na(T)/Ns(T)和Ns(T0)/Na(T0)均已知,因此可得到局域处的温度T。这种解调方法由于引进了Stokes背向喇曼散射光的影响,消除了光源和测温光纤变动带来的影响,系统的稳定性和可靠性好,比较适合现场测量使用。

2 分布式温度传感器的系统设计

分布式温度传感器系统由主机、信号采集累加处理系统及光纤探头3部分组成。图1所示为基于Anti Stokes与Stokes背向喇曼散射强度比值解调的分布式光纤传感器系统原理框图。脉冲激光器发出的窄带光脉冲经耦合器进入传感光纤,传感光纤布置在待测温度场中。传感光纤中带有温度信息的背向喇曼散射光再经耦合器进入波分复用器。波分复用器将光信号分成两束,分别经过不同波长的窄带滤波器,得到Stokes散射光信号和Anti-Stokes散射光信号。这两路光信号最后进入信号放大及采集电路和计算机。

系统设计选用红外高功率窄脉冲半导体LD激光器,中心波长为1 547 nm,光谱带宽为0.075 nm,脉冲重复频率为10 kHz,脉冲宽度为10 ns,激光器功率为63 W。选用中心波长为1 448 和1 660 nm的双通道稀疏波分复用器(CWDM),通道带宽为+7 nm。Anti-Stokes滤波器的中心波长为1 448 nm,3 dB带宽(FWHM)为16 nm;Stokes滤波器的中心波长为1 660 nm,FWHM为16 nm。光电探测器为高灵敏度、低噪音光雪崩二极管组件APD。选用ADLINK公司的数据采集卡,采样速率为200 MS/s。

3 实验测试及数据分析

3.1 温度和空间分辨率测试及分析

温度分辨率和空间分辨率是分布式测温系统的两个重要指标。温度分辨率是指系统能够确定的最小温度范围。空间分辨率是指定位精度,也就是说如果在光纤某一点上温度发生变化,系统能够确定该点位置的最小范围。实验中对系统的温度分辨率和空间分辨率进行了测试和详细分析。

为了检验设计系统的温度和空间分辨率,设计实验如图2所示,将4段长度为 2 m的光纤圈分别放在温度设定为 40、50、60和70 ℃的恒温水槽中。

根据文中1.2节对喇曼散射光温度效应的分析,由式(3)和式(4)及其与温度的关系可知,沿光纤分布的温度上升时,Rs(T)和Ra(T)均增大。另外由以上两式整理得$\frac{R{}_{\text{a}}({\rm T})}{R{}_{\text{s}}({\rm T})}=\exp (-h\text{Δ}\nu /k{\rm T})$,由于exp(-hΔν/kT)也随温度升高而增大,所以随着温度的升高,Ra(T)要比Rs(T)增大得快,也就是说,Anti-Stokes光比Stokes光对温度敏感得多。最终利用式(9)得到温度与Anti-Stokes光、Stokes光强度的关系,通过软件分析计算,可得到沿光纤分布的温度曲线。

根据设计的实验,得到Stokes与Anti-Stokes光强曲线图如图3所示。Anti-Stokes与Stokes光强比值曲线图如图4所示。温度沿光纤的分布曲线如图5所示。观察可得,系统的空间分辨率为2 m,温度分辨率为1 ℃。

3.2 系统响应时间测试及分析

系统的响应时间是标志系统反应快捷程度的重要参数,是现场应用的一个重要指标。因此,实验中对系统的响应时间进行了测试和分析。

将一水槽恒温在70 ℃,把一个2 m长的光纤圈放入恒温水槽中,系统的温度响应曲线如图6所示。可以看出,系统的温度响应时间为2～3 min,响应速度快,可以对温度场进行快速准确的测量。

4 结束语

本文设计的分布式光纤温度传感器可以对5 km的温度场进行有效测量,测量精度高,温度分辨率为1 ℃,空间分辨率为2 m,并且不易受外界影响,非常具有现场应用价值。光纤分布式喇曼温度传感器系统具有光纤的安全性和抗干扰特性, 并且一次测量就可以同时感知数公里长的一维温度连续分布,因此, 该传感器可应用于各种电力设施, 如变电站的控制电器、电力变压器和发电机组等强电磁干扰环境;各种大型仓库、油库、煤矿、隧道等场所; 可用于油井的温度检测,地热资源的探测,化工原料及危险品生产过程中的检测和航空、航天飞行器的在线检测等方面。

摘要：文章作者在对光纤背向喇曼散射温度效应进行理论分析的基础上,对基于反斯托克斯/斯托克斯散射光强比值型的光纤分布式喇曼温度传感系统作了详细的研究,对系统主要器件的要求进行了计算,研制了基于单模光纤的5 km分布式温度传感器。实验表明,系统能精确地进行分布式测温,温度分辨率为1℃,空间分辨率为2 m。

关键词：分布式传感器,喇曼散射,反斯托克斯散射光,斯托克斯散射光

参考文献

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[5]Guo Mingjin,Jiang Desheng,Yuan Hongcai.Fibergratingon-line monitor high voltage cable temperature[J].Electrical Ti me,2006,(1):76-78.

分布式光纤传感系统 篇4

近年来, 许多研究人员潜心研究拥有视觉、听觉、嗅觉、味觉、触觉人类五官的智能机器人系统。其中, 触觉传感器是人类与机器人之间的交互的重要手段之一[1]。在智能机器人和触觉接口中引入了好几种触觉传感器, 用来检测压力、质地和温度等的变化。一些应用微型机电系统的触觉传感器技术在这一领域得到了广泛应用[2,3,4,5]。但是, 在本论文中, 使用光纤传感器制造一种触觉传感器。光纤在某些恶劣环境下具有诸如敏感和抗干扰能力强的特性, 特别适合应用在在工业机械周围, 因为这里普遍存在电磁场和静电场。光纤传感器不受潮湿环境的影响。在本论文中, 我们设计了两种使用光纤传感器的触觉传感器。一种是利用光纤布拉格光栅 (FBG) 传感器的触觉传感器。这种类型的触觉传感器可以简单描述成有宽带光源和一些光纤光栅组成的波长复用方法, 在给定的光纤中拥有不同的布拉格波长。另一种采用微型光纤弯曲 (MBOF) 的触觉传感器在硅橡胶中使用横光纤结构。这种触觉传感器的类型也可以简单描述为采用光学纤维束布线。此传感器的光学测量系统由一个单光源和探测器紧凑的设计在一起。

2、光纤布拉格光栅触觉传感器

光纤布拉格光栅触觉传感器通过检测返回的布拉格信号波长的位移来感应压力和温度的变化。传感器系统包括布拉格光栅的典型工作---即从宽带源向光纤中注入光。结果, 光栅引起布拉格波长的窄谱分量的变化, 或者在传送过程中, 这一部分在观测到的光谱丢失。布拉格波长是由材料的折射率和光栅间距决定的。因此, 光纤布拉格光栅触觉传感器通过检测布拉格波长位移的改变来做出相应变化。因此, 光纤通过获取外部压力信息来引起自身动态压力的变化。

光纤布拉格光栅触觉传感器的设计与制作。

为了设计触觉传感器元件, 引起光强减弱和布拉格信号失真的微弯曲度必须考虑在内。为了避免这些因素, 我们设计为桥式传感器。在与传感器的轮辋密切相关的布拉格光栅光纤方向上, 这种传感器能够对称的扩展。

所制作对的样本传感器有待进一步评估。通过评测, 我们发现桥式传感器的布拉格波长和作用力之间的线性关系。原型传感器的精度为99.9%, 而分辨率约为0.001N。这种压力传感器的分辨率取决于用来测量布拉格波长的可调法布里-珀罗滤波器的精度。如果可调法布里-珀罗滤波器精度提高, 力传感器的分辨率会加强。同时, 通过对比, 这种传感器证明具有重复使用频率高和较小的延迟等优点。

3、光纤微弯曲触觉传感器

3.1 光纤微弯曲触觉传感器的结构与制造

为了设计光纤微弯曲触觉传感器, 我们使用了嵌入在硅橡胶中的横光纤架构。所设计的接触面具有相同的硅橡胶, 集中体现光纤横截面的外部接触力。当这一接触力作用于接触面时, 光纤的上表面和下表面通过硅橡胶内应力的变化同时发生微弯曲。在开始制作触觉传感器元件之前, 维数必须首先确定下来。该传感器因为要应用于机器人的人工皮肤上, 所以它的厚度是非常重要的。传感器越薄, 就越适合用于人工皮肤。通过实验验证, 在这篇论文中, 我们的传感器厚度为2mm。2mm的厚度能够使光纤嵌入到硅橡胶中而不至于裸露在外。由于硅橡胶传感器, 试验样本相当具有弹性, 因此, 他可以轻易的用于诸如曲面等各种形状。

3.2 光测量系统的设计

光纤微弯曲触觉传感器的光测量系统比光纤布拉格光栅触觉传感器更加紧凑, 因为此种传感器用普通光源, 同时通过检测光强度的改变来发挥作用。但是, 事实上, 这类触觉传感器相比于光纤布拉格光栅触觉传感器需要更多的光纤。触觉传感器分布的越广, 需要的光纤越多。为了解决这个问题, 我们引入光纤束。很多条光纤聚合在一起成为光纤束。因此, 通过使用光纤束, 许多条光纤被处理成一条线。

光纤微弯曲触觉传感器的光测量系统由一个简单的光源和一个光检测器组成。我们用一个小的LED灯作为光源, 用电荷耦合器件作为这个传感器系统的光检测器。通过使用两者, 整个光测量系统的尺寸变得最小。每个光纤的强度变化可以由电荷耦合器测量一次, 即使使用的光纤束也是这样。同时, 光强的改变由电荷耦合器的输出信号进行计算。用电荷耦合器输出信号的灰度值来表示光纤的光强度的变化。

3.3 光纤微弯曲触觉传感器的评价

这种传感器的敏感系数为-20灰度值/N, 这个样本传感器的分辨率为0.05N。通过校准传感器的灵敏度, 可以获得传感器的确切的负载量。校准过程是非常简单的。我们把敏感度和光强改变量相乘, 可以计算出传感器的负载量。但是, 会有约6.3%的延迟误差。因为此类传感器的原材料硅橡胶的特质是非线性的, 所以这种延迟误差无法避免。重复性误差约为2%。硅橡胶也对传感器的负载产生一定的影响。通过相同的实验设备, 我们验证了实验样本传感器的最大负荷量。光强变化和应用负载之间的线性关系在承载量达到15N时产生变化, 成非线性关系。通过插入接触面的不同, 这种现象可以用来估算硅橡胶接触面所承受压力的突变量。因此, 这种传感器的最大承载量为15N, 这是保证光强成线性变化的临界点。

4、结语

光纤布拉格光栅触觉传感器通过检测布拉格波长的变化来获得额外的分布力信息。这种传感器有一个桥式传感器和一根光纤组成, 结构比较简单。这类桥式传感器能够修正嵌入在光纤中的布拉格光栅微小弯曲和鸣响的影响。我们制作和评价了光纤布拉格光栅触觉传感器。结果, 所制作的光纤布拉格光栅触觉传感器表现出了很高的准确性, 分辨率达到了0.001N。同时, 我们设计和实验了光纤布拉格光栅触觉传感器的3*3光纤传感器阵列。这个3*3的传感器阵列在每根光纤中有九个不同的布拉格光栅。也就是说, 设计一种简单的接线和结构紧凑的触觉传感器系统是可能的。但是, 光纤布拉格光栅触觉传感器的测量系统相当笨重和昂贵。

对于光纤微弯曲触觉传感器, 嵌入在弹性硅橡胶中的横光纤结构也是较为简单的。负载强度和光强变化的线性关系已经有实验得出。所制作的样本实验传感器有很好的表现:传感器的分辨率为0.05N, 最大承载量为15N。但是, 因为传感器本身材质硅橡胶的原因, 有一个小的延迟误差存在。我们设计了基于传感器的光纤织物结构的触觉传感器。当我们设计了触觉传感器的时候, 需要很多光纤, 但是我们可以使用光纤束把它们集成一束光纤。触觉传感器的测量系统是由一个LED灯和一个由光源和检测器组成的电荷耦合元件组成的。由于使用了小的LED和电荷耦合元件, 这种传感器的测量系统相对于光纤布拉格光栅触觉传感器, 更加紧凑。

参考文献

[1]Nicholls and Lee“Tactile sensing for mechatronics–astate of the art survey”, Mechatronics, Volume 9, Issue 1, 1 Feb-ruary 1999, Pages 1-31

[2]T.Mei, W.J.Li, Y.Ge, Y.Chen, L.Ni and M.H.Chan, “An integratedMEMS threedimensional tactile sensor with large forcerange”, Sensors andActuators (A) , Vol.80, pp155-162, 2000.

分布式光纤传感专利技术综述 篇5

分布式光纤传感器是采用独特的分布式光纤探测技术,对沿光纤传输路径上的空间分布和随时间变化信息进行测量或监控的传感器。它将传感光纤沿场排布,可以同时获得被测场的空间分布和随时间的变化信息。分布式光纤传感系统原理是同时利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质,采用先进的OTDR技术,探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化,实现真正分布式的测量。

分布式光纤传感器主要应用于结构监测、渗漏探测、交通运输、安全系统、光纤通信和环境测量等领域。分布式光纤传感技术是目前光纤传感领域研究的热点,本文主要通过对专利信息的分析对分布式光纤传感技术进行梳理和展望。

1 分布式光纤传感技术专利申请整体状况分析

分布式光纤传感技术是在20世纪70年代末提出的,它是随着现在光纤工程中仍应用十分广泛的光时域反射 (OTDR) 技术的出现而发展起来的。其最显著的优点就是可以准确地测出光纤沿线上任一点的温度、应变、振动和损伤等信息,无需构成回路,能够实现大范围测量场中分布信息的提取。

从提出到现在,分布式光纤传感有很大的发展,并在3个方面取得突破 :基于瑞利散射的分布式传感技术 ;基于拉曼散射的分布式传感技术 ;基于布里渊散射的分布式传感技术。其中,基于瑞利散射和拉曼散射的研究已经趋于成熟并实用化。基于布里渊散射的分布式传感技术的研究起步较晚,但由于它在温度、应变测量上所达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他分布式光纤传感技术,因此这种技术在目前得到广泛关注与研究。

图1是从分布式光纤传感技术从提出到现在全球历年的专利申请量状况。从图1可以看出,在1979年前,分布式光纤传感技术处于起步阶段,专利申请量较少,进入80年代后,分布式光纤传感技术开始发展,专利申请量开始逐年递增,到2011年专利申请量达到顶峰,突破500件。

分布式光纤传感技术相关专利申请国家或地区分布如图2所示,从图2可以看出,分布式光纤传感技术相关专利的主要申请国家和地区是中国(1846件,20%)、美国(1605件,18%)、日本(1498件,17%)和欧洲(721件,8%)。我国的相关专利申请量排在全球第一位跟我国有众多的科研院所重视研究该技术有很大关系。

2 几种主要的分布式光纤传感技术专利申请状况

基于瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤传感技术的基础,它在20世纪80年代初期得到了广泛的发展,然而由于该技术测量精度低、传感距离短,目前关于这方面的研究报道也越来越少。相关的专利主要有 :GB2261507A(公开日 :1993年5月19日,申请人 :Electric Power Research Institute Inc,发明人 :Anthony A Boiarski,Vincent D Mc Ginniss)、CN101158592(公开日 :2008年4月9日,申请人 :北京航空航天大学,发明人 :杨远洪、夏海云、牟宏谦)、WO2010034986A1(公开日 :2010年4月1日,申请人 :SCHLUMBERGER HOLDINGS LIMITED,发明人 :KIMMIAU等)等。

基于拉曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术。对该技术开展研究工作的主要有英国南安普敦大学、中国的重庆大学和中国计量学院。相关的专利主要有 :US5146521A(公开日 :1992年9月8日,申请人 :York Limited,发明人 :Arthur Harold Hartog)、US6874361B1(公开日 :2005年4月5日,申请人 :HALLIBURTON ENERGY SERVICES INC等,发明人 :Gerald Meltz等)等。

基于布里渊散射的分布式光纤传感技术继承了分布式光纤传感技术的优点,能够连续测量光纤沿线各点的温度和应变,特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。目前,基于布里渊散射的温度和应变传感技术的研究集中在5个方面 :基于布里渊光时域反射(BOTDR)的分布式光纤传感技术 ;基于布里渊光时域分析(BOTDA)的分布式光纤传感技术 ;基于布里渊光频域分析(BOFDA)的分布式光纤传感技术 ;基于布里渊光相关域分析(BOCDA)的分布式光纤传感技术 ;基于布里渊光相关域反射(BOCDR)的分布式光纤传感技术。相关的专利主要有 :EP1734223A2(公开日 :2006年12月20日,申请人 :Vetco Gray Controls Limited,发明人 :Mendez等 )、US7283216B1(公开日 :2007年10月16日,申请人 :NPPHOTONICS INC,发明人 :Jihong Geng等)、CN100439860C(公开日 :2008年12月3日,申请人 :光纳株式会社,发明人 :岸田欣增等)等。

3 分布式光纤传感技术重要申请人的技术路线

针对本领域的重要申请人QINETIQ LTD进行技术路线分析,其申请人入口为QINETIQ LTD,一共包含32篇相关专利。

2010年之后申 请量为22篇 ;2010年之前的申请量为10篇 ;最早一篇申请出现在2002年,2010年之后发展迅速。

最早的申请即US20050051022A1主要是关于音乐仪器的声波检测,其后的申请也基本上全是利用分布式光纤传感技术来检测声音和应变。

本领域的另外一位比较重要的申请人SCHLUMBERGER TECHNOLOGY CORP有28篇相关专利。2010年之前的申请量为15篇,2010年之后的申请量为13篇,最早的申请出现在1981年。

目前,分布式光纤传感技术的研究主要集中在基于布里渊散射的分布式光纤传感技术,预计未来有关基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的专利申请量还会持续增长。

摘要：本文立足于专利文献,从专利的角度对分布式光纤传感技术进行了介绍和分析,梳理了分布式光纤传感技术的发展路线,对国内外涉及分布式光纤传感技术的专利申请进行了统计和分析,为相关领域的审查工作提供技术支持,也为相关的企业和研究机构提供了参考。

分布式光纤传感系统 篇6

1. 分布式光纤传感器的基本组成的分类

1.1 分布式光纤传感器的基本组成

一般情况下，光纤传感器由光源、传感或传输用光纤、光电检测器、解调器及信号处理电路等部分组成。光纤传感器突出的优点是光信号不仅能直接感知，而且还可以利用半导体二极管，进行光电转换，还具有可靠性好、体积小、重量轻、硅资源丰富、抗腐蚀、耐高压、抗电磁干扰、电绝缘性能好等特点。分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤;一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测量的二维和三维分布情况;系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值;

1.2 分布式光纤传感技术的分类

分布式光纤传感技术可分为4类：(1)利用后向瑞利散射的传感技术;(2)利用喇曼效应的传感技术;(3)利用布里渊效应的传感技术;(4)利用前向传输模耦合的传感技术。

2. 基于分布式光纤传感技术在石油行业企业现场总线监控中的应用

本文将采用PROFIBUS现场总线控制系统，以光纤温度传感器等光纤传感器为现场检测手段，通过PLC进行数据采集，在利用现场总线和IT技术对数据进行处理，从而实现安全实时监控的光纤传感安全监测系统。基于现场总线技术的自动化监控的特点是现场总线技术用一条通信电缆将控制器与现场设备接，使用数字化通信完成底层设备通信及控制要求。其相对于传统分布式监控系统的优点是：(1)降低了系统及工程成本。对大范围、大规模I/O的分布式系统来说，基于分布式光纤传感技术在石油行业企业现场总线监控系统省去了大量的电缆、I/O模块及电缆敷设工程费用，降低了系统及工程成本。(2)系统可靠性高、可维护性好。基于分布式光纤传感技术在石油行业企业现场总线监控采用总线连接方式替代1对1的I/O连线，对于大规模I/O系统来说，减少了由接线点造成的不可靠因素。同时，系统具有现场级设备的在线故障诊断、报警、记录功能，可完成现场设备的远程参数设定、修改等参数化工作，也增强了系统的可维护性。(3)增强了现场级信息集成能力。基于分布式光纤传感技术在石油行业企业现场总线监控系统可从现场设备获取大量丰富信息，能够更好的满足工厂自动化的信息集成要求。现场总线是数字化通信网络，还可实现设备状态、故障、参数信息传送。系统除完成远程控制，还可完成远程参数化工作。(2)开放式、互操作性、互换性、可集成性。不同厂家产品只要使用同一总线标准，就具有互操作性、互换性，因此设备具有很好的可集成性。系统为开放式，允许其它厂商将自己专长的控制技术，市场上将有许多面向行业特点的监控系统。

2.1 应用要求

某石油行业企业炼油厂油品罐区有1#、2#、3#等3个分站。根据安全管理要求和现场情况，拟新建1套监控系统将，监控站设在2#操作室。通过对罐区操作参数如阀门回讯、液位报警等信号及周围环境参数如可燃气体报警、温度、湿度等信号的集中采集，这样不仅可以进行生产上的集中监控，而且可以综合各种安全监控参数，可以实现生产和安全的双重监控功能。

2.2 系统组成

本系统由生产控制系统和安全控制系统两大部分组成。生产控制系统负责设备自动控制、数据信号采集和生产管理，安全控制系统负责安全监督与远程安全监控。这两部分具有相对的独立性与互相的联合性，构成了一个有机的整体。现场控制系统采用profibus现场总线，现场设备采用西门子公司S7-400系列PLC。生产系统可分为两层，分别为检测层和操作层。检测层为危险区，由相关的光纤传感器进行检测，现场采集的光信号在操作层经过光电转换转换成电信号，并直接传送PLC进行处理。PLC和扩展单元之间profibus连接，并且在各个分站通过profibus设置分监控站。PLC和监控系统之间使用ethernet连接，现场采集的温度信号、开关量、液位信号通过etherne进入操作层系统监控，这样使得PLC系统相对独立。

2.3 安全程序

(1)数据采集，采集生产与运行中控制系统传递的参数;(2)对采集的阀门回讯信号，对比流程管理，找出某一时间段的活动流程;(3)对当前活动流程，找出必须关闭的阀门;(4)冲突流程分析，根据阀门和公用管线进行组态分析，找出不能同时运行的流程;(5)若环境可燃气浓度报警时，则判断是否连续3点报警，若是，则启动预案系统。(6)对罐操作参数进行分析，若温度存在硬报，则指示打开相应的安全设施;(7)若出料的流程，液位发出低限硬报时，则提示切换流程，(8)若进料流程，液位超过设定的高度，则提示切换流程，并根据有关原则，找出待切换的球罐，按先开后关的原则进行切换。

2.4 运行测试

基于分布式光纤传感技术在石油行业企业现场总线监控系统经过安装、调试，运行情况良好。并通过了有关部门的验收。达到了以下功能：光纤液位计仪表测试范围：0-10m，测量精度：2mm，分辨率为1mm，当液位达到3.30m时，二次仪表发出声光报警(软报警)，当液位低于3.29m时，停止报警，当温度下降到10.1℃时，温度报警发出声光报警，上升到10.2℃时停止报警。系统监控画面可直接显示各储油罐油泵工作状态，阀门开关状态，班报日报、月报并具备打印功能。

3. 基于分布式光纤传感技术在石油行业企业现场总线监控中的应用配套措施

在抓安全管理上严格按照“三不放过”的原则认真对每次生产进行过程分析，定期召开安全例会。总结每次运行的安全情况找出可取经验，同时制定出对策进行实施。把存在的任何安全问题当成大事故，严格分析、追究、兑现。通过严要求、严管理实施安全工程，高标准高境界的教育，使得本企业的生产与运行一直无出现安全事故。

总之，石油行业企业的安全生产监控系统是一个集控制、管理、监测于一体的分布式系统。基于分布式光纤传感技术在石油行业企业现场总线监控系统以PLC构成系统的底层控制站，完成生产过程的数据实时采集和过程控制，并在此基础上建立了远程监控系统，整个系统实现了生产参数自动检测、自动控制，提高了企业工艺自动化水平，也极大改善了安全生产状况，值得推广应用。

参考文献

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分布式光纤传感系统 篇7

关键词：动力电缆,光纤传感,布里渊散射,温度,变形

1 引 言

当前,随着我国油田在渤海湾浅海地区石油资源开发规模的扩大,相应地浅海地区固定式采油井组平台也越建越多,需要敷设的海底动力电缆也越来越多。如胜利油田浅海海域的钻井平台,其中大多数平台由陆上海洋变电站采用11 kV或35 kV高压海底电缆供电,由于电缆的高负荷运行、海域的复杂地质结构和海上的复杂运行环境,使得运行中的电缆经常出现断路、短路等故障,影响生产,也带来巨大经济损失。因此,对运行电缆进行在线监测将是保障电缆健康运行的重要措施。从有关文献资料得知,日本学者Nishimoto T,在1996年对一个岛上的66 kV的高压电缆内使用分布式光纤温度应变传感来监测船抛锚和人为的一些机械破坏[1,2],取得了一些好的效果;1997年,亚喀巴湾横跨海峡连接约旦和埃及的400 kV海底电缆,采用拉曼散射的分布式光纤温度监视电缆内部温度的变化,从而可对高压电缆导线运行电流和电压状况进行监测,该系统一直应用至今;国内对陆地高压电缆的表面温度也采用基于拉曼散射的分布式光纤温度传感技术进行监测[3,4];西安交通大学罗俊华等人主要研究采用局部放电的方法对高压电缆进行短距离在线监测。但目前这些研究的对象要么是陆地高压电缆,要么采用的方法和技术单一,对敷设在浅海域淤泥质海床上的高压动力电缆在线监测难以直接应用。为此,本课题在分析海底电缆产生故障机理的基础上,提出采用分布式光纤传感监测海底电缆的方法,通过模拟和实验验证,为海底电缆的健康运行、监测、维护、管理提供帮助。

2 XLPE(交联聚乙烯)浅海域海床动力电缆故障分析和数值模拟

通过课题组前期研究,对运行中的电缆,除了电缆设计制造、敷设、运输中遗留下来的隐患故障外,在电缆运行中的负载变化和电缆所处海域海床的力学破坏是电缆运行中引起损坏和故障的主要原因。

通常情况下,动力电缆正常运行的负载与电缆内部温度有直接关系[4,5],动力电缆的额定功率由电缆缆芯周围的介质阻热率决定,进一步由缆芯周围温度来决定。对处在海床内湿度环境的电缆,随着温度的增高,周围的土壤变热,阻抗增加,绝缘性变差,反过来进一步加剧电缆温度上升,绝缘破坏加快,以致电损增加和电缆承担力减小。因此,对电缆正常运行中的负载变化,即电缆内部的温度状况进行监测是保证电缆正常运行的一种重要措施。三芯动力电缆内部温度分布可简化为一个二维的传热问题,应用有限元数值模拟分析,可得三相动力电缆发热后的内部截面温度场。为研究方便,简化电缆的参数,假定海底电缆截面结构主要由导体、中间XLPE绝缘部分、绝缘屏蔽及防护部分三层组成,三相间的填料物参数可设为:密度为700 kg/m3,热容为2 310 J/(kg·K),导热系数为0.173 W/(m·K);中间XLPE材料的参数为:密度为2 800 kg/m3,热容为856 J/(kg·K),导热系数为2.25 W/(m·K);外层绝缘防护材料的参数为:密度为600 kg/m3,热容为795 J/(kg·K),导热系数为0.07 W/(m·K)。电缆外表面取空气温度为20 ℃,假定三相通电导体的故障温度分别为80 ℃,82 ℃和85 ℃。数值模拟如图1所示,由此可直观得到,若在电缆内部布置分布式温度传感器,在截面不同位置处监测到的温度会不同,电缆截面温度场的模拟可为内部布置的传感元件感知温度,反演电缆负载变化提供理论依据。若电缆导体外的中间绝缘XLPE的导热系数变化为0.02 W/(m·K),其他参数保持不变,也就是隔热能力很强,所模拟的电缆内截面温度场分布如图2所示。

若电流产生的三相线芯导体有一相产生短路故障后,会导致断电跳闸,故障相温度90 ℃,其他两相瞬间分别为30 ℃,则发生故障瞬态的截面温度变化数值模拟如图3所示。

海底地质条件复杂,淤泥质海床不稳定性、地貌形态不均匀,淤泥滑坡滑移,加之波浪动力学的综合作用,会对埋入海底的动力电缆产生巨大的剪切力、拉力、扭矩作用,进而使电缆变形,损伤到里面的铠装层、绝缘层,从而对地放电、短路引起故障。若在海底动力电缆三相间敷设分布式应变传感器,则在电缆受到外力变形时,应变传感器可监测到。利用有限元分析方法来模拟电缆应力场变化更直观,图4是三相电缆外部受压引起变形的应力场截面有限元模拟图。

3 XLPE浅海域海床动力电缆的分布式光纤传感在线监测机理及设计

高功率激光脉冲入射到光纤中,在传播的过程中与光纤分子相互作用产生瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射三种散射光。其中,布里渊散射基本原理是利用光纤单一截面上的布里渊散射光谱中心频率的漂移量与光纤所受的轴向应变和温度之间的线性关系[6,7],如式(1)所示

Δv(z)=C1·Δε(z)+C2·ΔT(z) (1)

式中:Δv(z)——布里渊光频移变化量;Δε(z)——传感光纤z(离入射端面距离)处的应变变化;ΔT(z)——传感光纤z处的温度变化;C1,C2——光纤的布里渊频移应变和温度系数,1 550 nm波长的入射光在普通单模光纤中各个系数为:C1=0.049 3 MHz/με,C2=1.2 MHz/℃。通过测量分析中心频率的漂移变化,便可得到光纤的外表温度和轴向应变。目前应用该技术进行温度与应变同时测量的主要有基于光纤光时域反射(OTDR)的布里渊时域反射计法(BOTDR)的分布式光纤传感器和基于光纤光时域反射(OTDR)的布里渊时域反射分析技术(BOTDA)的分布式光纤传感器,他们的主要区别是BOTDR利用自发的布里渊散射,只需要单端测量,实际使用时比较方便;而BOTDA技术则利用受激布里渊散射,双端测量,但测量精度高。本课题采用基于BOTDR的自发布里渊散射,便于现场采用。基于分布式光纤布里渊散射的传感器既可同时实现温度和应变的连续点测量,又能很容易地敷设在电缆内部,结合渤海湾海域海底电缆出现故障的现场情况,我们设计定做了35 kV的XLPE海底用实验电缆,在XLPE电缆成缆过程中,实现内部三相填充物之间加入三组单模光纤,每组至少3根,确保测试光纤的冗余,其结构示意如图5所示。

4 XLPE海底高压动力电缆分布式光纤传感测试

将BOTDR的分布式光纤温度应变分析仪与实验电缆内的一根单模传感光纤熔接在一起,可以进行数据采集与分析,由于直接对电缆加高压负载比较困难,实验中从电缆外部加热来模拟电缆本体温度的变化,实验时将内部有传感光纤的电缆放在恒温水槽中,保持自由不受外力状态(仅监测电缆本体温度变化),分别加热到40 ℃和60 ℃,保持一段时间稳定,测试内部的光纤传感温度感应曲线如图6所示。分布式光纤传感器能基本探测到温度的变化和温度的分布。将该电缆从水槽中取出,保持电缆外表环境温度稳定后,在电缆的50 m和100 m处施加外力,产生打扭弯曲,监测到内部的2根传感光纤探测的应变与变形比较明显,如图7所示。由于分布式传感光纤在电缆内的空间分布不同,每根光纤内部敷设后的余长不同,对应光纤在电缆内的自由状态就不同,所以,电缆受扭弯曲后,截面不同处传感光纤感测的应变也将不同;此外,电缆弯曲时受拉部分的光纤能感测应变,受挤压部分的光纤则呈松弛状态,没有变化,这也是电缆弯曲变形后,不是所有的光纤能探测到应变的原因,但感测应变的所有光纤测试数据的变化趋势应一致。

结合渤海湾埕岛海域敷设含有分布式光纤的新动力电缆的现场施工工程,确定靠近海堤边的动力电缆作为试验段,通过内部的光纤传感器监测电缆敷设后的沉降动态变化,同时与水准观测仪的定点观测数据进行对比。由于BOTDR测量得到的是一个相对变化[8,9],需要把初始敷设数据作为系统的监测基准值,为后期的监测数据提供对比依据,同时还要剔除因为温度变化、电缆敷设的预留长度、电缆敷设后的滑移等一些因素造成的影响。敷设完工稳定后测得的7个观测点和常规水准仪测量的数据对比曲线如图8所示。

由于试验段是电缆在海堤淤泥下沉陷后的变形,整个测试段电缆的温度基本相同,不需要温度补偿,从图中仪器测试的分布式光纤传感应变监测数据分析看出,应变分布与现场沉陷情况比较吻合,大应变对应较大的堆载,分布式光纤传感器的变形量与水准仪测量的电缆敷设后的整体沉降趋势也吻合,计算得到的最大偏差为-94 mm,5个水准观测点平均偏差为39.2 mm,能有地效反应电缆受到的拉伸、弯曲应变。

5 结 论

利用布里渊散射的分布式光纤温度应变传感监测技术实现海底高压动力电缆的在线温度和应变的监测与定位。通过实验室模拟和现场电缆敷设测试及与传统仪器测试对比,分析结果证明,内部有分布式光纤传感的动力电缆可实时敏感地检测到电缆外部的应力应变以及电缆内部温度的变化。

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分布式光纤传感系统 篇8

分布式光纤传感技术是近年来发展迅速的一种新型传感技术,其基本原理是利用同一根光纤传输和感知信号,对长达几十公里的光纤不同位置处的温度、振动和应变等物理量的变化进行探测并定位,实现真正的分布式测量。由于光纤传感具有其他传感技术无可比拟的优势,如抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高温,以及长距离、高精度、分布式测量等,还能够提供被测物理参量沿整个光纤路径的空间分布及其随时间变化特征,因此可以广泛的应用于国土安防、围界入侵监测、建筑物健康监测、输油管道监测等领域。目前,光纤传感器已成为最具市场发展前景的传感技术之一[1,2]。

分布式光纤传感器按照原理可分为:基于干涉仪原理的分布式传感技术,如马赫-曾德干涉原理的分布式传感器与光纤陀螺;基于光时域后向散射(OTDR)原理的分布式传感技术,如基于后向瑞利散射、后向拉曼散射与后向布里渊散射的传感器;基于波长扫描型的分布式传感技术,主要有光纤布拉格光栅传感器[3]。其中,基于相干后向瑞利散射光时域反射原理的分布式光纤传感技术是最受关注与迅速发展的技术之一。它采用超窄线宽光纤激光器向传感光纤注入强相干脉冲光,由于光纤折射率不均匀产生的后向散射是相干瑞利散射,因此传感光纤上每一点对外界的扰动都非常敏感。然而,由于光纤激光器出射的连续光经过脉冲调制后损耗比较大,并且后向散射信号的强度也很弱,信噪比较低,所以必须对调制后的脉冲进行预放大,以提高后向散射信号的动态范围和信噪比。本文通过实验,设计了一种优化的掺铒光纤放大器(EDFA),搭建了基于相干后向瑞利散射的传感系统,探讨了电光调制器(EOM)偏置电压设置、传感长度以及传感光纤前后端菲涅耳反射等因素对注入脉冲消光比与后向散射信号的影响。

1 实验系统

1.1 EDFA的设计

对基于相干后向瑞利散射的分布式光纤传感系统而言,放大后的矩形脉冲所产生的畸变对系统的影响可以忽略,而放大后脉冲的峰值功率与消光比是两个不可忽略的关键因素。首先,如果峰值功率过低,就难以探测到传感光纤中的瑞利散射,所以放大后的峰值功率必须达到一定的量级;其次,因为经过脉冲调制器调制后的信号光并不是理想的矩形脉冲,即在波谷处光功率并不为零,所以在设计系统的EDFA时特别要考虑放大后脉冲的消光比的变化,使其处于最优值。此外,放大后产生的自发辐射放大光(ASE)也会给系统带来额外的噪声,需要通过滤波器滤除[4]。

基于上述因素搭建的EDFA系统原理图如图1所示。系统采用两级放大结构,主要包括一个980 nm的泵浦激光器、两段掺铒光纤、两个带通滤波器和两个隔离器。信号光经过电光调制器调制成频率为2 kHz的脉冲(脉冲宽度可调),然后经过掺铒光纤的两级放大后输出。带通滤波器1用来滤除第一级放大后产生的ASE光,以限制ASE光经过第二级放大时消耗反转粒子数,提高放大效率。隔离器1主要用来隔离第二级放大产生的后向ASE光进入第一级放大,防止其降低第一级放大的效率[5]。

1.2 相位敏感的OTDR传感系统

相位敏感的OTDR传感系统主要包括窄线宽光纤激光器(Δν=3 kHz)、电光调制器、EDFA、光环形器、传感光纤与光电探测器,如图2。光纤激光器输出波长为1 550 nm的连续激光,通过EOM调制成窄脉冲后进入EDFA。被EDFA放大后的脉冲光经光环形器端口1耦合进环形器,通过端口2注入传感光纤。传感光纤产生的后向散射信号从环形器端口3输出,并耦合进光电探测器,通过数字采集卡采集信号进行处理[6,7,8]。鉴于后向散射信号比较微弱,信噪比较差,系统的探测器选用了Nufern公司生产的带有前置放大的高灵敏、低噪声光电探测器;使用60 M的采集卡进行数据采集[9‐10]。

假设注入光纤的脉冲峰值功率为0P,距离光纤前端为z处,光纤产生的后向瑞利散射光返回光纤前段的光功率Pbs(z)

其中:S为反向散射系数;s为瑞利散射因子;c为真空光速;0n为纤芯折射率;为光脉冲宽度;为光纤损耗常数;z为散射点距离入射端距离,它由发射脉冲与返回光信号的时间差t及光在光纤中的传播速度决定[2]。

2 实验结果分析与讨论

2.1 放大前后脉冲光消光比的变化

设置EOM调制脉冲频率2 kHz,脉冲持续时间200 ns,占空比为1:2 500,此时输出脉冲的平均功率是3 W。经EOM调制后输出脉冲光的消光比和经EOM调制、EDFA放大后输出脉冲光的消光比变化如图3所示。从图3(a)可以看出,脉冲光的消光比随着EOM所加偏置电压的增大先增大后减小,偏压值在1.7 V时脉冲光消光比最好,约为16.63 dB,此时所对应的脉冲峰值功率是3.44 mW。对于经EOM调制、EDFA放大后的脉冲光,EOM偏压值在1.9 V时,放大后脉冲光的消光比最好,约为23.1 dB,此时脉冲峰值功率是150 mW。将两次结果进行对比可知:使用EOM调制脉冲时,输出光消光比有限(25 dB),但通过合理的设置EOM偏置电压,经EDFA放大后的脉冲光不仅峰值功率有了明显的提高,而且消光比也有较大的提升;脉冲光放大后EOM偏置电压最佳消光比的位置(1.9 V)相对于放大前的最佳消光比位置(1.7 V)发生了偏移。实验结果跟脉冲光放大理论相符合,即当一束脉冲光经过EDFA时,波峰会消耗大量的上能级粒子,由于反转粒子数得不到及时补充,而当波谷经过掺铒光纤时,波谷得不到充分放大,因此最终波峰的放大倍数大于波谷,脉冲光消光比得到提高。

2.2 不同传感长度对瑞利散射波形的影响

脉冲光的消光比对信号的稳定性有着重要的影响。由于EOM调制的脉冲信号在波谷处并没有达到理想的消光(EOM偏压1.7 V时波谷光强3.44 mW),通过EDFA放大后波谷也会被放大,因此注入传感光纤中的脉冲信号就包含了一个直流分量,并且导致获得的后向散射信号也包含有一个后向散射直流分量。这个后向散射直流分量是由注入脉冲的直流分量在传感光纤上每一点的后向散射叠加而成。所以,如果注入脉冲的消光比较差,含有一个较高的直流分量的话,后向散射信号就很容易使光电探测器产生饱和。同样,即使注入脉冲的直流分量产生一些微小波动,叠加到传感信号后每一点的波动也会很明显,这会严重影响到散射信号的稳定性,因此必须要限制注入脉冲直流分量对散射信号的影响。由于EOM调制能力有限(消光比25 dB),通过减少传感长度来降低后向散射直流分量的大小,是获得较为稳定的后向瑞利散射信号的有效方法。

不同传输距离上的后向散射叠加结果如图4所示,其中图4(a)是传感距离为12 km时,10次后向散射信号的叠加结果;图4(b)是传感距离为4 km时,10次后向散射信号的叠加结果。可以看出:当传感距离为12 km时,后向散射信号波动较为剧烈,由信号尾端平缓处可以看出(此处是没有脉冲注入时的散射信号,即脉冲直流分量导致的散射信号),直流分量导致的散射信号波动达到0.55个单位。由图4(b),当传感距离为4 km时,由后向散射信号尾端可以看出散射信号波动范围大约0.16个单位。由此可知:在注入脉冲光消光比一定的情况下,相对于长的传感距离,较短的传感距离可以明显地降低注入脉冲直流分量对系统的影响,获得较稳定的信号输出。而如果要获得更长的传输距离,则必须进一步提高信号的消光比。

2.3 传感光纤前后端菲涅耳反射对波形的影响

由上节可知,光纤中直流分量会随着传感距离的增长对整个瑞利散射波形产生较大的影响,导致散射波形的不稳定。同样,如果不对传感光纤尾端做适当处理,消除尾端产生的强菲涅耳反射,后向散射波形也会受到脉冲信号直流分量的较大影响,产生剧烈的波动。图5给出了尾端反射信号对瑞利散射波形的影响。图5(a)和图5(b)分别是未消除尾端反射时,散射信号单次采样和100次采样平均的结果。可以看出,尾端的强反射对整个时间段上的瑞利散射波形都产生了较大的影响,信号波动剧烈,即使是100次采样平均,信号仍然不稳定,并伴有畸变,并且易导致探测器的饱和,降低光电转换效率。当消除了尾端反射时(将传感光纤尾端端面切割成斜面,并且将尾端几十厘米的光纤绕在直径仅0.5 cm的圆柱上,加大光纤的弯曲损耗,从而消除尾端反射),无论是散射信号单次采样还是100次采样平均的结果,系统都可以获得稳定、优良的后向瑞利散射波形,结果如图5(a)和图5(b)。同样,由图5(c)和图5(d)还可以看出,散射信号的前端也存在一个菲涅耳强反射,它给系统带来的影响与尾端反射一样,所以也必须消除,这里通过直接将传感光纤与光环形器熔接起来消除前端反射,最后的散射波形如图6所示。因为系统采用的光源线宽极窄,传感光纤各点的瑞利散射具有强相干性,所以后向散射信号是各点散射相互干涉的结果。由于相位差的不同,散射信号既有相干增强点,也有相干抵消点,所以φ-OTDR系统的散射图形为锯齿状。

3 结论

本文以实验为基础,分析了注入脉冲光的消光比、传感长度以及传感光纤前后端菲涅耳反射等几个关键因素对系统后向瑞利散射波形质量的影响。从实验结果可以看出:通过适当地设置EOM的偏置电压,信号光经过EDFA放大后,在脉冲峰值得到放大的同时可以有效的提高脉冲信号的消光比;通过研究传感长度与传感光纤前后端菲涅耳反射对后向瑞利散射波形的影响发现,当注入脉冲光消光比较差,含有较大的直流分量时,过长的传感距离和传感光纤前后端的菲涅耳反射都可能会给后向瑞利散射信号带来较大的波动,导致探测器产生饱和,进而严重的影响到瑞利散射波形的质量与稳定性。

摘要：基于相干后向瑞利散射原理搭建了一套分布式光纤传感系统,并设计了一种优化的掺铒光纤放大器。以此为基础进行实验,分析了消光比、传感距离和传感光纤前后端反射等几个关键因素对相干后向瑞利散射波形的影响。实验结果表明:适当地设计电光调制器偏置电压与掺铒光纤放大器,可明显改善注入脉冲信号峰值功率和消光比;由于注入信号光消光比的限制,短距离传感比长距离传感更容易获得优良的散射信号;消除传感光纤前后端的菲涅耳反射也能显著提升散射信号的质量与稳定性。

关键词：分布式光纤传感,后向瑞利散射,消光比,传感长度,菲涅耳反射

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