光纤监测技术

光纤监测技术（精选12篇）

光纤监测技术 篇1

摘要：基于电力系统光纤状态监测现状, 提出4种光纤网络集中监测方案, 并对这些方案进行比较分析, 重点阐述基于ARD-OTDR的光纤状态智能监测技术的原理和应用。

关键词：光缆,状态监测,OTDR,光开关

0 引言

国家电网及省级电力公司通信设备集中巡检工作规定强调提升通信设备全寿命管理水平, 加强和规范通信设备状态监测管理, 及时发现和消除通信缺陷, 确保通信设备处于健康状态。规定对光缆维护的日常巡视、专业巡视、专业检测提出了具体要求, 其中包括主干光缆资源备纤测试一年两次, 其它光缆一年一次的专业检测要求。

目前, 主要使用手持OTDR、光源、光功率计等设备进行分段测试。淮安供电公司有变电所148个、供电所159个, 光缆资源约4 026km, 每年仅针对光缆专业巡检就必须组织大量人员去现场, 不仅耗费人力物力, 还效率低, 准确率不高。因此, 在光缆维护方面迫切需要一个能集中进行光纤状态检修的智能维护解决方案。

1 备选解决方案比较

目前, 主要有以下几种光纤网络集中监测解决方案。

1.1 在OLT上内置测试模块

在OLT上内置测试模块方案需要在每个通信设备板卡 (如OLT板卡) 上加装OTDR测试模块, 并需要对现有的OLT进行软、硬件升级改造。该方案受OLT内部空间、光电相互干扰、测试功能有限等限制, 且只适用于PON技术的接入网测试的场景, 对局间中继光缆等场景则无法实现测试, 因而可行性低[1]。

1.2 网管仿真与人工定位结合

网管仿真与人工定位结合方案主要通过软件访问、网管数据分析, 结合维护人员经验, 定性判断网络故障。该方案成本低, 但依赖于维护人员经验, 且对光纤链路故障只能定位到一个距离范围内, 无法准确定位, 对同一分光器后用户很少等场景, 也无法定性判断故障。

1.3 外置OTDR+用户终端加装反射器

外置OTDR+用户终端加装反射器方案需要独立于OLT等设备的专门测试设备OTDR, 并在每个用户终端 (ONU) 前需安装一个反射器。该方案由于需要在每个ONU客户入户安装一个反射器, 因此不仅成本非常高, 而且对每个ONU做入户安装导致其可操作性差, 同时每个反射器自身也会引入一个故障点。

1.4 外置OTDR+光开关

外置OTDR+光开关方案仅需在局端部署一台OT-DR, 在局端或模块局部署多台光开关 (光开关间可采用级联方式) , 即可满足同时对多条光纤链路的测试需求。该方案与方案1.3方案相比, 无需在用户终端安装反射装置, 成本降低, 可操作性增强。

2 光纤状态智能监测技术

综合分析几种解决方案的优缺点及可行性, 确定方案4能够满足该网络内光纤监测需要。方案4组网如图1所示。

2.1 ARD-OTDR (增强性光时域反射仪) 的应用

OTDR (光时域反射仪) 是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射的背向散射和菲涅尔反射制成的精密光电一体化仪表, 是解决方案的核心硬件, 负责向被测光纤链路发送光信号, 并接收反射回的信号, 一般安装于局端机房内。

对于普通OTDR, 测试脉宽越大, 动态范围就越大, 意味着被测的是理想光纤时, 能测量的距离就越长, 因此对于全程衰耗大的光纤链路, 通常采用大脉宽来测量。但是, 大脉宽会使测得的反射事件的盲区增大, 分辨率降低, 无法区分开离得很近的两个事件, 并且测试精度也会降低, 所以在测试事件点离得很近 (如PON网络) 时只能采用小脉宽。然而, 小脉宽的功率小、动态范围小, 被测光纤链路的全程损耗受到动态范围限制, 因而普通OTDR无法穿透多级、大分光比的ODN网络。

通常, 利用增强型OTDR在一条光纤链路正常时进行一次测试, 保存该测试结果作为参考数据, 并称之为这条光纤链路的健康档案。再次测试的测试结果数据与该健康档案相比较, 后台专家分析系统通过各事件点的峰值、衰减等参数, 自动分析现在这条光纤链路是否正常。若有变化, 但不影响业务, 则给出预警提示;若因链路原因影响业务信号, 则给出告警, 并进入故障处理流程。这就要求监测系统自身需具有极好的稳定性和一致性。在OTDR中, 激光源的稳定性决定了监测系统的稳定性, 而决定激光源稳定性的主要因素是激光源温度。增强型OTDR激光源温度控制良好, 使得产品具有极强的稳定性与一致性, 因而保证了测试结果的可靠性。

2.2 主备用光纤的监测及故障自动诊断方式

监测站点主、备用光缆方式主要有点名测试、周期测试、EMS触发测试。

(1) 点名测试:检索光纤链路名称或ID, 发起手动测试。测试参数分为自动和手动。

(2) 周期测试:设置轮巡测试任务及优先级, 可在指定的周期、时间自动启动测试任务。

(3) EMS触发测试:与EMS服务器对接, 接收EMS服务器推送的各种告警信息。本次研究解决方案根据订阅的告警ID号, 将与光纤链路故障有关的测试链路信息发给测量平台, 系统检索出告警中光纤链路信息后, 可以在当前测试结束后, 立即启动EMS推送的链路测试。

系统软件需要自动给出智能分析结果, 精确定位故障位置, 并以迹线图、拓扑图、文字、短信等方式将检测结果呈现给管理人员、工程维护人员等, 以便快速排障。

2.3 主备光纤的远程自动切换

当监测到在用主干光纤链路有问题 (如断纤) 时, 系统可以远程控制, 结合网管数据, 自动将主用路由切换到最佳备用路由, 以保障通信, 同时为线路的维修赢得更多时间。

2.4 线路资源的统一管理

系统实时标准化管理线路上的所有网元及光缆资源, 包括光缆类型、数量、长度、各芯使用情况、用户基础资料信息等。对于基础资源数据的管理, 可通过目录树、树形拓扑图上实际走向路由等方式呈现。

2.5 告警管理

对于点名测试、周期测试、EMS触发测试中的故障被测光纤链路, 分颜色显示告警级别, 红色为一级告警, 橙色为二级告警, 黄色为三级告警, 颜色和告警级别的定义可根据用户需求定制;同时, 以光标闪烁、声音提示、相应光纤链路的目录树图标标红来提示测试管理员。具有权限的管理员 (如省级、市级) 可查询、统计各类告警, 清除、修改告警状态。

3 现场应用方案

下面以淮安电力通信网东主环介绍光纤状态智能检修维护系统的应用方案要点。

3.1 组网结构

淮安电力通信网的东主环包括水渡变、黄岗变、朱桥变、楚州营业厅、清河变、淮安 (主站) , 如图2所示。

3.2 系统配置

系统软件有服务器软件和客户端软件。服务器端又分为数据库服务器和应用服务器, 数据库服务器单独安装在一台计算机上, 应用服务器可以根据监控网络规模配置一台或多台计算机。

客户端软件可以安装在各变电站、县级公司运维中心。客户端连接到系统服务器, 可以向ARD-OTDR发起测试命令, 并查看测试结果和测试服务器上的数据。客户端软件根据工作需要定制了各类报表, 如根据点名测试、周期测试、EMS触发测试结果, 统计、分析出指定时间内的障碍历时、光纤老化趋势等报表。

在每个变电站部署一套ARD-OTDR的成本较高, 因此可根据实际需要在规模相对较小的变电站布放一台光开关 (含合波器) , 用一根拉远光纤 (局间光纤) 将此光开关与ARD-OTDR所在变电站的主光开关级联, 通过测试服务器或是客户端就可以监测远端变电站的光纤链路。

对于配线光缆的监测, 可将配网需要监测的光缆直接接至变电站主光开关, 或接至一台或多台光开关, 再通过一根测试光纤与主光开关的一个输出口相连。

3.3 运行、检测及处理

测试管理平台 (客户端或服务器后台) 发起测试命令时, 作为硬件核心的ARD-OTDR发出1 650nm波长的脉冲波[2]。测试脉冲经光开关倒换到被测的光纤链路端口, 通过与光开关集成在一起或安装在ODF架上的合波器, 导入被测光纤网络。ARD-OTDR接收光纤链路上各网元反射回的信号, 后台专家系统分析反射回的信号, 判断各链路状态, 给出链路正常、预警或告警结果, 并将结果返回测试客户端及服务器。

当主干环上被监测的主干光缆异常, 且修复需要一定时间时, 可通过控制主备用光纤远程切换开关, 自动将备用光纤链路切换到通信设备, 以减少障碍历时;同时监测原业务光纤链路, 以保证线路及时修复。

4 结束语

外置OTDR+光开关方案一体化应用后, 可以实现对光缆资源的实时化管理, 在90s左右即可准确定位故障;必要时, 进行主备光纤远程自动切换;管理人员可实时地统一管理辖区内所有光纤资源, 以获得各类客观的统计、分析报表。该方案以先进的检测、诊断手段为基础, 以现场大量的运行、检修、试验、不良工况等现场数据为参考, 结合有关标准、规程、导则和光缆设备信息, 实现对光缆状态评价、风险评估、检修决策、状态预警、故障诊断, 达到设备检修工作精细化管理目的, 避免失修和过度检修。

参考文献

[1]陈以炳.利用OTDR准确查找光缆线路障碍点[J].电信工程技术与标准化, 2008 (5) :72~74

[2]梁爽, 王怀江.OTDR事件分析和故障判断的研究与实现[J].光通信技术, 2007 (1) :13, 14

光纤监测技术 篇2

关键词：配电通信网；光纤网络；单核环形；故障管理

在过去的几年中，大多数电力自动化都处于电力公司变电站和企业级别[1]。其主要原因是实现配电自动化需要很高的通信成本，这样的支出缺乏经济上的理由以及需要独特的技术挑战。然而有很多因素正驱动电力公司在应用中变化。这些因素是：增加客户期望的电能质量和可靠性，越来越多的监管激励机制，增加的性能和配电自动化通信选择的负担能力，增加多样性和功能的自动化设备和软件[2]。一个高效、可靠和安全的通信基础设施对成功实施配电自动化是至关重要的。配网自动化系统必须满足今天的需求，同时提供添加未来功能的能力。自动化显示网络系统有不同的要求。大多数自动化系统通过使用专用通信网络独立运行[3]。由于市场的新需求，可以认为公用共事业将日益关注的焦点转向网络通信系统。网络系统相比典型办公环境，距离更加远且难以触及，特别是在相同的网络中不同类型的应用程序对可靠性、操作和维护的要求不同。自动化系统操作随着分布式系统应用的增多也越来越多。通信稳定性是系统可用的一个重要因素。因此，可靠的通信自动化系统必须要有一个新的结构来克服通信的问题。本文将讨论如何监测到通信故障以及网络恢复技术如何融入网络体系结构。从弹性的观点来说故障管理流程是至关重要的，因为这些流程负责定位和络故障以及启动网络恢复行动。本文描述了一个光通信网络。通过使用逻辑冗余功能，网络有一个单核环形拓扑。同时描述了系统的结构、适用的算法实现和分析。评估表明，与现有的双核通信网络相比，本文提出的单核网络模型和故障管理算法在可靠性、速度和扩展性方面具有更好的性能。

1问题模型

本文提出的单核环形配电通信网络模型如图1所示。在常规运行中，通信从Tx1到Rx1。当消息，如监视或控制特定的开关，从Tx1向网络发送信号，并从Rx1返回。可以从返回的消息检查网络的状态。耦合器的被动元器件被应用于智能电子装置和环之间，所以，当一个连接节点有通信问题，这些消息仍然可以从其他节点传输。特定的智能电子装置可从控制中心发送到网络上的两个方向的结果来接收消息。中心单元可以接收来自Rx1和Rx2的消息。如果中央单元在一个指定的时间无法通过Rx1接收消息，它将试图从Rx2获得消息。如果传播消息从Tx1不是回到Rx1或Rx2，中央单元使用Tx2向网络中发出命令消息。通信问题可以定位于网络中的4个点：（1）智能电子装置的左边。（2）的智能电子装置的右边。（3）智能电子装置的两侧。（4）智能电子装置本身。物理线路的断开是光网络中最严重的问题。4种通信问题如图1所示。中央单元可以从Tx1向Rx1以及从Tx2向Rx2发送消息。在第一种情况下的故障，当Tx1设置为主发射机，线路故障位于智能电子装置左侧简，Rx1不能接收Tx1的信号以及智能电子装置的响应消息，也没消息到达Rx2。在第二种情况下，线路故障位于右边的智能电子装置，Rx1不能接收任何消息，但Rx2可以接收来自智能电子装置的响应消息。第三个故障发生在智能电子装置本身有问题时。此时Rx1和Rx2可以分别接收到来自Tx1和Tx2的消息。这意味着Rxs可以接收轮询消息，这是一个从中央单元到智能电子装置的命令。因此，可以得出结论，通信线路没有问题。因此，智能电子装置没有必要发送确认（ACK）给信号控制中心，这是一个智能电子装置给中央单元的简单响应消息。图2演示了在故障情况下的数据流。

2故障管理算法

管理网络的最重要的功能在管理网络检查异常通信、定位故障边界，恢复网络操作[4]。这些应该尽可能早地完成。在一般的网络操作中，主要收发器应该确定单向通信。如果Tx1和Rx1被选择用于主收发器，Tx2和Rx2作为一个备用收发器。中央单元通过Tx1传送轮询消息来控制和监视网络中特定的智能电子装置。最重要的是，中央单元先检查Rx1是否能接收到来自Tx1的消息。如果Rx1不能接受轮询消息或来自智能电子装置的响应消息，中央单元执行故障管理程序和检查Rx2。如果Rx2已经收到了智能电子装置的响应消息，则故障2（智能电子装置的右侧）发生。如果没有，中央单位检查Rx2是否已经收到了通过Tx2传输的轮询消息。如果Rx2已经收到了轮询消息和分别来自Tx2和智能电子装置的响应消息，则故障是临时的，网络可以正常运转。这种故障的另一种可能性是因为Tx1或Rx1产生故障。如果Rx2接收到了来自Tx2的轮询消息，但是没有来自智能电子装置的回应消息，那么应该再次检查Rx1是否已收到来自智能电子装置的响应消息。（a）正常—Tx1发送数据，（b）正常—Tx2发送数据，（c）故障1（智能电子装置的左边）—Tx1发送，（d）故障1（智能电子装置的左边）—Tx2发送，（e）故障2（智能电子装置的右边）—Tx1发送，（f）故障2（智能电子装置的右边）—Tx2发送，（g）故障3（智能电子装置，调制解调器）—Tx1发送，（h）故障3（智能电子装置，调制解调器）—Tx2发送，（i）故障4（智能电子装置的两边）—Tx1发送，（j）故障4（智能电子装置的两边）—Tx2发送。如果Rx1接收到来自智能电子装置的数据，故障发生在智能电子装置的左边（故障1），但如果Rx1没有收到数据，故障4发生，这就是最坏的情况下的故障。

如果Rx2没有收到轮询消息，TX2控制通信。TX2发送和Tx1相同的轮询消息到网络中。如果Rx1和Rx2仅收到了轮询消息，网络运行良好，但智能电子装置存在一些问题。在这个情况下，准确的故障位置可以确定，因为智能电子装置的位置可以很容易找到。在线路故障的情况下，是很难找到确切的位置的。由于线路故障引发的单向通信故障问题可以利用本文提出的算法来恢复。图3介绍了故障管理算法流程。在下一节中将解释如何完成准确的故障定位。由于本文提出的故障管理算法可以找到网络故障位置，故障状态可分为故障1、故障2、故障3和故障4，本文将在下一节中详细描述。为了实现该算法，中央单位管理两种类型的故障决策表。一个表是针对每一个智能电子装置，另一个是针对整个系统。中央单位使用Tx1和Rx1分别作为主要的收发器和接收器。中央单位发送轮询（命令）信息给指定的想要通信的智能电子装置。

网络操作过程如表1—2所示。表1显示了如何根据之前描述的变量进行故障分类。基于智能电子装置故障决策表，中央单位产生网络故障决策表。图4说明了中央单位决定故障定位。在这个例子中，智能电子装置1，2和3都产生故障2，智能电子装置4，5，6都是故障1。中央单位根据故障决策表作决定，故障发生在智能电子装置3和4之间。如果故障恢复，根据表2将被重新设置算法。图5显示了故障的组合及其表内容。在这种情况下，一个故障发生在智能电子装置3，另一个故障发生在智能电子装置5和6之间。

所有的单一和组合（但独立）的故障都可以通过所提算法管理。如果两个或两个以上的故障同时发生，该算法可以找到故障区域，但是不能确定多少故障和故障发生在网络的位置。图6显示了根据网络中的故障决策表可能发生的故障。有4种类型的故障。该算法只能发现智能电子装置2和4之间的两个或两个以上的故障。有两种类型的轮询方法：（1）点名和（2）集中轮询[5]。本文使用点名轮询该网络，因为如果在集中轮询中，智能电子装置有故障，故障可能会传播到网络。图7显示了在一个服务器和一个智能电子装置之间的总通信时间。当现有的配电自动化通信网络产生通信故障，故障的位置，在光纤线路或者智能电子装置，不能检测到。使用该算法以后，现有的网络故障可以被定位和固定，控制和监测通信可以继续，尽管网络中存在故障。现有的配网自动化光纤网络从可靠性的角度存在几个问题。一个关键问题是，当一个光学调制解调器有问题，它会将问题传播到网络中，导致网络重新配置。许多电力公司开发了配网自动化光纤网络，但他们只是应用现有的光网络技术[5][6]。然而，电力公司的配电通信网与纯通信系统有不同的需求。从这个角度来看，本文设计了适用于电力公司的光纤网络。表3提供了一种配电通信网自动化环网的比较。

3结语

光纤监测技术 篇3

一、光纤传感技术的现状和概念

光纤传感器应用在油气井监测中，主要是集中在井下监测油气开采的过程。在油气井的监测工作中，主要使用的技术有温度分布式传感器、声波分布式传感器以及应力分布式传感器等光纤传感技术。在这些技术之中，温度分布式传感器的起源最早，发展最为成熟，实际应用也已经超过十年。而其他集中传感技术才刚开始研究或刚投入运用。

光纤传感器从广义来讲就是光纤传感系统，主要包括了光纤传感器、光纤询问器以及光缆。分布式的传感器就是把光纤本身转变成了基于实际目的的传感器，比如测量应力、声波、温度等参数的传感器。光纤询问器通过在光缆中发出脉冲激光，对发射散光的类型和数量进行记录，再通过专门的软件和算法，将其转化为测量数据。

二、光纤传感技术对改善油气井监测的作用

光纤传感技术对改善油气井监测具有多个方面的作用，不仅可以使监测方法以及监测设备上得到大幅优化，更可以有效提升监测工作质量和效率。

2.1流体的测量

流体的测量主要包括了流体的密度、流量、温度、压力以及持率。

目前，井下流体流量的测量仪器主要有示踪流量计、超声流量计、涡轮流量计、电磁流量计等。在测量现场中，使用最多的就是涡轮流量计，其次就是示踪流量计和电磁流量计。涡轮流量计的基本原理就是在流体的流动下推动涡轮转动，通过分析涡轮转速得出流体的流量。虽然涡轮流量计的使用范围最广，但是其也存在不少缺点。流体性质会对涡轮流量计的测量精度造成影响，油气井中存在的砂砾或其他异物，可能会进入涡轮引起涡轮卡死，导致测量失效。需要注意的是，涡轮的启动排量较大不适宜小流量测量，而当流体流量很大时，会造成涡轮流量计出现信号丢失，无法获取测量结果。基于光纤传感技术的各种光纤流量计，就可以有效解决传统流量计存在的各种问题。比如光纤涡轮流量计就具有抗干扰、高重复性以及线性设计等优点；光纤小流量传感器就可以对小流量流体进行测量，弥补了传统方法的缺陷。

油气井温度和压力测量主要是通过电子压力温度传感器进行的，但是在高温环境中，这种传感器在长时间工作后会产生漂移问题，可靠性出现下降。目前，油气井温度测量的主要仪器由于电阻式温度仪、石英晶体温度传感器以及热电偶温度仪。电阻式温度仪的基本原理就是电阻值随温度变化而变化，通过阻值的变化程度来反映井下温度情况。这些常规的井下温度测量仪器普遍存在几个缺点：一是测量速度较慢，测速一般低于600m/h。二是测温传感器移动会对井下温度场分布造成一定影响。三是稳定下差，无法在高压高温环境下长期作业。压力测量的主要仪器有应变压力计和石英压力计。其在测量中存在的缺点和测温计基本一样。基于光纤传感技术的FBG光纤温压传感器、EFPI光纤温压传感器等，安装简易，抗扰能力强，工作稳定性好，非常适宜于井下温压测量。

2.2伽马射线测量

伽马射线是一种油气井监测中最基本的测量方法之一，其将地层自然放射作为测井基础，利用伽马射线对井下进行测量。地层之中的伽马射线是处在动态变化的状态中的，在油气井被不断开发的过程中，地層中的发射物质也在不断被运出，造成油气井下出现发射性异常。传统的测量方法是以NaI晶体为主的传感器，其零部件配置十分昂贵，而且会受到诸多外部因素的影响，致使测量结果出现误差，测井效果无法达到期望水平。而且，由于井下环境恶劣，该仪器中的光电倍增管寿命较短，无形之中加大了测井成本。

基于光纤传感技术的激光光纤核传感器是一种新颖的测井技术，它综合了光纤传感器和光纤传输，利用光致发光以及光致损耗等基本原理，达到测井目的。跟传统的测井仪器相比，激光光纤传感器具有更加明显的优势，比如数据容量大、传输速度快；稳定性良好，不会受到其他仪器发出的信号干扰；能够有效延长光电倍增管的使用寿命，降低测井成本；可以改变传感头的布置方式，实现多点探测。

三、实际应用

光纤传感器技术在油气井监测中具有十分重要的作用，其应用也十分广泛。

第一，可以利用DTS数据监测二氧化碳和水的交替注入。对趋于枯竭的碳酸盐储层使用二氧化碳和水交替注入，可以提高生产量。在刚开始进行注入的时候，出水率能够达到97%。在经过一段时间后，油气井上部温度产生变化，引起出油量大幅上升。但是如果油气井上部温度没有发生变化，则说明水和二氧化碳注入并没有涉及到这些层段。所以，在每层的产量开始下跌之前，可以对油气井上部层段进行封闭，调整油气井下部层段压力，维持井下作业稳定。

第二，监测井下注入水突破。一口新井一般是从下部和上部两个层段同时进行产油，通过光纤传感器，可以清楚监测到油气井下部层段出现了明显的温度下降。下部层段出现温度骤降的原因是钻井液侵入或注入水突破，导致产出液的含水率成为100%，即说明井下产油作业没能产油。通过监测就可以及时发现这一问题，并且制定相应的措施。

第三，监测井下酸化压裂。一般来说，一口油气井的上部层段枯竭后，下部层段基本还基本处于原始油藏压力。对砂岩层段进行酸化压裂设计，通过DTS系统对相关作业进行监测，对处理部位进行实时显示，以便对压裂顺序、压裂规模以及泵的排量进行及时调整。同时对调整结果进行监测，确定调整方案的效果以便进行二次优化。

结束语

光纤传感器最大的优点就是工作稳定、抗干扰能力出众，能够在较为恶劣的环境下进行工作。可以对油气井下温度、流体、压力等多个方面的内容进行监测，可以促进油气井开发相关工作，具有非常广阔的发展空间。

（作者单位：1、中国石油新疆油田公司风城油田作业区夏子街采油站，2、中国石油新疆油田公司风城油田作业区乌尔禾采油站，3、中国石油新疆油田公司风城油田作业区SAGD采油一站。）

作者简介

光纤监测技术 篇4

分布式光纤测温技术是接触式测温法的一种。光纤内传送的是光信号, 有良好的抗射频干扰和抗电磁干扰的特点, 耐高电压和强电磁场, 耐电离辐射, 并且光缆还具有阻燃、防爆、耐腐蚀等优点, 即使在比较恶劣的有害环境中也能对被测对象的温度进行实时检测, 监测其变化。对于温度异常的位置能及时发现, 并给出准确的报警。

1 光纤温度传感系统工作原理

分布式光纤温度传感是一种用于实时测量空间温度场分布的新技术, 对光纤沿线地点的温度进行分布连续检测, 以光纤作为温度传感器, 依据光纤的光时域反射 (OTDR:Optical Time Domain Reflectometry) 原理以及光纤的背向拉曼散射 (Raman Scattering) 温度效应。在光纤中, 光信号传输到光纤内的任意位置, 都会产生拉曼散射光。拉曼散射光在光纤内的整个空间角内是均匀分布的, 其中一部分拉曼散射光会沿光纤传送路径向光源处传播, 称为背向拉曼散射光。光探测单元接收并分别滤出Anti-Stokes光和Stokes光, 只要计算出这两种光的强度比, 就可以计算出反射点的温度。

分布式光纤温度传感系统由脉冲激光器、滤波器件、多通道切换设备、高速数据处理单元、高速数据采集系统和光电转换电路等组成, 如图1所示。激光脉冲信号经由耦合器射入用作传感回路的光纤通道, 采集由光纤通道传送回的背向散射光波, 并对光波用波长进行区别, 将光波分为分成斯托克斯通道和反斯托克斯通道。对于由高灵敏、低噪声硅雪崩二极管组件组成的光电检测装置放置于低温恒温槽, 以使雪崩二极管组件能稳定工作。温度信号的解调和信号处理、显示主要计算机进行处理。

2 系统结构

分布式光纤测温系统主要由DTS测温主机、网络交换机、CSM状态监测主机、测温光缆、客户终端等设备组成, 如图2所示。

测温光缆将监测信号传送至DTS测温主机, DTS测温主机对测温光缆传回的温度信号及火灾信息进行滤波、光电转换、放大、模数转换后, 通过以太网交换机送至CSM主机。CSM主机通过采集温度数据, 绘制显示温度图表, 并将相应数据通过以太网送至客户终端。

1) 测温光缆

测温光缆固定在待监测电缆回路上, 在电缆中间接头采取加强敷设来实现对电缆接头的重点监控。

测温光缆根据安装方式的不同, 可分为外置式光纤测温系统和内置式光纤测温系统。外置式光纤测温系统在进行光缆敷设时, 将光缆敷设在电力电缆外护套之外。内置式光纤测温系统在进行探测光缆敷时, 将光缆敷设在电力电缆内部的金属护套和绝缘屏蔽层之间。探测光缆的外置式敷设和内置式敷设各有特点, 应根据实际需要进行选择。

2) DST测温主机

DTS测温主机具有监测距离远, 监测通道多, 定位准确, 温度分辨率高, 测量时间短等特点。DTS测温主机通常安装在监控室内, 与测温光缆相连, 实现对电力电缆表面温度信息的采集、处理, 输出温度报警信息等功能, 如图3所示。

3) CSM主机

CSM主机通常安装在中央控制室或者监控室内, 其与DTS测温主机之间的通讯, 可以通过以太网或modbus总线等, 并通过以太网与外部网络进行通信。CSM主机主要功能是实现对DTS测温主机参数设置, 如通道选择、监测区域划分、报警参数设置、通信参数设置等;采集和显示电缆表面的温度数据和温度曲线;计算电缆导体温度数据, 并显示温度数据和温度曲线;实现对被测电缆布局的组态;输出多级报警等。

3 结束语

由于测温光纤具有无电磁干扰、抗干扰能力强、阻燃、防爆、耐腐蚀、能在有害环境中安全运行、具有本征安全、测量距离远、测量精度高、定位快速准确等特点, 能够对温度进行实时监测, 并将测量结果快速准确传送到监控端, 对发现温度异常点, 预防故障发生, 准确定位故障发生位置, 保障系统安全正常运行有着重要作用。

参考文献

[1]刘媛, 张勇, 雷涛, 等.分布式光纤测温技术在电缆温度监测中的应用[J].山东科学, 2008, 21 (6) :50-54.

[2]周琦, 乐坚浩, 刘佳诞.分布式光纤测温技术的发展现状及其在电力领域中的应用[J].科协论坛, 2012, 11:20-22.

《光纤通信技术》习题 篇5

1、填空题

* 光纤通信是以 为载频，以 为传输介质的通信方式。* 1966年7月，英籍华人 博士从理论上分析证明了用光纤作为传输介质以实现光通信的可能性；1960年7月，美国科学家 发明了红宝石激光器。

* 光纤通信系统的短波长窗口为，长波长窗口为。* 光纤通信系统的通信窗口波长范围为。

* 在光通信发展史上，和 两个难题的解决，开创了光纤通信的时代。

* 光纤的导光原理与结构特性可用 理论与 理论两种方法进行分析。

* 单模光纤中不存在 色散，仅存在 色散，具体来讲，可分为 和。

* 光纤色散参数的单位为，表示两个波长间隔为 的光波传输 后到达时间的延迟

* 对纯石英光纤，在λ= 处，色散参数D=DM+DW=0，这个波长称为。

* 在单模光纤中，由于光纤的双折射特性使两个正交偏振分量以不同的群速度传输，也将导致光脉冲展宽，这种现象称为 色散。* 单模传输条件是归一化参量V。* 允许单模传输的最小波长称为。

* 数值孔径（NA）越大，光纤接收光线的能力就越，光纤与光源之间的耦合效率就越

* 光缆大体上都是由、和 三部分组成的。* 常用的光缆敷设方式有、和 等几种。* 按缆芯结构的不同，工程中常用的光缆分为 式、式、式三种类型。

* 光缆线路的“三防”是指：、与。* 光缆的型号是由_________和________两部分组成的。* 在半导体中，费米能级差必须超过 才能发生粒子数反转。* 半导体光源的核心是。

* LD是一种 器件，它通过 发射发光，具有输出功率、输出光发散角、与单模光纤耦合效率、辐射光谱线 等优点。

* 衡量光接收机性能优劣的主要技术指标是、、及。

* 光无源器件是指不需要 就可工作的器件。

* 工程中常用的活动连接器的类型有、和 三种。* 光纤与光纤的连接方法有两大类，一类是，另一类是。* 光衰减器有 和 两种。

* 掺铒光纤放大器采用 作为增益介质，在泵浦光激发下产生，在信号光诱导下实现。

* 掺铒光纤放大器的三种泵浦方式分别是：、和。

* 掺铒光纤放大器的三种应用方式分别是：、和。

* 拉曼光纤放大器利用了光纤传输的。* STM-1的速率是，STM-N的速率是 * SDH传送一帧需 μs，每秒传送 帧。

* 光波分复用的类型包括、和 三类。* 光纤通信系统的设计方法包括 和 二种。

* 光纤通信系统中继距离的计算过程中，分为 预算和 预算两种。

2、简答题

必须掌握的概念

* 光纤通信为什么能够成为一种主要的通信方式？

* 光纤通信系统由哪几部分组成？并说明各部分在系统中所完成的功能。* 现有光纤通信使用的光波长有哪几种？对应的频率是多少？它们在整个电磁波谱中处在什么位置？

* 光纤通信系统采用怎样的光源？这类光源具有什么优点？ * 什么是直接调制？什么是间接调制？各有何特点

* 常用的光无源器件有哪些？ * 对光纤连接有哪些技术要求？ * 简述光衰减器的工作原理及作用 * 简述光隔离器的工作原理及作用 * 简述光开关的工作原理及用途 * 光纤活动连接器的结构 * 光环形器的工作原理及特点

* 光环形器在单纤双向光纤通信中的应用

* 光环形器在色散补偿方面的应用 * 光环形器在上下话路系统中应用 * 为何光纤通信中要进行色散补偿

* 应用于商用系统的波分复用器有哪几种？有何特点？

* 光放大器分为哪几类？ * 简述掺铒光纤放大器的优点 * 简述掺铒光纤放大器（EDFA）的基本结构及其放大原理

* EDFA在光纤通信中的主要应用 * EDFA中掺铒光纤结构及其光场分布 * EDFA的泵浦波长 * EDFA中的3dB饱和增益 * DWDM的优特点 * 设计一个DWDM系统

* 为何DWDM系统中需EDFA * 光纤光栅的结构特点和制造原理及方法应用 * 光纤光栅有那两大结构特点，各对应什么法 * 如向用光纤光栅和环形器构成的多波长分插复用器

* 干涉滤波片型波分复用器 * 光纤光栅和环形器构成的波分复用器 * 光发射机基本组成及方框图 * 数字光发射机的功能 * 光接收机中对光检测器的要求 * mBnB码

* “码字数字和”(WDS)* 准同步数字系列(PDH)* 同步数字系列(SDH)* 与PDH相比SDH具有的特点 * SDH网络的主要特点是？ * SDH网络的网元设备有哪些？ * SDH帧结构

3、计算题

 阶跃折射率分布的光纤的芯径d=2a为100μm，折射率n1=1.458，包层的折射率n2=1.450，在该光纤中传输的光波的波长λ=850nm。

（1）计算该光纤的V参数？

（2）估算在该光纤内传输的模式数量是多少？（3）计算该光纤的数值孔径？

（4）计算该光纤单模工作的波长？（考试试卷A卷计算题）

 已知均匀光纤纤芯的折射率为n1=1.5，相对折射率差△=0.01，芯半径a=25μm，试求：

（1）LP01、LP02、LP11和LP12模的截止波长各为多少？

（2）若λ0=1μm，光纤的归一化频率V以及其中传输的模式数量M各等于多少

 均匀光纤，若n1=1.5，λ0=1.3μm，试计算：

光纤监测技术 篇6

关键词： 光纤传感器； 拉曼散射； 电力电缆； 载流量/温度

中图分类号： TP 212文献标识码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2013.01.015

引言 随着经济社会的发展，对电的需求量越来越大，水电、火电、可再生发电系统、城市变电的大规模建立，电缆输电任务随之加大，如何来保证电缆的安全正常有效的运营，保障电缆资产价值，成为一种迫切需要解决的问题。电缆运行不安全因素主要为电缆在运行时电缆发热，导致电缆温度过高致使电缆发生火灾。光纤传感技术是伴随着光导纤维和光纤通信技术发展而另辟新径的一种崭新的传感技术。光纤传感具有抗电磁干扰、灵敏度高、安全可靠、耐腐蚀、可进行分布式测量、便于组网等诸多优点。目前国内外研究机构用光纤传感监测技术对电力电缆在线测温及载流量[1]的安全监测的研发和应用大多还处于初期研究阶段，应用也基本停留在对个别设备和某个部件的监测上。比如Micron Optics公司推出的光纤点式测温系统实现对风力发电机组的温度检测。基于拉曼分布式光纤温度传感技术的分布式光纤载流量/温度安全监测系统，不仅具有普通光纤传感器的优点，而且还具有对光纤沿线各点的载流量/温度的分布式传感能力。利用这种特点可以连续实时测量光纤沿线几十公里内各点的温度。定位精度≤1 m，测温精度可达1 ℃，非常适用于高压电力电缆的载流量/温度传感监测的应用场合。1系统工作原理分布式光纤载流量/温度安全监测系统由拉曼分布式光纤测温传感器、感温光缆、载流量软件以及电流记录仪组成。拉曼分布式光纤测温传感器[24]能对电力电缆全线温度进行周期性实时在线监测，对极易出现故障的电缆接头进行重点监测。该项技术利用光纤作为传感器，将光纤直接敷设在被测物体表面，在一定条件下被测物体各个位置的温度信号会以光波的形式回传到光纤端部，最终被提取并显示出来。这种技术只需一根或几根光纤就可以监测长达数十公里的线型设备或点式设备。光纤的拉曼散射与温度有着密切的关系。依据光时域反射测定法[5]，将短促的激光脉冲按精确的时间间隔注入光纤之中。在同一根光纤中，散射光的强度随时间呈现出指数衰减。如果知道光在光纤中的传播速度，就能计算出距离。从该指数衰减的偏差就能得出温度。光纤既是该信号的生成器，又是该信号的渠道。反射光被分流到传感器中来加以解码。在光纤测温系统连接的监控屏上能同时显示距离和温度数据。利用此技术把光纤与被测高压电缆采用接触方式安装，测出高压电缆表面温度，根据表面温度，电缆结构，辐射环境等因素，精确计算出电缆的线芯温度，通过线芯温度计算出通过线芯的载流量，并给出电缆对应分区的最高温度，电缆的运行温度和电缆的负荷水平，对温度异常点进行报警。光学仪器第35卷

第1期杨斌，等：分布式光纤载流量/温度安全监测系统的研究

拉曼光强差和温度为：Pa/Ps∝exp（-h·c·Δν/kT）（1）式（1）中，Pa表示为拉曼散射反斯托克斯光Antistokes功率，Ps为 拉曼散射斯托克斯光（stokes）功率，h为普朗克常数，c为光速，Δν为拉曼频移量，T为温度。温度探测距离为 z=tV/2（2）其中，t表示两倍定点距离光传播时间，V为光纤中光速。2系统的结构与功能设计分布式光纤载流量/温度安全监测系统：系统由中控室、分布式光纤温度传感器、数据采集器（PLC）、光纤（缆）等设备组成。系统结构图如图1所示。分布式光纤载流量/温度安全监测系统可以通过电缆温度的监测计算得到电缆载流量变化情况。同时在电缆隧道中实现高温危险报警。主要功能包括：（1）分布式光纤温度传感器准确实时测量整条电缆的温度分布。它的探测范围：30 km，温度精度：1 ℃，定位精度：1 m；图1系统结构图

光纤监测技术 篇7

1光纤传感器在隧道施工过程中监控量测

光纤传感器以其材质和工作原理上的优越性, 具有受环境干扰小, 传输损耗低, 连接方式丰富 ( 可将多个传感器并联输出) , 导线价格低等优点, 可以大大提高隧道监控量测的准确度和工作效率并可以降低工作风险和监测成本。

隧道的监控量测包括必测项目和选测项目, 其中的必测项目主要包括地质和支护状况观察、周边位移、拱顶下沉和地表下沉。必测项目中的这四项在隧道的监控量测工作中一般均需要做测试, 这些项目一般通过观察、描述和光学测量仪器如水准仪、全站仪等进行监测, 所以, 隧道监控量测的必测项目一般不采用光纤应变传感器。选测项目中的锚杆内力量测、围岩体内位移量测、支护及衬砌内应力和表面应力量测、围岩压力及两层支护间压力量测、型钢支撑内外力量测可以通过布设在待测点的光纤应变传感器进行量测。光纤应变传感器在这些项目上的应用不但可以高效准确的进行监控量测, 还可以一直将监测工作随着隧道从建设到运营进行长期全寿命实时监测, 这一点具有传统传感器无法比拟的优势。

2光纤传感器在隧道火灾报警系统中的应用

光纤的光栅栅距和折射率会因其周围环境的温度变化而发生变化, 这种变化会对应地引发光纤光栅的反射谱以及透射谱的变化。通过解调仪将光纤光栅的反射谱或透射谱发生的变化检测并读取显示出来, 则得到了光纤光栅周围环境温度的变化数据, 通过程序中设定的温度控制阀值和报警装置就可以对隧道内的温度进行实时监测和火灾报警。 ( 1) 隧道内火灾发生的原因。隧道火灾一般由车辆、货物的着火以及交通事故起火而引发, 而车辆油箱内的燃油和车辆所载易燃货物则为火灾的发生提供了物质条件。隧道内部发生火灾后, 燃油和货物的燃烧会迅速释放出大量的热, 并伴有大量的有毒气体和浓烟雾, 同时隧道内部温度随之而迅速升高。 ( 2) 光纤传感器的系统组成。光纤光栅感温火灾报警系统主要是针对所监测隧道内部温度的异常升高进行实时测量, 显示温度并判断温度是否过高而进行及时报警。主要由光纤光栅感温探测器、解调系统、报警装置、传输光缆和计算机组成。

( 3) 光纤传感器在隧道内的布设和安装。光纤传感器在隧道内部的布设间距应根据隧道的长度来计算确定, 间距太密造成工作量和成本的的浪费, 太疏则会影响火灾探测的灵敏度和准确率。当隧道长度介于500m和10000m之间时, 光纤传感器的纵向间距不能大于7m; 当隧道长度超过10000m时, 光纤传感器的纵向间距不能大于8m。光纤传感器应布置于距离隧道拱顶20cm左右的位置, 并沿隧道纵向呈直线排列。光纤传感器应在隧道拱顶沿纵向用钢绞线进行固定, 以便在不影响隧道内交通的情况下有效监测和预报火灾。

对于长隧道和隧道群, 由于工作人员观察室距离传感器距离较远, 通常需要将光纤传感器测得的温度信号通过光缆远程传输到设备处理器, 所以其布设方法和连接方式应按照隧道内车道数的不同而采取不同的方式方法。对于单车道和双车道的交通隧道, 光纤传感器可在隧道内断面中央进行单排纵向布设; 而当隧道行车道数量多于2时, 光纤传感器在隧道内断面中央应按照双排进行纵向布设。双排布设时, 两排传感器应交错布置, 以便增大光纤传感器的感应机会。

3光纤传感器在隧道健康监测中的应用

隧道健康运营过程中最主要的病害就是隧道的衬砌结构劣化, 其表现为衬砌的开裂、掉块、错台、和渗漏水等方面。隧道病害除了降低隧道的安全性、耐久性及其使用性能等外, 如不及时发现和处治还会诱发其他更为严重的病害, 甚至会缩减隧道的使用寿命。因此对隧道二次衬砌的全寿命监测就显得尤为重要。

隧道二次衬砌病害的传统检测技术主要通过地质雷达、地震波法、 CT等实现, 这些方法可探明某时某刻隧道衬砌的情况和其周围的围岩情况, 但无法对隧道内衬砌和围岩情况的变化进行实时监测和报警, 同时传统监测由于需要组织大量人员设备进入隧道进行监测工作, 不可避免的会影响甚至中段隧道交通。分布式光纤传感技术具有远程、精度高、耐久性、实时性和成本低等特点, 将其布设在二次衬砌之中可对隧道衬砌结构的健康情况进行长期、实时的监测。该技术可自动进行, 不会对交通造成干扰, 并且其实时输出的数据信息可以让隧道工作人员随时掌握隧道的健康状况。

光纤监测网的布设需要对隧道的围岩等级、围岩应力水平及经济性等进行综合考虑。沿隧道横断面布设的光纤传感器应根据围岩等级来确定其布设的环向间距, 即传感器的环向间距应随着隧道围岩等级的增大而相应减小, 并在隧道洞口附近适当加密布设。

布设好光线监测网后, 根据传输需要将传感器按照一定的连接方式组合, 通过光缆将光线应变传感器连接到解调仪上进行监测。

4结论

光纤应变传感器以其相较于传统传感器的诸多优势而被广泛应用于隧道中。在隧道施工过程中, 光纤应变传感器可以准确监测隧道结构的受力和变形情况, 从而为隧道的安全施工保驾护航; 在隧道火灾检测报警方面, 光纤传感器以其自动化和网络化的特点提供良好的服务, 从而预防火灾和减少火灾造成的损失; 在隧道健康监测方面, 光纤传感器可以实时监测隧道衬砌结构并进行长距离传输, 从而使隧道的全寿命健康诊断与评估成为了可能。

摘要：光纤传感技术在隧道测试和监测中有巨大的应用空间和良好的应用前景。光纤传感技术可以高效安全的对隧道施工过程进行监测, 实时反馈隧道结构的受力情况并及时提出预警, 其组合开发成火灾报警系统可极大的提高隧道的运营安全, 光纤传感器应用于隧道健康监测可对隧道衬砌结构进行全寿命的实时监测。光纤测试与监测技术应用于隧道是十分可行和有效的。

浅谈分布式光纤岩土工程监测技术 篇8

光纤传感是一种以光为载体,光纤为媒介,感知和传输外界信号(被测量)的新型传感技术,包含对外界信号(被测量)的感知和传输两种功能。外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量,如强度(功率)、波长、频率、相位和偏振态等发生变化,对光纤中传播的光波实施调制。光纤将受外界信号调制的光波传输到光探测器,将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理(解调)来进行检测,测量光参量的变化,即“感知”外界信号的变化。在国际上,这种新技术是20世纪70年代后期才迅速发展起来的。在航空、航天领域中,利用埋入复合材料中的光纤传感器技术检测结构内部的应变和探测结构的破坏情况,已充分显示了这是一种有效的无损检测新技术。因此,目前已成为各国竞相研究的一个有重大价值的课题。光纤检测技术应用于土木工程界才刚刚开始,目前集中于探索光纤传感器埋入钢筋混凝土构件和结构中(如建筑物、桥梁、大坝)进行结构完整性无损评估和内部应力状态检测的可行性。在结构健康监测与无损检测中最具应用前景的主要有布里渊光时域反射(BOT-DR)分布式传感技术、光纤布喇格光栅(FBG)准分布式传感技术长标距(LONG-GAGE)光纤变形传感技术和分布光纤温度传感器(DTS)系统。本文仅以布里渊光时域反射(BOTDR)分布式传感技术为代表,说明光纤的技术及其在岩土工程中的应用情况。

2 分布式光纤传感技术的优点

1)分布式:自光纤的一端就可以准确测出光纤沿线任一点上的应力、温度、振动和损伤等信息,无需构成回路,如果将光纤纵横交错铺设成网状即可构成具备一定规模的监测网,实现对监测对象的全方位监测,克服传统点式监测漏检的弊端,提高监测成功率。2)长距离:现代的大型或超大型结构通常为数千米到数十千米(如地铁),要通过传统的监测技术实现全方位的监测是相当困难的,而通过铺设光纤,光纤既作为传感体又作为传输体就可以实现长距离、全方位监测和实时连续控测。3)耐久性:传统的岩土工程监测一般采用应变片监测技术,应变片易受潮湿失效,不能适应一些大型工程长期监测的需要。光纤的主要材料是石英玻璃,与金属传感器相比具有更大的耐久性。4)抗干扰:光纤是非金属、绝缘材料,避免了电磁、雷电等干扰,况且电磁干扰噪声的频率与光频相比很低,对光波无干扰。此外,光波易于屏蔽,外界光的干扰也很难进入光纤。5)轻细柔韧:光纤的这一特性,使它在埋入混凝土的过程中,避免了匹配的问题,便于安装埋设。

BOTDR技术的应用和研发,将对现有的传统监测技术产生重要影响,对我国各类重大基础工程建设,如长江大桥,地下铁路和隧道、高速公路、西气东运管道、地下停车场、长江堤防等安全监测和健康诊断具有重大的现实意义。

3 岩土工程应用

某高层建筑深基坑进行了现场试验,光纤的布设方法如图1所示。埋设测斜管之前,在测斜管的外壁凹槽内并行粘贴两条光纤,其中一条朝向基坑壁一侧,当土体发生位移时产生压应变;另一条为背向基坑壁,当土体发生位移时产生拉应变。土体发生位移时埋入土体中的测斜管随土体同步位移而发生变形,粘贴在测斜管外表面的光纤能够感应到测斜管的变形。在脉冲光的入射端,通过对接收到的布里渊背向散射光功率的测量,完成光纤上各点的布里渊频移的测量和定位功能;根据布里渊频移与应变的线性关系可以得到测斜管外表面的应变分布。假定管底为不动点,对上述应变分步进行积分运算就可以得到测斜管的变形或挠度,即土体的位移。通过传感光纤将埋设在基坑周围不同位置的测斜管联系在一起,就可以很容易得到基坑周围任意位置的土体水平位移分布情况。

图2 为所取的某一位置的测斜管的某一期监测数据。从图2中可以看出,测斜管的埋深为32m,其不动点大约位于地表下24m处。自下而上,实测的应变量逐渐增大,最大值位于地表以下10m处,应变值约为-1 000με。支撑处约位于地表以下5m,支撑处的应变较小,在0με左右。由于传感光纤粘贴在测斜管远离基坑的一侧,因此支撑以下实测的应变值均为压应变,反映出该段测斜管向基坑方向位移;而支撑点之上的实测应变为拉应变,同样表现出测斜管向基坑方位位移的变形特点。假设支护桩后土体变形连续,并且没有压缩,以支护桩桩顶水平位移为参照,现场全站仪测得的支护桩桩顶水平位移为44.6mm,若采用图乘法,由BOT-DR得到的应变曲线可以得到测斜管顶点的水平位移为42mm,二者吻合较好。

4 结语

当前岩土工程检测技术仍停留在传统的应变片检测技术上,它的缺陷越来越受到人们的关注。随着混凝土构件中光纤埋设、检测技术的成熟,应用于实际工程的日子也不会久远了。现在分布式光纤检测技术中的BOTDR技术还有待开发。如果在岩土工程的光纤检测技术上取得突破,不仅可在光纤检测这一高科技领域内占有一席之地,而且会有明显的经济效益。

参考文献

[1]刘杰,施斌,张丹,等.基于BOTDR的基坑变形分布式监测实验研究[J].岩土力学,2006,27(7):95-97.

[2]施斌,徐学军,王镝,等.隧道健康诊断BOTDR分布式光纤应变监测技术研究[J].岩石力学与工程学报,2005,24(15):102-105.

[3]刘元雪,郑颖人.光纤检测技术及其应用于岩土工程的关键问题研究[J].岩石力学与工程学报,1999,18(5):52-55.

[4]索文斌,施斌,张巍,等.基于BOTDR的分布式光纤传感器标定实验研究[J].仪器仪表学报,2006,27(9):9-11.

光纤监测技术 篇9

煤矿井下60%以上的电气事故是由于电气设备接触不良和长期过负荷运行造成的, 在这些事故发生之前的共同预兆就是故障点均会出现温度异常升高[1]。煤矿井下电气设备均为防爆设备, 现行的设备检查方式基本上是通过维修工人凭经验目测检查或用手触摸外壳来判断设备是否正常运行的。当设备出现温度异常升高的事故征兆时很难及时发现和处理, 不能真正做到预防性维修。

随着煤矿开采不断加深, 瓦斯危害越来越大, 对井下供电的安全可靠性要求越来越高, 如果能对主要电气设备关键点进行实时运行温度监测, 就能及时准确掌握电气设备运行温度信息, 在事故发生前对设备进行检修, 避免电气事故的发生, 并能大大提高供电系统的安全可靠性。实现由“事后维修”到“预防性维修”的转变, 避免意外停电造成井下瓦斯超限事故及恶性事故发生, 具有巨大的经济效益和社会效益。

2 光纤光栅测温原理

光纤光栅的基本结构为沿纤芯折射率周期性的调制, 所谓调制就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。

光纤的材料为石英, 由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂, 使芯层折射率n1比包层折射率n2大, 形成波导, 光就可以在芯层中传播。当芯层折射率受到周期性调制后, 即成为光栅。光栅会对入射的宽带光进行选择性反射, 反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光刺中心波长为布喇格波长。光纤光栅模型示意图如图1所示。

如果光栅处的温度发生变化, 由于热胀冷缩, 光栅条纹周期也会跟随温度变化, 光栅布喇格波长也就跟着变化。这样通过检测光栅反射光的波长变化, 就可以知道光栅处的温度变化。

光纤光栅分布式传感系统基本原理如图2所示[2]。

在光纤光栅分布式传感系统中, 一根光纤上串接多个光栅 (各光栅具有不同的光栅常数) , 宽带光源所发射的宽带光经Y型分路器通过所有的光栅, 每个光栅反射不同中心波长的光, 反射光经Y型分路器的另一端口耦合进光纤光栅感温探测信号处理器, 通过光纤光栅感温探测信号处理器探测反射光的波长及变化, 就可以得到解调数据, 再经过处理, 就得到对应各个光栅处环境的实际温度。

3 光纤光栅温度在线监测技术安全可靠性分析

光纤光栅温度在线监测技术的光纤传感器具有不带电的特点, 能够做到本质安全, 传感信号以光的形式传播, 不受外界电磁场干扰, 长期漂移小, 因而可对井下电气设备的运行温度进行连续在线监测。如出现温度异常过高现象, 可进行报警。能够及早发现问题、解决问题, 避免事故的发生, 提高生产效率, 节约人力巡检成本。

4 光纤光栅温度在线监测技术在煤矿供电系统中的应用

光纤光栅温度在线监测技术主要由RT2000-S01光纤光栅温度传感器、井下监测主机和井上远程终端组成。井下供电系统高压防爆开关的隔离开关触头易出现过热造成电气事故, 如果真空接管出现接触不良等问题也能够及时发现。

光纤光栅温度传感器安装在井下采区变电所高压防爆开关的隔离开关小车的静触头上, 为满足防爆要求, 采用1根光纤从防爆开关内引出, 将1个光纤分路器放置于高压防爆开关内, 完成隔离开关小车的6个静触头测温传感器的收集功能, 光纤温度传感器安装在静触头的导电杆上并靠近绝缘台, 能够准确监测接触位置的温度情况。

目前该技术已在恒源煤电刘一矿北乙二水平采区变电所成功应用, 共有23台6 k V防爆馈电开关、28台660 V低压防爆馈电开关的隔离开关触头安装了测温传感器, 7台变压器安装高低压接线室安装了测温传感器, 测温传感器把温度信息通过光纤传输给井下监控主机, 井下监控主机通过传输光缆, 把采集到的温度信息和主机运行状态发送到井上远程终端。该技术测温范围-30~250℃, 测温精度±0.5℃;传输距离10 km;通讯端口采用RS485/以太网口;可以对不同监测点的报警温度参数设置;当系统中各监测点温度出现异常升高时, 系统报警, 能够对各点的历史温度曲线查询。

刘一矿北乙二水平采区变电所现场布置如图3所示。

5 结论

光纤光栅温度在线监测技术采用先进的光纤传感技术, 具有比传统电子类传感器明显的优势:传感器是光无源器件, 不带电, 本质安全, 适合在煤矿等复杂环境中使用, 可靠性高。使用光缆传输, 传输距离远, 易于组网, 能够实现在线监测。

该系统可以通过软件进行历史数据的存储和查询。当设备运行温度高于设定值时发出报警, 能够及时对设备进行维护, 实现由“事后维修”到“预防性维修”的转变, 避免意外停电造成井下瓦斯超限事故及恶性事故发生, 具有巨大的经济效益和社会效益。光纤光栅温度在线监测技术可在煤矿井下供电系统中推广应用。

摘要：通过对煤矿电气事故的分析, 对电气设备的关键点进行实时运行温度监测, 能够及时发现事故征兆, 避免意外停电事故的发生。光纤光栅温度在线监测技术在煤矿供电系统中应用, 能够做到预防性维修, 保障矿井供电安全。

关键词：温度,防爆,光纤,本质安全

参考文献

[1]李树伟.矿山供电[M].徐州:中国矿业大学出版社, 2006.

光纤监测技术 篇10

关键词：光纤专网,安全监控,信号转换

0 引言

随着自动化技术和计算机网络信息技术的在煤矿中的运用, 煤矿井下光纤专网技术平台得到了运用, 综合自动化矿井也成当今煤矿发展方向。它能将矿井各类监控子系统集成到综合自动化控制网络平台中, 与企业信息管理系统实现无缝对接。将生产、安全、管理等方面的信息有机地整合到一起, 进行分析处理、统计、优化、发布, 从而实现了矿井管、控、监一体化的目标。因此在保证煤矿安全监测监控系统正常工作的前提下, 如何掌握KJ101煤矿安全监测监控系统与井下光纤专网平台的接入技术是关键问题。

福建省天湖山能源实业有限公司含春煤矿KJ101煤矿安全监测监控系统在煤矿井下安装时由于长距离的信息传输电缆普遍与井下动力电缆平行设置, 同时会受大型机电设备 (如主提升绞车等) 频繁运行、启动和关闭变频设备时产生的强大电磁干扰等诸多因素影响, 对于安全监测监控系统, 如何选择合理的信息传输方式是井下分站与地面中心站信息传输的关键。综合考虑后, 采用光纤专网作为信息传输方式。

1 方案设计

在方案设计时, 首先重点考虑设备的安全性和可靠性;其次着眼于长远发展, 系统及设备要先进、兼容能力强、使用维护方便。且在不影响煤矿井下安全监测监控正常运行的前提下, 降低煤矿的使用、维护成本。

系统接入原理设计的核心是解决KJ101矿井安全监测监控系统地面中心站如何通过井下光纤专网平台和井下各分站之间信号传输联络。其可以通过光转换模块将专网平台中地面中心站微机输送来的光信号转成标准TCP/IP信号, 再经服务器模块换为传输速率为2400bps的RS-232C标准时分基带串行通信信号, 再调制成传输速率为1200bps正弦交流信号形式的FSK移频键控信号 (数字0调制成2100Hz, 数字1调制成1300Hz) , 向井下各分站发送;将井下各分站以正弦交流信号发送来的1200bps的FSK移频键控信号数据, 解调成符合标准的RS-232C信号, 以2400bps传送给服务器模块转换为TCP/IP信号, 再经光转模块接入井下光纤专网平台, 经井下光纤专网传至地面中心站微机。该装置内置电阻保护式安全栅, 与井下各分站的通信线路均为变压器隔离式二线制变送器, 具备抗干扰、防雷击功能。

实践运用表明, 采用串码传输 (如FSK、PSK等) 比采用时分基带传输 (如RS-232、RS-485等) 有明显的优点。所以KJ101煤矿安全监控系统系统采用FSK频移键控调制解调通信方式, 通信介质为2芯无极性通讯电缆, 具有通讯距离长, 连接方便等优点。FSK在信息传输中串码转换无相位突变, 最适合煤矿井下应用, 它不但可有效提高系统的通信距离, 还具有明显的抗干扰能力, 无极性连接, 对通讯线路要求简单, 维护简单等众多优点。但也存在着系统造价略高、抗干扰性能一般、误码率高等缺点。所以在方案设计中要对原系统要取长补短, 电缆信号传输只运用在集运巷和石门。

设计中主要是考虑将FSK通信方式转化成标准TCP/IP形式, 在转换设备之前采用FSK通信方式, 经转换设备后转换成标准的网络信号, 以便进入井下光纤专网。系统接入原理如图1。

2 设计方案对比

含春煤矿监测监控系统设计方案 (光纤专网与电缆通信) 对比, 在井下覆盖面相同的情况下, 采用光纤专网传输设计的整体费用是77.04万元, 采用电缆通信设计的整体费用是55.79万元, 从设计上光纤专网比电缆通信造价高, 使用普通电缆做为主传输线, 单套系统的成本可以降低, 但线路要布设多条, 查线维护困难, 信号传输易受干扰, 不适用于线路长、路线复杂的大型矿井, 而且多套系统的整体成本也随之提高。

使用光纤环网技术设计监测监控系统, 它可以把井下人员定位系统、视频监控系统、通信系统等融合在整个专网内, 而且能保证系统的稳定性及信号的传输质量;另外, 使用光纤可以很好的解决主信号线路避雷的问题。该设计虽然单套系统的价格偏高, 但把多套系统整体融合在专网内, 线路利用率大大提高, 整体价格随之而降, 整个系统兼容能力强、使用维护方便。

3 采用光纤专网接入技术的优点

(1) 可靠性强。系统接入装置的技术关键是采用了智能化FSK调制解调技术与光纤专网技术有机结合, 保证了系统的独立性和可靠性。

(2) 接入能力强。改造后的KJ101煤矿安全监测监控系统可直接接入井下专网, 实现井下传输信道两合一, 形成全矿范围内各类监控系统组网管理, 大幅减少信道与设备投资。

(3) 传输网络简单、可靠。采用标准网络传输协议, 传输速率高, 传输误码率低, 防雷、抗电磁干扰能力强。可选用光纤、电缆等传输介质。

(4) 接入方式灵活、适应性强。分站可独立接入, 也可群组接入, 在无网络覆盖区域可采取通讯电缆传输。可多台分站组合接入网络, 减少接入设备数量、降低成本。

(5) 信号准确。具有接收、发送滤波功能, 发、收回波消除功能, 数字卷积纠错编码能力等功能。

(6) 传输距离长。使用普通通讯电缆通信距离可达15km, 如与光纤网络组合, 井下通讯无距离限制。

(7) 先进的抗干扰技术。彻底根除了现有系统普遍存在的因电磁干扰产生的冒大数、误报警现象。

(8) 维护方便, 节约投资。由于不改变系统监控分站的结构和布置, 减少系统维护工作量。

4 结语

煤矿安全监测监控系统与煤矿井下工业光纤专网接入技术, 已在福建省天湖山能源公司含春煤矿系统升级改造中实现, 它克服了煤矿井下强电磁干扰而产生的大数、假数, 具备检测准确和安全可靠等优点。进一步提升煤矿的安全管理水平, 提高了煤矿生产的安全可靠性, 为煤矿安全监测监控系统的升级改造提供了切实可行的模式。

参考文献

[1]陈青, 周海坤, 李长录, 等.FSK移频键控在矿用监控系统分站中的应用[J].煤矿安全, 2008 (4) .

光纤监测技术 篇11

关键词： 光纤Bragg光栅； 应变传感器； 桥梁监测

中图分类号： TN 247； TP 212文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2014.01.004

引言

桥梁安全关系着人们的生命安全和社会经济活动[1]，建成的桥梁结构应具有良好的承载性、耐久性、满足使用寿命。一般重要的大型桥梁结构服役期长达几十年，甚至上百年，在疲劳、腐蚀与材料老化等不利因素的共同作用下，不可避免地产生损伤积累。云南省盆地河谷、山地、丘陵高原相間分布，独特的立体气候类型（气候要素的垂直变化显著），位于亚欧板块与印度板块碰撞带的东缘附近（地震活动频繁和强烈），这些复杂的地形、地貌、地质、水文、气候等条件，决定了云南省的桥梁在使用中出现衬砌开裂、错台、掉块、渗水等病害的几率更高[24]，危及行车安全，严重的甚至被迫关闭交通。因此，对桥梁结构监测，及时发现初期病害，及时预警具有重要意义。

本文把光纤Bragg光栅表面式应变传感器应用于桥梁结构健康监测，对云南某桥梁左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测，掌握桥梁二衬的受力与变形情况，分析处理测量数据，预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，为处置提供关键技术参数。

1光纤Bragg光栅应变传感特性与技术参数

建筑物以及道路等基础结构的力学参数测量、状态监测中得到应用[89]。其中，应用光纤光栅传感器最多的领域之一当数桥梁结构的健康监测。

本次监测的桥梁为云南省具有最大的预应力钢筋混凝土拱桥。由于该桥采用新的设计理念、方法和成桥工艺，且跨度大、施工复杂、交通流量大、超载车辆多和环境气候特殊等原因，必然会造成大桥轻微的结构松散和有少量裂隙。施工中，桥梁的左洞右侧拱部即出现宽度为1～3 mm的不规则裂纹，如图2所示。

通过测量和分析桥梁二衬的受力与变形情况，为进一步施工处置提供技术支持；预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，及时发现初期病害，及时预警，保障今后安全畅通。

2.2传感器布设及传感网络结构

（1）传感器布设

为对桥梁左线K6+130～+302（K6为定标桩号，桩号后的正数是离该桩的距离，单位为米）裂缝区域进行长期监测，设计在K6+120～+310的范围内间隔1 m布设一个监测断面，总计20个监测断面，每个监测断面布设7个光纤光栅表面应变传感器和1个温度补偿传感器，如图3所示。

3结论

本文应用光纤Bragg光栅表面式应变传感器，对云南某桥梁左线衬砌裂缝及其长期变形进行监测分析，以了解桥梁二衬的受力与变形情况，为进一步施工处置提供技术支持；通过量测分析预测结构变形趋势，评估桥梁结构的安全水平，及时发现初期病害，及时预警，保障今后运营安全。历经春夏秋冬，跨越雨、旱两季，在近一年时间内对裂缝存在区域的20个监测断面进行监测，监测结果表明，光纤光栅应变传感器的应变量在正常范围内，反映在监测期，桥梁结构稳定无异常变化。

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光纤监测技术 篇12

随着城市高压线缆从空中向地下铺设工程的实施,目前城市输电线路基本采用地下隧道的形式运输电力。对城市输电网络进行安全健康监测、及时发现故障、确保社会的正常运行越来越重要。但是电缆隧道现场环境十分恶劣,常规安防报警设备完全无法应用。现场环境状况:1) 地下电缆沟长时间使用后,容易积水、积淤泥,常规电子设备无法在如此恶劣的环境内长期工作;2) 电缆隧道内无220 VAC供电电源,常规电子设备无法供电,且由于地下电缆沟内环境恶劣,长距离220 VAC供电也容易引起漏电危险。

为解决电缆沟内输电电缆防盗预警的问题,有厂家提出利用低压脉冲反射[1]原理的思路,并推出相应产品。其基本原理是首先把输电电缆的接地屏蔽层对地电压抬高,然后向输电电缆屏蔽层注入低压脉冲。当该脉冲沿输电电缆屏蔽层传播到阻抗不匹配点,如短路点、故障点、中间接头等位置即产生反向脉冲,该反向脉冲回送到测量点被仪器记录下来。通过计算发生脉冲与反射脉冲的时间差和脉冲在屏蔽层的波速度,即可计算阻抗不匹配点。但这种产品存在2 个问题:1) 把输电电缆的接地屏蔽层对地电压抬高,会给输电电缆的正常运行带来新的不安全、不稳定因素,给电网运行带来新的安全隐患;2) 电缆沟内输电电缆众多,每条输电电缆的屏蔽层都要抬升对地电压,改造工作量繁重,人力物力投入巨大。为此,本文提出基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统,利用分布式光纤入侵传感系统,可有效解决以上问题。

1 系统结构

基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统结构图如图1 所示,光纤传感主机采用基于偏振光时域反射(polarization optical time-domain reflectometer,POTDR)[2,3,4,5,6]原理的传感系统,光纤传感主机通过互联网与安全状态发布服务器相连,用户可使用个人电脑、智能手机等终端设备通过互联网与服务器连接,进而获取电缆隧道的安全状态。当隧道内电缆受到外力破坏(如盗窃、施工等行为)时,运维人员可第一时间获取破坏点地理位置信息,赶赴现场进行处理。

光纤传感主机放置在电缆隧道的始发点或者中继点(一般为变电房)内。变电房内提供200 VAC市政供电,配备互联网连接接口。传感光缆沿电缆隧道进行铺设。光缆自身具有防腐蚀、防电磁干扰等优点,可适应电缆隧道恶劣的环境。由于光缆作为传感单元,传感现场无需供电,所以不存在传感设备现场供电难的问题。光缆沿被保护的电缆铺设,未对电网任何设备进行改造,对电网的安全未引入新的不确定因素。

2 布线方式

全分布式光纤传感技术[7,8,9],因不需要传感器(只需要采用光纤)即可测量沿光纤路径的时间和空间连续分布信息,克服了点式传感器(如光纤光栅传感器)难以全方位连续监测被测场的缺陷,并具有损耗低、耐腐蚀、易安装铺设、抗电磁干扰、信号数据可多路传输等传统安防产品不具备的优点,从而成为目前安防领域最理想的大型设施无损检测技术。但实际电缆隧道中线缆繁杂,环境复杂,不良的布线方式严重影响光纤传感系统的应用效果和稳定性。本文根据实际工程对传感光缆布线方式进行了优化。根据现场环境并经过多次试验,提了S形的传感光缆敷设方法。一根光缆根据电缆隧道的整体走向,按照S形与多根电缆捆绑,如图2 所示。该敷设方法的优点有:1) 一根光缆覆盖多条电缆,节约光缆用量;2) 当存在偷盗行为时,由于S形光缆的非绷直状态,会造成光缆的形变量较大,有利于光纤传感的信号检测。

3 算法原理

一种基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统采用基于POTDR的分布式光纤传感系统,系统结构图如图3 所示。

脉冲光源发射监测脉冲进入传感光纤,光电探测器探测传感光纤瑞利散射光经过检偏之后的强度信息,此强度信息为沿着光纤分布的强度信息P(z)。当传感光纤未受任何外界扰动时,P(z) 随时间的变化表现为缓变的过程,图4 为未扰动时相邻2 个脉冲周期的POTDR曲线。当传感光纤受到外界扰动并引起光纤的位移时,P(z) 随时间的变化表现为快速的变化过程,图5 为当1350 m处受到扰动时,相邻2 个脉冲周期去噪后的POTDR曲线。由图5 可知,在1400 m左右位置,P(z)开始出现较大的差异(图中圆圈所示区域)。但是由于光电探测器的热噪声、外界环境干扰等因素影响,从图5 中2 条曲线差值看,很难直接准确判断扰动位置为1350 m处。为此本文提出改进的判断算法。

注:T1、T2为2个相邻周期的数据;|T1-T2|为2组数据差的绝对值

虽然有时2 组数据的算术平均数、标准差和偏态系数都相同,但它们分布曲线顶端的高耸程度却不同。峰度系数可描述这种数组之间的差异,它反映了频数分布曲线顶端尖峭或扁平程度。统计学用四阶中心矩来测定峰度。当有信号差异的2 组数据进行比较时,由于数据处于不同的分布状态,其峰度系数必定存在较大差异,可利用四阶中心矩来区分有无信号差异。

本文设计的数据处理算法,首先对相邻2 个周期去噪后的POTDR曲线作差处理,得到2 条曲线的差异D(z)=|P(z)T1-P(z)T2|;然后对D( z) 进行分组处理,设数组Y1为D(z) 的前100 个数据点;数组Y2为D(z) 的第2 至第101 共计100 个数据点;数组Y3为D(z) 的第3 至第102 共计100 个数据点;以此类推;最后分别求出数组Y1,Y2,… ,YL-n+1的四阶中心距:

其中,,k=1,2,…,L-n+1;L为数组D的长度。

按照上述数据处理算法对图5中的数据进行处理,结果如图6所示。

从图6可以看出,设定强度阈值为1011时,超过强度阈值的位置在1365 m处。这个结果和实际扰动位置(1350 m)存在一定的误差。产生误差的原因有:1) 由于实验中POTDR的脉冲宽度为1μs,对应的空间分辨率为100 m;2) 由于整个系统存在环境噪声、光电探测器热噪声等各种噪声,所以强度阈值不能设置太低,以免引起误报警。

然而实际工程中由于现场环境复杂,仅靠阈值判定报警误报率较高。如降雨或者老鼠等小动物扰动光纤可能会引起信号超过阈值。为此本文设计了振铃算法。设振铃宽度J和振铃次数阈值I,将连续J个周期的分段四阶矩波形与强度阈值进行比较,记录每个周期内距离最近的超过阈值点。当超过I个周期都存在超过阈值点时触发报警,报警点为所有超过阈值的点中距离最近的点。J和I的值可根据具体的现场环境进行调整。在南方电网某局的现场试点工程中测试发现,当J和I分别选择150 和10 时,报警效果较好。

4 标定方法

由于光纤传感系统检测距离和实际地理位置难以标定,特别是采用S形敷设方法后,事件发生点到光纤传感主机的光缆长度和实际地理位置更加难以对应。本文建立基于Web平台[10]的管理系统,提出基于地理信息系统(geographic information system,GIS)[11]的标定方法,可快速准确地对分布式光纤入侵系统进行标定。

基于GIS的定位算法流程图如图7 所示。首先,在服务平台添加报警节点表单,表单包括节点名称(实际地理位置常用名称)、距离(光纤传感主机到此点所敷设的光缆长度)、经纬度(唯一标示此点在地图上的位置)等参数;然后,当管理平台接收到光纤传感主机发来的报警信号后,提取报警信息中的距离信息,将报警距离和表单中的节点距离信息依次比较,找到最接近的一个节点,判断此节点附近出现入侵事件并提醒用户注意。

5 结语

结合电缆隧道安全监测的具体应用场景,本文提出了一种基于分布式光纤传感技术的电缆隧道安全状态在线监测系统。与典型的传统监测方式(如基于低压脉冲原理的系统、基于电子振动传感的智能井盖视频监控等)相比,光纤传感系统在电缆隧道的监控应用中有2 个优点:1) 现场无需供电,解决了现场环境复杂、取电难等问题;2) 无需对电网系统进行任何改造,避免引入新的不安全因素。此外本文根据电缆隧道现场环境的特殊性,在分布式光纤振动传感技术已有成果的基础上,设计并优化了事件识别算法和布线方式,建立了基于Web平台的管理系统,提出了基于GIS的标定方法。研究成果在南方某辖区进行了工程试点,取得了良好的效果。

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