分布式溫度傳感器的簡單數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)

張靜等

摘 要： 這里開發(fā)實現(xiàn)了一種較簡單的分布式溫度傳感器的采集系統(tǒng)。通常情況下，運行在高頻的數(shù)/模轉換器很昂貴，因此提出一種采用低速數(shù)/模轉換器的方法來降低成本，同時在低速數(shù)/模轉換器之前加入采樣保持電路，獲得較小的采樣分辨率、提高溫度穩(wěn)定性。該系統(tǒng)通過延遲采樣保持電路和數(shù)/模轉換相對于激光觸發(fā)器的保持時間，可以測量沿光纖任何位置處的溫度，其可以在短距離的光纖監(jiān)測系統(tǒng)中得到廣泛應用。

關鍵詞： 分布式溫度傳感器； 取樣與保持； ADC； 空間分辨率； MSP430

中圖分類號： TN29?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2015）21?0149?03

Simple data acquisition system of distributed temperature sensor

ZHANG Jing1， LI Jianwei1， XIAO Kai1， LI Ping1， CAI Haiwen2， ZHAO Hao1

（1. Bandweaver Technologies Co.， Ltd.， Shanghai 200120， China； 2. Synet Optics Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200120， China）

Abstract： The purpose in this article is to develop and realize a simple data acquisition system of the distributed temperature sensor. Normally the D/A converter operating in high frequency is expensive， so the method adopting low?speed D/A converter is proposed to reduce the cost. The sampling hold circuit is added before the low?speed D/A converter to obtain smaller sampling resolution and improve temperature stability. The temperature at any position along the optical fiber can be measured by delaying the hold time of sampling hold circuit and D/A conversion relative to the laser trigger. The system can be widely used in the optical fiber monitoring system in short distance.

Keywords： distributed temperature sensor； sampling and hold； ADC； spatial resolution； MSP430

0 引 言

激光器發(fā)射出的短脈沖光通過耦合可以進入到光纖中，當光在光纖中傳播時，會發(fā)生散射，其中一部分光線會反射回激光器。光纖中大部分的散射光和入射光的波長是相同的，但同時還可以觀察到比入射光波長短或長的其他信號光。拉曼信號光包括斯托克斯光和反斯托克斯光，這兩種波長光是相對于激光源光波長變化的。其中斯托克斯信號（低頻率）和反斯托克斯信號（高頻率）的振幅對溫度是敏感的，可以用于分布式溫度測量中[1?3]。

在分布式溫度傳感器中，快速數(shù)/模轉換器用來捕獲來自光纖中每一點的背向散射電信號，通常每間隔1 m進行一次溫度測量[4]。

當從激光器發(fā)出的脈沖光傳輸?shù)焦饫w中的某一點[z]時，其產(chǎn)生的背向散射光必沿著相同的光路反射。因此總的傳輸距離為[2z。]利用公式[t=（2z）v]和[v=nc]計算取樣間隔。其中：c是光的傳播速度；[n]是光纖的折射率[5]。

為了獲得1 m的采樣分辨率，捕獲間隔必須是10 ns或每秒1億個采樣值（MS/s）。

1 方 法

運行頻率在100 MHz的數(shù)/模轉換器通常是很昂貴的，本文提出了一種采用慢速數(shù)/模轉換器的方法來降低成本，但是該方法不適用于全分布式測量，只能用于少數(shù)幾個測量點。但是，采用一個慢速（如200 KS/s）的數(shù)/模轉換器將會產(chǎn)生很大采樣分辨率（如500 MHz），作用是很微弱的。然而，如果在低速數(shù)/模轉換器之前加入采樣保持（H/S）電路的話，就可以獲得很低的采樣分辨率。

圖1中，采樣保持電路處于跟蹤模式，且只跟隨著所探測的后向散射光信號。在沿光纖的需要探測點，采樣保持電路轉換到保持狀態(tài)，這時信號會被保持足夠長的時間直到數(shù)/模轉換器完成轉換。通過延遲采樣保持電路和數(shù)/模轉換相對于激光觸發(fā)器的保持時間，可以測量沿光纖任何位置處的溫度。

圖1中[t0]和[t1]分別代表激光觸發(fā)時間和采樣保持觸發(fā)延遲時間。延遲[t1]隨后將對[z1]點的溫度進行測量。

1.1 系統(tǒng)組成

采集系統(tǒng)使用德州儀器OPA615寬帶直流恢復電路[6]和德州儀器MSP430F169單片機[7]來實現(xiàn)。該MSP430單片機內部有一個12位的8輸入數(shù)/模轉換多路復用器，這可以實現(xiàn)轉換速率高達200 KS/s（5 μs）。

MSP430數(shù)/模轉換器內部的采樣保持電路有一個1 220 ns的采樣時間和13個時鐘周期來完成轉換；不過，1 220 ns的采樣時間相當于122 m的采樣間隔，這個值對于大多數(shù)應用來說還是太大了。內部采樣保持電路的存在意味著外部的OPA615僅需要保持斯托克斯或反斯托克斯數(shù)值的時間是1 220 ns而不是整個轉換時間5 μs。

觸發(fā)延遲是通過使用一個由50 MHz時鐘驅動的12位計數(shù)器來實現(xiàn)的。它能夠提供一個最高達4 096 ns的延遲，這相當于對超過4 km的光纖，以20 ns的增量測量（每隔2 m）。

此實驗中使用到的激光源、濾波器和雪崩光電二極管（APD）探測電路來自于波匯火災探測器溫度分布式傳感器。

1.2 操作

MSP430上的計時器設置了激光的觸發(fā)，產(chǎn)生的光信號經(jīng)過環(huán)形器進入到測試光纖。后向散射光反射回環(huán)形器并被過濾到相應的斯托克斯和反斯托克斯組件中。這時雪崩光電二極管對光信號進行轉換。

采樣保持電路的保持功能和數(shù)/模轉換過程的啟動是由一個延遲的激光觸發(fā)信號開始的。斯托克斯和反斯托克斯電信號分別由兩個OPA615采樣，然后采樣信號會傳遞到MSP430。當數(shù)/模轉換器開始多路復用時，斯托克斯和反斯托克斯信號就會被替代激光觸發(fā)器上的單片機轉化。

2 潛在問題

2.1 觸發(fā)抖動

通過兩個關鍵操作可以減緩數(shù)/模轉換器轉換和采樣保持觸發(fā)器開始之間的延遲。首先是采樣保持電路的保持功能，這個值應保持足夠長的時間來使數(shù)據(jù)轉換器完成這個進程。其次是數(shù)據(jù)平均和抖動平均。后向散射信號是微弱且嘈雜的，因此需要用數(shù)據(jù)平均來提高信噪比。

2.2 保持電容泄漏

采樣保持電路的核心是一個電容，其保留了提供給它的信號。該電容器易泄漏，當采樣保持電路處于保持模式時，將從電容流出。

下降率[VCH]與時間有關，它取決于保持電容值[CH]和泄漏電流[IL，]可以通過下式計算：

式中：[γ=（?Ω）k；][?=普朗克常量2π；][k]是玻爾茲曼常數(shù)；[2πΩ]為拉曼頻移；[PS（z），][PAS（z）]是距離[z]處的斯托克斯和反斯托克斯功率；[C]為一個校準參數(shù)，它通過一個已知的溫度和后向散射功率來計算；[Δα]是斯托克斯和反斯托克波長在光纖衰減中的差值。

任何由于下降率而引起的比例不匹配都會產(chǎn)生一個與功率比有關的比例因子[K，][K=PS（z）PAS（z）。]一旦長期發(fā)展，這個額外的比例因子就會被校正參數(shù)[C]所吸收。

3 實驗結果

實驗結果如圖2所示。圖2中40 ℃和70 ℃參考爐使用電進行加熱，兩者距離很近且之間沒有連接器。光纖的參考線圈被加熱到40 ℃和70 ℃為校準過程提供參考點。

3.1 空間分辨率

空間分辨率定義了溫度發(fā)生階躍變化期間系統(tǒng)響應的距離。對分布式溫度傳感系統(tǒng)來說，測量了整個光纖10%～90%的距離。步進距離選擇在40 ℃和70 ℃參考位置之間，因為這些點非常接近，且光纖是連續(xù)的，沒有連接器。這里測量了起始端和末端的溫度變化。圖3和圖4顯示了參考位置的溫度階躍變化。

沿光纖每隔2 m進行溫度測量，所得的數(shù)值為1 h內的平均值，以此來減少參考部分的溫度變化，結果如表1所示，可以看出，采樣保持電路可獲得較好的空間分辨率。如果沒有該電路，空間分辨率將超過120 m，這個數(shù)值對應于MSP430內部的數(shù)/模轉換器采樣和保持捕獲時間。

3.2 溫度穩(wěn)定性

測量了5個位置處的溫度隨時間的變化來顯示系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在每一個位置處，所得的溫度值為4 s的平均值。用超過10個的溫度測量值判斷標準偏差。

如表2的結果所示，與期望一樣，固定位置處的溫度偏差會隨著距離而增加。在約1 km位置處的溫度偏差約是1 ℃，且通過測量時間的增加，這個結果可以進一步減少。

4 結 語

帶有內置數(shù)/模轉換器的廉價單片機和簡單的采樣保持電路的結合可以實現(xiàn)一個簡單的分布式溫度傳感器的采集系統(tǒng)。盡管溫度采集不再是完全分布式的，但仍可以監(jiān)測到沿光纖任意被選擇的位置處的溫度變化。這個功能可以適用于較短的光纖，這種光纖只需要監(jiān)測某些位置處的溫度。盡管使用了低速數(shù)/模轉換器，但由于采樣保持電路的存在，空間分辨率依然很短。采樣保持電路可以獲得獨立于數(shù)/模轉換器采樣速率的較短的空間分辨率。

參考文獻

[1] 張在宣，張步新，陳陽.光纖背向激光自發(fā)拉曼散射的溫度效應研究[J].光子學報，1996，25（3）：273?278.

[2] 彭超，趙建康，苗付貴.分布式光纖監(jiān)測技術在線監(jiān)測電纜溫度[J].高電壓技術，2006，32（8）：43?45.

[3] 郭兆坤，鄭曉亮，陸兆輝，等.分布式光纖溫度傳感技術及其應用[J].中國電子科學研究院學報，2008（5）：543?546.

[4] AOYAMA K， NAKAGAWA K， ITOH T. Optical time domain reflectometry in a single?mode fiber [J]. IEEE Journal of Quantum Electronics， 1981， 17（6）： 862?868.

[5] 劉增基，周洋溢，胡遼林.光纖通信[M].西安：西安電子科技大學出版社，2001.

[6] Texas Instruments. OP615 datasheet [EB/OL]. [2014?01?12]. http：//www.ti.com/lit/gpn/opa615.

[7] Texas Instruments. MSP430F169 datasheet [EB/OL]. [2014?01?33]. http：//www.ti.com/lit/gpn/msp430f169.