分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的自校準(zhǔn)與空間特性研究

馮 婷，黃 俊，賴 華，李 川，趙振剛

(昆明理工大學(xué) 信息工程及自動(dòng)化學(xué)院，云南 昆明 650504)

電力電纜、地鐵站、隧道、邊坡曾因溫度監(jiān)測(cè)不力而發(fā)生的火災(zāi)，給國家?guī)砹司薮蠼?jīng)濟(jì)損失的同時(shí)也嚴(yán)重威脅到人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。傳統(tǒng)的溫度傳感器在易燃易爆或者電磁干擾的環(huán)境下受到極大限制，需要增加電磁屏蔽措施和添加溫度補(bǔ)償模塊[1-2]。

相比一般的溫度傳感器，采用分布式光纖傳感器，除了具有抗電磁干擾、安全、防爆等優(yōu)勢(shì)之外[3]，還具有測(cè)溫空間范圍廣、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、質(zhì)量輕，能夠測(cè)量許多特殊區(qū)域或者狹窄空間的溫度場(chǎng)分布[4]等優(yōu)點(diǎn)。20世紀(jì)80年代，南安普頓大學(xué)首次提出分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)。到21世紀(jì)，美國安捷倫公司推出的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)溫距離達(dá)到3 km，溫度分辨率達(dá)到1 ℃，空間分辨率達(dá)到1 m，同時(shí)還能進(jìn)行多通道測(cè)量[5]。文獻(xiàn)[6]中，中國計(jì)量學(xué)院分析了光纖中的自發(fā)拉曼散射效應(yīng)以及其放大后的特性，從而提出了一種基于自發(fā)拉曼散射效應(yīng)的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，同時(shí)增加了分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)量距離。為了提高分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的溫度解調(diào)精度，研究人員對(duì)校準(zhǔn)方面進(jìn)行了研究。文獻(xiàn)[7]提出在傳感光纖上選擇8個(gè)點(diǎn)，在每個(gè)選定的點(diǎn)布置一個(gè)溫度傳感器，然后用分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)選中的8個(gè)點(diǎn)進(jìn)行溫度解調(diào)，與溫度傳感器測(cè)得的溫度結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以溫度傳感器測(cè)得的溫度值作為標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的解調(diào)溫度進(jìn)行校準(zhǔn)。文獻(xiàn)[8]采用標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)與DTS(Distributed Optical Fiber Temperature Sensing System)溫度解調(diào)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比的方式，在光纖上選取測(cè)試點(diǎn)，將測(cè)試點(diǎn)周圍的光纖盤成若干小圈，放入一個(gè)帶標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)的恒溫裝置中。再設(shè)置恒溫裝置的溫度，待光功率信號(hào)穩(wěn)定后，根據(jù)溫度對(duì)比的差值進(jìn)行相應(yīng)的溫度補(bǔ)償。上述校準(zhǔn)方法都是在DTS系統(tǒng)的外部采用測(cè)溫精度較高的測(cè)溫裝置，以此作為溫度參考，進(jìn)行分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的校準(zhǔn)。但這種校準(zhǔn)方法在實(shí)際工程應(yīng)用中，需要大量人力對(duì)精度較高測(cè)溫裝置進(jìn)行溫度讀取。

本文設(shè)計(jì)了一種帶自校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，從系統(tǒng)內(nèi)部設(shè)計(jì)恒溫槽，恒溫槽內(nèi)放置參考光纖，選取參考光纖所處的溫度作為系統(tǒng)的參考溫度。研究分析了長(zhǎng)距離溫度場(chǎng)的空間分布特性，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了溫度補(bǔ)償。

1 測(cè)溫系統(tǒng)自校準(zhǔn)設(shè)計(jì)與溫度解調(diào)

1.1 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)溫原理

傳統(tǒng)分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)主要由以下幾部分構(gòu)成：電源模塊、脈沖光源模塊、WDM波分復(fù)用器、APD光電探測(cè)器、數(shù)據(jù)采集模塊、控制模塊。系統(tǒng)硬件組成框圖如圖1所示。

圖1 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)硬件框圖

傳統(tǒng)分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)工作原理為[9]：分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)通電以后，電源模塊給各個(gè)模塊供電，使各模塊運(yùn)行?？刂颇K首先給數(shù)據(jù)采集模塊提供一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，數(shù)據(jù)采集模塊開始工作，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。與此同時(shí)，數(shù)據(jù)采集模塊給脈沖光源模塊一個(gè)脈沖驅(qū)動(dòng)，讓脈沖光源開始發(fā)送脈沖光，脈沖光源模塊發(fā)出的1 550 nm脈沖光經(jīng)過WDM波分復(fù)用器進(jìn)入光纖，發(fā)生拉曼散射，產(chǎn)生1 663 nm的Stokes光及1 450 nm的Anti-Stokes光。其中反斯托克斯光信號(hào)的強(qiáng)度隨溫度變化明顯，而斯托克斯光信號(hào)隨溫度變化不明顯。Stokes光及Anti-Stokes光向后傳回經(jīng)過WDM波分復(fù)用和APD光電探測(cè)器，完成光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換[10]。最后由采集模塊采集，輸出到上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，根據(jù)計(jì)算光纖內(nèi)任何一點(diǎn)的Anti-Stokes光功率與Stokes光功率的比值，得到該點(diǎn)的溫度。

1.2 自校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

校準(zhǔn)是指在規(guī)定條件下，為使測(cè)量?jī)x器或測(cè)量系統(tǒng)準(zhǔn)確所指示的量值，或?qū)嵨锪烤呋騾⒖嘉镔|(zhì)所代表的量值，與對(duì)應(yīng)的由標(biāo)準(zhǔn)所復(fù)現(xiàn)量值之間關(guān)系的一組操作[11]。過去研究人員對(duì)分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的校準(zhǔn)研究大多都采用在分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)外部選用精度更高的測(cè)溫傳感器進(jìn)行標(biāo)定，把光纖傳感器的溫度解調(diào)值與傳統(tǒng)溫度傳感器的值進(jìn)行對(duì)比并補(bǔ)償。然而，在這個(gè)過程中并未考慮到應(yīng)力場(chǎng)的改變會(huì)影響斯托克斯(Stokes)光和反斯托克斯(Anti-Stokes)光的光強(qiáng)的變化，從而造成對(duì)解調(diào)的誤差。

因此，在分布式測(cè)溫系統(tǒng)內(nèi)設(shè)計(jì)一恒溫槽，其中擺放了一段長(zhǎng)為100 m的光纖，此段光纖被稱為參考光纖，在恒溫槽內(nèi)部放置兩個(gè)溫度精確度達(dá)0.5 ℃的溫度傳感器，用此段光纖的溫度作為參考溫度。通過系統(tǒng)內(nèi)部采集板采集外部測(cè)溫光纖的同時(shí)也采集參考光纖的Stokes光和Anti-Stokes光的光功率值?？刂瓢逋ㄟ^控制恒溫槽加熱片的通斷來控制參考溫度值，設(shè)置恒溫槽內(nèi)部參考溫度恒定，參考光纖固定，保持參考光纖外部環(huán)境的穩(wěn)定性，從而能夠減小因外部環(huán)境變化引起的光強(qiáng)變化而導(dǎo)致參考溫度的不正確性。帶自校準(zhǔn)的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)硬件組成如圖3所示。

圖2 帶自校準(zhǔn)的DST硬件組成

由圖2可知，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的自校準(zhǔn)結(jié)構(gòu)是在其內(nèi)部增加一個(gè)恒溫裝置即恒溫槽。恒溫槽由外部金屬屏蔽盒、可控溫加熱片、隔熱板、參考光纖、高精度數(shù)字溫度傳感器組成。恒溫槽選用外殼的尺寸為125 mm×80 mm×58 mm的金屬密封盒，使得既能將長(zhǎng)度為100 m的參考光纖放置在恒溫槽內(nèi)，又能夠?qū)⒑銣夭酃潭ㄔ诖笮?U的工控機(jī)箱內(nèi)部，恒溫槽的結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 恒溫槽結(jié)構(gòu)示意圖

將100 m的參考光纖繞成橢圓形放置于恒溫槽內(nèi)部，將兩個(gè)高精度數(shù)字溫度傳感器放置于金屬盒內(nèi)部并且放置于參考光纖相對(duì)應(yīng)的兩側(cè)。在恒溫槽每一面都放置加熱片，為了使恒溫槽內(nèi)部溫度均勻，避免部分光纖直接接觸加熱片造成部分光纖段溫度過高，則在加熱片一側(cè)放置隔熱板，四周隔熱板形成的空間即為放置光纖的空間。僅在金屬密封盒的一側(cè)開孔用以保障金屬屏蔽盒的密封性，在自校準(zhǔn)裝置與DTS系統(tǒng)連接好之后，再用膠將所開孔密封，保持內(nèi)部空間場(chǎng)的恒溫。溫度傳感器和加熱片的供電線分別與控制板相連，溫度傳感器測(cè)得的數(shù)字溫度信號(hào)由上位機(jī)軟件采集得到，在PC端的軟件上可以得到恒溫槽內(nèi)部溫度值，并且由采集板采集得到參考光纖的Stokes光和Anti-Stokes光的光功率信號(hào)值。

圖4 恒溫槽模塊安裝圖

圖5 自校準(zhǔn)的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)整機(jī)裝配圖

1.3 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的溫度解調(diào)

為了改變因?yàn)槟承┮蛩氐淖兓斐傻南到y(tǒng)測(cè)量不準(zhǔn)確的問題，系統(tǒng)引入了參考光纖。得到參考光纖處反斯托克斯(Anti-stokes)光和斯托克斯(Stokes)光強(qiáng)比值和參考光纖的溫度值，就能得出系統(tǒng)的測(cè)溫曲線。溫度解調(diào)公式如下[9-10]

(1)

(2)

由式(2)可知，溫度的解調(diào)是以參考溫度T0作為基準(zhǔn)，即參考溫度的測(cè)量誤差很大程度上會(huì)影響系統(tǒng)的溫度解調(diào)。本文研制的帶自校帶準(zhǔn)系統(tǒng)的分布式光纖是以自校準(zhǔn)系統(tǒng)內(nèi)部恒溫槽溫度值作為參考溫度，所以獲得準(zhǔn)確的參考溫度值T0是提高系統(tǒng)測(cè)量精度的核心。

2 雙傳感器確定參考溫度的方法

從傳統(tǒng)的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)測(cè)量標(biāo)定溫度的不足之處出發(fā)，在恒溫槽結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種雙數(shù)字溫度傳感器取平均值獲得DST參考溫度的方法。將兩個(gè)溫度傳感器放置于恒溫槽內(nèi)，使其分別放置于距離系統(tǒng)加熱片最近處和最遠(yuǎn)處，通過上位機(jī)控制恒溫槽內(nèi)溫度值，設(shè)定不同的參考溫度值，實(shí)時(shí)記錄下兩個(gè)溫度傳感器的值。

本文選用數(shù)字溫度傳感器DS18B20作為測(cè)量參考溫度的溫度傳感器，該數(shù)字溫度傳感器的主要參數(shù)如表1所示，采集電路原理如圖6所示。

表1 DS18B20數(shù)字溫度傳感器的主要參數(shù)

圖6 數(shù)字溫度傳感器采集電路原理圖

表2 雙溫度傳感器參考溫度測(cè)量結(jié)果

從表2中可以看出，2只數(shù)字溫度傳感器測(cè)量的數(shù)據(jù)最小差值為0.23 ℃，最大差值為0.71 ℃，要使分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的溫度解調(diào)精度在1 ℃，恒溫槽內(nèi)標(biāo)定溫度的溫度精度必須達(dá)到0.5 ℃以上。以上述表格數(shù)據(jù)為例，當(dāng)上位機(jī)設(shè)置恒溫槽內(nèi)溫度為25 ℃時(shí)，兩個(gè)數(shù)據(jù)溫度傳感器的溫度差值超過0.7 ℃，如果只用一個(gè)溫度傳感器進(jìn)行測(cè)量，無法保證恒溫槽內(nèi)標(biāo)定溫度的溫度精度達(dá)到0.5 ℃以上，即不能達(dá)到分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)。當(dāng)對(duì)兩個(gè)溫度T1、T2取平均值后，其誤差最大為0.11 ℃，10組誤差數(shù)取平均值后為0.035 ℃。使用兩個(gè)數(shù)字溫度傳感器對(duì)恒溫槽做溫度測(cè)量，然后取它們的平均值作為參考溫度，對(duì)比單獨(dú)使用1只傳感器得到的測(cè)量結(jié)果，誤差有所降低，精度有所提高。

3 空間分布特征與系統(tǒng)衰減補(bǔ)償

對(duì)于一個(gè)測(cè)溫空間場(chǎng)例如隧道而言，為使DST能夠盡量掌握整個(gè)溫度場(chǎng)的溫度變化，往往需要來回布設(shè)傳感光纖，布設(shè)的光纖長(zhǎng)度達(dá)到幾千米，所以為了能夠?qū)崿F(xiàn)分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)長(zhǎng)距離溫度場(chǎng)的準(zhǔn)確測(cè)溫，需要對(duì)DTS的溫度空間分布特征進(jìn)行分析研究[12]。選取長(zhǎng)度為10 km的傳感多模光纖，搭建帶自校準(zhǔn)的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，10 km光纖放置于溫度為20 ℃的恒溫箱中，得到經(jīng)過累加平均去噪算法與小波變換去噪算法處理[13-15]的光纖光功率信號(hào)的空間分布特征如圖7所示。

圖7 Stokes光與Anti-Stokes光的空間分布特征

由圖7可知，Stokes光與Anti-Stokes光在光纖傳輸時(shí)存在衰減，造成stokes光與Anti-Stokes光的光功率曲線傾斜，兩路光在光纖傳輸時(shí)的衰減系數(shù)不同，造成兩路光在長(zhǎng)距離傳輸時(shí)的傾斜角不同。在分布式光纖溫度傳感器中，由于攜帶光功率信號(hào)的Stokes光和Anti-Stokes光非常微弱，光功率的大小為mW級(jí)別，并且隨著測(cè)溫距離的增長(zhǎng)，兩路光信號(hào)在光纖中的衰減也是不同的，光信號(hào)隨距離的衰減限制了DTS測(cè)溫的距離[16]。

對(duì)光功率信號(hào)進(jìn)行解調(diào)時(shí)，用的是Anti-Stokes光與Stokes光的比值，取圖7中Anti-Stokes光與Stokes光的比值，運(yùn)用分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的溫度解調(diào)公式，將圖的光功率信號(hào)進(jìn)行解調(diào)，得到溫度場(chǎng)的空間特征如圖8所示。

圖8 溫度場(chǎng)的空間分布特征圖

由圖8可知，隨著光纖測(cè)溫長(zhǎng)度的增加光功率逐漸衰減，分布式測(cè)溫系統(tǒng)解調(diào)出來的溫度也逐漸下降，解調(diào)精度超出了1 ℃ 的范圍，系統(tǒng)的測(cè)溫誤差接近15 ℃。所以，需要對(duì)溫度曲線進(jìn)行衰減補(bǔ)償。

根據(jù)20 ℃時(shí)溫度隨測(cè)溫距離變化曲線圖，利用MATLAB軟件對(duì)其進(jìn)行擬合，得到擬合函數(shù)為

F(L)=-4.379 8×10-8L2-0.001 1L+20.008 3

(3)

式中，L為測(cè)溫光纖所處位置。所以，得到溫度補(bǔ)償函數(shù)為

f(L)=4.379 8×10-8L2+0.001 1L

(4)

將圖用溫度補(bǔ)償函數(shù)進(jìn)行處理，得到溫度隨測(cè)溫距離變化曲線如圖9所示。

圖9 經(jīng)過溫度補(bǔ)償后溫度的空間分布圖

從圖9可以看出，對(duì)于20 ℃溫度場(chǎng)經(jīng)過溫度補(bǔ)償后的曲線的溫度解調(diào)精確度基本保持在1℃以內(nèi)。

4 結(jié)束語

在傳統(tǒng)的DST基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了一種帶自校準(zhǔn)的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，為提高DTS的溫度解調(diào)精確度，提出了一種雙數(shù)字傳感器取平均值來確定系統(tǒng)參考溫度的方法，實(shí)現(xiàn)了DTS的自校準(zhǔn)系統(tǒng)參考溫度的確定。在DTS的自校準(zhǔn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)上研究了光功率信號(hào)的空間特性，選取了20 ℃長(zhǎng)距離溫度場(chǎng)的測(cè)溫曲線進(jìn)行空間特性研究。擬合出空間場(chǎng)的光功率信號(hào)隨布設(shè)長(zhǎng)度的衰減公式，根據(jù)衰減公式對(duì)溫度場(chǎng)進(jìn)行溫度補(bǔ)償，使DTS的測(cè)溫精度能夠達(dá)到1 ℃，而光功率信號(hào)的衰減變化是依據(jù)光纖具體鋪設(shè)的變化而不相同，對(duì)于光功率信號(hào)的衰減以及溫度補(bǔ)償應(yīng)做更深入的研究。