作者:駿龍科技現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師
光纖測(cè)溫是伴隨著光纖以及光纖通信技術(shù)發(fā)展而產(chǎn)生的一種新的應(yīng)用傳感技術(shù)。目前市面上的光纖測(cè)溫主要分為兩種:
本文主要介紹分布式光纖測(cè)溫DTS以及ADI的相關(guān)應(yīng)用。
分布式光纖測(cè)溫VS傳統(tǒng)測(cè)溫方式
光纖傳感器用光作為信息的載體,用光纖作為傳遞信息的媒質(zhì)。相比傳統(tǒng)測(cè)溫方式,分布式光纖測(cè)溫具有以下優(yōu)點(diǎn):
- 不受電磁干擾,耐腐蝕
- 無源實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè),絕緣性好,防爆性好
- 體積小,重量輕,可彎曲
- 靈敏度高,使用壽命長
- 測(cè)量距離遠(yuǎn),維護(hù)方便
分布式光纖測(cè)溫的應(yīng)用場(chǎng)景
電力電纜的實(shí)時(shí)在線溫度監(jiān)測(cè)
- 運(yùn)行狀態(tài)監(jiān)測(cè),有效檢測(cè)電纜在不同負(fù)載下的發(fā)熱情況,積累歷史數(shù)據(jù)
- 老化監(jiān)測(cè),發(fā)現(xiàn)電纜局部過熱點(diǎn)
高壓架空線的增容
- 對(duì)關(guān)鍵地點(diǎn)架空導(dǎo)線的溫度監(jiān)測(cè),提高架空線路的輸送容量
交通運(yùn)輸領(lǐng)域的火情監(jiān)測(cè)預(yù)警(如隧道、地鐵、鐵路、機(jī)場(chǎng))
- 當(dāng)產(chǎn)生報(bào)警輸出時(shí),強(qiáng)制啟動(dòng)通風(fēng)設(shè)備,開啟應(yīng)急通道,通知醫(yī)療救援和指揮中心
堤壩等特殊場(chǎng)合的滲漏監(jiān)測(cè)
- 此應(yīng)用中需要特質(zhì)光纖并且添加有源激勵(lì)。當(dāng)?shù)虊伟l(fā)生滲漏時(shí),水分帶走熱量,光纖周圍產(chǎn)生溫度差異,從而可以定位到滲漏的具體地點(diǎn)
氣體運(yùn)輸管道的漏氣監(jiān)測(cè)
- Joule-Thomson效應(yīng):當(dāng)氣體由高壓區(qū)向低壓區(qū)自由擴(kuò)散的時(shí)候,氣體的溫度會(huì)發(fā)生一個(gè)瞬間跌降。通過絕熱氣體方程,可以大致計(jì)算該溫度的跌降數(shù)值。該溫度變化可以通過光纖測(cè)溫得到測(cè)量。
行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)及市場(chǎng)情況
國家關(guān)于光纖測(cè)溫出臺(tái)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)是:GB/T 21197-2007《線性光纖感溫火災(zāi)探測(cè)器》,而各個(gè)行業(yè)關(guān)于分布式光纖測(cè)溫也出臺(tái)了對(duì)應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。
下表(表1)是電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn):DL/T1573-2016《電力電纜分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)技術(shù)規(guī)范》。
表1 分布式光纖測(cè)溫的電力行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)
市面上不同行業(yè)出臺(tái)的標(biāo)準(zhǔn)是略微差別,終端設(shè)備廠家目前設(shè)計(jì)的產(chǎn)品大多數(shù)可以涵蓋到不同的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。
分布式光纖測(cè)溫的原理
分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)DTS是基于光纖拉曼散射現(xiàn)象。激光器光源發(fā)出的光脈沖與光纖分子相互作用從而發(fā)生散射。散射光有多種類型:
- 瑞利(Rayleigh)散射
- 布里淵(Brillouin)散射
- 拉曼(Raman)散射
其中拉曼散射是與光纖分子的熱振動(dòng)相關(guān)聯(lián)的,因而對(duì)溫度敏感,可以用來進(jìn)行溫度測(cè)量。在拉曼散射中,頻率小于入射光頻率的光稱為斯托克光(stokes),頻率大于入射光頻率的光稱為反斯托克光(anti-stokes);斯托克光以及反斯托克光在頻譜上的分布是對(duì)稱的,反斯托克光對(duì)溫度敏感,其強(qiáng)度受溫度調(diào)制,溫度越高,散射光強(qiáng)越高;斯托克光與溫度無關(guān),兩者光強(qiáng)的比值只與散射區(qū)的溫度有關(guān)。
通常反斯托克光用作信號(hào)通道,斯托克光用作參考通道,檢測(cè)兩者的光強(qiáng)比值,就可以解調(diào)出溫度;同時(shí)還可以有效地消除光源的不穩(wěn)定,以及光纖傳輸過程中的耦合損耗、光纖接頭損耗、光纖彎曲損耗和光纖傳輸損耗等影響。
圖1 光纖中光的反射光譜
溫度位置的確定是基于光時(shí)域反射的OTDR技術(shù),測(cè)量散射信號(hào)的回波時(shí)間,即可確定散射信號(hào)在光纖中的具體位置。激光脈沖在光纖中傳輸時(shí),入射光經(jīng)過散射返回光纖入射端所需時(shí)間為t,激光脈沖在光纖中所走的時(shí)間為2L,得出以下公式:
2L=V*t V=C/n
V為光在光纖中的速度;C為真空中光速;n為光纖折射率。
圖2 利用OTDR技術(shù)進(jìn)行測(cè)溫定位
了解以上原理之后,對(duì)于分布式光纖測(cè)溫,我們會(huì)有大概的整體框架認(rèn)知,如下圖(圖3)所示:
圖3 分布式光纖測(cè)溫整體框架
分布式光纖測(cè)溫終端常見技術(shù)要求
下表(表2)是分布式光纖測(cè)溫終端常見技術(shù)參數(shù)以及具體技術(shù)要求。
表2 分布式光纖測(cè)溫終端常見技術(shù)要求
分布式光纖測(cè)溫設(shè)計(jì)的常見問題解答
光纖脈沖激光器脈寬多大合適?
工程師經(jīng)常使用的光纖激光器,脈寬有的是3ns,有的是5ns,還有的是10ns甚至更大,這個(gè)值究竟是和什么有關(guān)呢?它會(huì)對(duì)信號(hào)鏈路的測(cè)量帶來哪些影響?
我們首先要明白:脈寬大,發(fā)射的功率就比較大;脈寬小,發(fā)射的功率就比較小。發(fā)射的功率大,所能測(cè)量的距離就更遠(yuǎn),但是發(fā)射功率不能無節(jié)制地增大,到達(dá)一定程度時(shí)會(huì)出現(xiàn)光功率的飽和(光纖放大器),無法正確測(cè)量。
脈寬小,定位精度高,信號(hào)強(qiáng)度變?nèi)酰瑴囟茸兓瘞淼男盘?hào)變化也不明顯,反應(yīng)會(huì)比較遲鈍,對(duì)ADC的要求更高。所以需要從測(cè)量距離,定位精度,ADC選擇方面綜合考慮來選擇脈寬,常見的是5ns-10ns。
選擇什么樣的ADC才能滿足系統(tǒng)要求?
假如要求系統(tǒng)長度分辨率達(dá)到1m,已知光在光纖中的傳播速度200, 000, 000 m/s的情況下,根據(jù)以下公式進(jìn)行計(jì)算:
Fs=V/2L(L=Vt/2)
ADC的轉(zhuǎn)換速率至少需要達(dá)到100Msps(從理論上講,如果采集信號(hào)的頻率足夠高,對(duì)時(shí)間t 的分辨足夠小,則可以測(cè)出光纖上每一點(diǎn)的溫度,即實(shí)現(xiàn)溫度的分布式測(cè)量)。
ADC的位數(shù)影響最終獲得的溫度和測(cè)量精度,位數(shù)大的話測(cè)量更精確,誤差更小,設(shè)備更靈敏;但同時(shí)也會(huì)帶來處理數(shù)據(jù)量的增加,成本的提高。大多數(shù)情況下,工程師會(huì)選擇ADC12位,少數(shù)會(huì)參考ADC14位。一般采集到的拉曼散射光非常微弱,為了提取有效信號(hào),需要進(jìn)行消噪處理,累加平均法是光纖測(cè)溫中常用的消噪手段,這部分可通過軟件完成。
累加法提高信噪比
在沿光纖反饋回來的信號(hào)中,除了光源的自身信號(hào)瑞利散射外,還有斯托克斯和反斯托克斯信號(hào),二者分布在中心波長的兩側(cè)。正是這兩個(gè)拉曼分量構(gòu)成了解度溫度信息的要素。
幅度方面,瑞利信號(hào)比斯托克斯要高 2-3 個(gè)數(shù)量級(jí),反斯托克斯信號(hào)比斯托克斯低 1 個(gè)數(shù)量級(jí)。幅度上的巨大差異,加大了從強(qiáng)的瑞利背景中提取喇曼分量的工作難度。
常規(guī)的提取方法是采用干涉濾光片,由于單片的濾光比參數(shù)不可能達(dá)到要求,只能是采用多片疊加的辦法,來盡量減弱瑞利信號(hào),從而達(dá)到初步提高信噪比的目的。取樣積分累加是提高信噪比的另外一種方法,如下圖(圖4)所示:
圖4 隨著累加次數(shù)提高的噪聲效果圖
激光驅(qū)動(dòng)部分電路以及部分ADI推薦型號(hào)
圖5 激光驅(qū)動(dòng)部分電路
圖6 半導(dǎo)體激光器的電流-功率曲線
分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)采用半導(dǎo)體激光器作為其光源,其輸出光功率受驅(qū)動(dòng)電流控制。半導(dǎo)體激光器的輸出是其驅(qū)動(dòng)電流的單調(diào)函數(shù),只要電流超過其閾值,激光器就開始處于受激輻射狀態(tài)發(fā)出激光,從上圖(圖6)可見,穩(wěn)定驅(qū)動(dòng)電流即可穩(wěn)定出光功率。
APD接收部分電路以及部分ADI推薦型號(hào)
圖7 APD接收部分電路
圖8 LT3571 APD偏置
APD偏置電壓通常為45V左右,因?yàn)锳PD的溫度敏感性比較高,部分工程師會(huì)根據(jù)溫度的不同選擇,不同的偏置電壓作為補(bǔ)償。環(huán)溫檢測(cè)方面,大多數(shù)工程師采用的是NTC方案,推薦參考數(shù)字溫度芯片;不同偏置電壓可以通過數(shù)字電位計(jì)進(jìn)行設(shè)置,如圖8中紅色框內(nèi)電阻位置。
信號(hào)調(diào)理部分電路以及部分ADI推薦型號(hào)
圖9 信號(hào)調(diào)理部分電路
圖10 高速信號(hào)鏈中時(shí)鐘抖動(dòng)Tj對(duì)SNR的影響
ADC一般情況下內(nèi)置了高精度的基準(zhǔn)電壓源,如果要達(dá)到更高的精度,也可以外部單獨(dú)配基準(zhǔn);高速ADC對(duì)時(shí)鐘輸入信號(hào)的質(zhì)量比較敏感,在輸入信號(hào)頻率為Fin情況下,時(shí)鐘抖動(dòng)Tj會(huì)影響到最終的SNR:
SNR=-20log (2Π*Fin*Tj)
低抖動(dòng)的時(shí)鐘源則推薦AD9510(40fs) LTC6950。
電源部分電路以及部分ADI推薦型號(hào)
電源部分主要包括以下幾個(gè)方面:APD偏置部分電源;模擬信號(hào)鏈電源;FPGA以及主控電源。
圖11 電源部分電路
總結(jié)
分布式光纖測(cè)溫相比傳統(tǒng)的測(cè)溫方式有其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn),深入理解其原理才能在進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)得心應(yīng)手。ADI作為模擬芯片方面的領(lǐng)導(dǎo)者,在DTS設(shè)計(jì)的每一個(gè)環(huán)節(jié),均可為您提供一系列相關(guān)的解決方案。欲了解更多技術(shù)細(xì)節(jié)和 ADI 相關(guān)方案,請(qǐng)與駿龍科技當(dāng)?shù)氐霓k事處聯(lián)系,或發(fā)送郵件至inquiry.cytech@macnica.com,駿龍科技公司愿意為您提供更詳細(xì)的技術(shù)解答。
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