一種長距離分布式溫度應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計

高軍委 崔向陽 白建軍 趙東平

摘要： 本文闡述設(shè)計的一種長距離分布式溫度應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)， 該系統(tǒng)采用普通的通信單模光纖作為傳輸介質(zhì)和傳感元件，依據(jù)激光在光纖中的背向散射效應(yīng)及布里淵散射原理，且采用光時域反射技術(shù)，實現(xiàn)實時在線測量光纖的溫度應(yīng)變分布信息及對光纖測量點的精確定位，可實現(xiàn)的分布式測量距離達到一百千米以上。

該監(jiān)測系統(tǒng)與傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)相比，傳統(tǒng)監(jiān)測系統(tǒng)通過將監(jiān)測裝置架設(shè)到線路上實現(xiàn)在線監(jiān)測，而該系統(tǒng)光纖本身即是傳感器，具有檢測光纖不帶電、抗射頻和電磁干擾，抗腐蝕、耐高壓和能快速多點實時在線測量并定位等優(yōu)點，將在光纖線路在線監(jiān)測中得到廣泛應(yīng)用。

關(guān)鍵詞： ?布里淵散射;光時域反射技術(shù);分布式測量

中圖分類號： TP212;TP274?? ?文獻標(biāo)識碼： A?? ?文章編號： 1672-9129（2018）09-0083-01

Abstract： ?this paper designs a kind of long-distance distributed temperature and strain of on-line monitoring system， the system USES ordinary single-mode optical fiber as transmission medium of communication and sensing element， on the basis of laser backscattering effect in the optical fiber and the brillouin scattering principle， and adopts the optical time domain reflection technology， real-time on-line measuring the temperature of the optical fiber strain distribution information and accurate positioning of optical fiber measurement point， which can realize the distributed measuring distance of one hundred kilometers or more.

Compared with traditional monitoring system， the monitoring system of traditional monitoring system by monitoring devices set up to realize on-line monitoring on line， and optical fiber itself is the sensor， the system has a detection optical fiber electrically neutral， radio frequency （rf） and electromagnetic interference resistance， corrosion resistance， resistance to high pressure， and can quickly multipoint real-time online measurement and location advantages， will be widely used in optical fiber links online monitoring.

Keywords： brillouin scattering;Optical time domain reflectance technique;Distributed measurement

引言：近年來，隨著中國超高壓及特高壓輸電線路的飛速發(fā)展，國網(wǎng)公司長距離電力專用光纜線路越來越多，電力光纜網(wǎng)絡(luò)在人們生活中的地位也越來越重要， 但由于電力光纜線路經(jīng)常會受到風(fēng)振、舞動、覆冰、雷擊等環(huán)境變化及自然現(xiàn)象的影響，常常會出現(xiàn)光纜線路斷裂現(xiàn)象的發(fā)生，當(dāng)線路斷裂時如果線路繼續(xù)長時間運行，線路斷裂點的導(dǎo)線溫度會持續(xù)升高，進而引起火災(zāi)等重大事故的發(fā)生。因此，研究一種能進行長距離光纜線路溫度、應(yīng)變實時在線監(jiān)測且能對線路故障點進行精確定位，對線路安全隱患具有預(yù)知功能的在線監(jiān)測系統(tǒng)尤為重要。

1 長距離溫度應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)硬件設(shè)計原理

長距離溫度應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)依據(jù)受激布里淵散射原理，硬件結(jié)構(gòu)設(shè)計原理如下圖1所示。

根據(jù)圖中設(shè)計，激光器發(fā)出的脈沖光1 與脈沖光2分別經(jīng)過光纖耦合器1、2 分成兩束光，其中一束泵浦光與一束探測光同時輸入到耦合器3 中進行混頻，并由頻譜分析儀測量信號的頻率。泵浦光經(jīng)過偏振控制器后輸入到電光調(diào)制器（EOM）中，調(diào)制成一定寬度的脈沖光，用于實現(xiàn)傳感區(qū)域的定位。脈沖光的寬度越窄，定位精度越高。脈沖光經(jīng)三端口光環(huán)形器輸入到傳感光纖中，探測光經(jīng)偏振控制器和光隔離器后輸入到傳感光纖的另一端，兩束光相互作用，信號光由光電探測器接收，經(jīng)低噪音放大和信號調(diào)理后送入高速數(shù)據(jù)采集電路進行多次累加平均，以提高信噪比，數(shù)據(jù)最終送到計算機中處理、顯示，得出光纜全程的溫度、應(yīng)變分布。

2 系統(tǒng)軟件主流程

分布式溫度應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)的主流程采集包含一個掃頻過程，最后綜合所有數(shù)據(jù)運算出應(yīng)變信息。由于應(yīng)變的分析過程較長，需要和采集流程進行多線程并行處理，加快整體采集處理速度。

主流程中包含三個核心過程，數(shù)據(jù)采集、應(yīng)變分析、報警分析。數(shù)據(jù)采集過程即掃頻過程，主要調(diào)整激光器輸出頻率，在一定范圍內(nèi)按一定步進分別采集數(shù)，最后采集到多條曲線組成的頻譜數(shù)據(jù)。

3 窄線寬光源設(shè)計與實現(xiàn)

本系統(tǒng)在設(shè)計過程中采用了DBR型窄線寬光纖激光器，DBR型窄線寬光纖激光器頻率具有較好的穩(wěn)定性和輸出功率， DBR型光纖激光器輸出光功率隨驅(qū)動電流變化，激光器的閾值電流在50mA左右，當(dāng)驅(qū)動電流為100mA時，輸出光功率約為10mW，激光器最大輸出光功率可達近20mW。激光器光譜特性顯示激光器波長為1550nm，而且寬度非常窄。

激光器的波長調(diào)諧通過調(diào)整TEC溫度與或微調(diào)驅(qū)動電流來實現(xiàn)，該系統(tǒng)設(shè)計激光器的TEC溫度調(diào)整系數(shù)約15pm/℃，0.4pm/mA，波長調(diào)諧范圍超過±30pm，即±4GHz，可以輕松實現(xiàn)9～13GHz之間的±2GHz的調(diào)整范圍。

4 監(jiān)測系統(tǒng)軟件實現(xiàn)

監(jiān)測系統(tǒng)軟件分為服務(wù)端軟件與客戶端軟件兩部分，服務(wù)端軟件安裝于監(jiān)測主機上，負責(zé)監(jiān)測主機的參數(shù)設(shè)置及數(shù)據(jù)采集，客戶端軟件可以安裝在主機上，也可安裝在與主機處于相同網(wǎng)絡(luò)內(nèi)的其它PC機上。服務(wù)端軟件的主界面由菜單欄、工具欄、報警信息列表和操作按鈕、客戶端操作記錄表和狀態(tài)欄五部分組成。

客戶端軟件系統(tǒng)正常啟動會自定啟動客戶端，若客戶端被關(guān)閉，點擊工具欄的“客戶端”按鈕，會重新顯示如圖所示為客戶端界面。如果客戶端已運行，此功能不會執(zhí)行，客戶端軟件主要負責(zé)應(yīng)變量的數(shù)據(jù)顯示，圖形顯示，歷史數(shù)據(jù)查看、報警信息查看等功能。

結(jié)語：

分布式溫度應(yīng)變在線監(jiān)測系統(tǒng)集光纖傳感、光纖傳輸、光纖通信、光電控制、嵌入式開發(fā)和計算機技術(shù)等先進技術(shù)于一體，具有安全可靠、不受電磁干擾、測溫精度高、實時在線監(jiān)測等優(yōu)點，可實現(xiàn)對電線電纜的多點、實時和在線監(jiān)測功能。

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