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1、FGC系列分布光纤温度 传感器系统使用说明 书中国计量学院光电 子技术 研究所19976目 录一概述二主要技术性能和参数三系统工作原理四系统的结构及组成五信号处理软件六系统操作方法与步骤七系统使用注意事项一概述FGC系列A 分布光纤温度传感器系统是一种用于实时测 量空间温度场的传感系 统，在系统 中光纤 既是传输媒体也是传感媒体。利用光 纤的喇曼光谱效应，光纤所处空间各点温度场调制了光 纤中 传输的光载波， 经解调后实时地 显示光纤 所在空间的温度值（类似于光通信系统 ）；利用光 时域反射（ OTDR）技术 ，由光 纤 中的光传播速度和背向光回波时间，能对所测各温度点定位（类 似于光雷达系统）
2、，在2Km 长的光 纤上可 实时测量1000个点的温度并 进行定位；利用Rayleigh 散射OTDR技术可以确定光纤受压 、应力和弯曲的情况。由于系 统具有防燃、防爆、抗腐蚀、抗电 磁干扰、在有害 环 境中使用安全， 实现实时快速多点测温并定位，具有程控报 警 电 平，系统 本身具有自检测 （即使光纤系统 受损或断裂，能自动检测断点位置，系统仍能工作）、自标 定和自校正功能，是光机电、 计算机一体化技术。近年来已开始应用于各种大、中型变压器，发电机组的温度分布 测量、 热保 护和故障诊断；大型 仓库、油库、危险 品 库、大型 轮 船的货轮、高层建筑、煤矿 、隧道和输油管道的火灾防护 及 报
3、警系统 ；化工原料及油料生产过 程中的在 线、 动态检测；把它作为一种典型的机敏结构（smart structure）用于航空、航天飞行器的在 线 、动态检测 系统 和机器人的神经网络系统。本系统已于 1994年7月正式经过国家技术监督局鉴 定， 鉴定的主要 结论为：该系统是国内外首次正式鉴 定的光机电和计算机一体化的分布光纤传感器系统，综合技术指标优 于国内文献报 道的同类 系 统 ，相当于国外当前水平。二主要技术性能和参数2. 测 温范围：0100 （可扩展到50 150 ）3. 温度不确定度：2（1km）、 3（1km - 2km）4. 温度分辨率： 0.15. 空 间分辨率：光纤探头
4、5cm自由展开光纤8m5采样速率（空间采 样间 隔）： 50MHz（2m）6 光 纤长度：2km （可扩展到10km ）7 测 量时间 ：40s(16k)8系统动态范围 ：20dB9电源：220V10%，50Hz5%；电流：1A10外形尺寸：380460160（mm）11重量： 5Kg12环境条件：运行温度：20 10贮藏温度： -1050运行湿度：30% 80%（无冷凝）贮藏湿度： 10%85%（无冷凝）本系统采用双通道、双波长、高速瞬态采样 、信号累加方法实现实时多点温度在 线检测。三系统工作原理在系统中，温度信号通过自发Raman散射效 应调制了光纤中由脉冲激光 产生的自 发Raman光
5、子数，经 解调 后得到空间温度场 分布的信息。1.调制方法：Anti-stokes Raman 光子数： （1）)(4TSRNKaeaaRayleigh散射光子数：（2）eRsN0式中： ：入射进光 纤每个激光脉冲所包含的光子数；e、 ：分别为光纤反斯托克斯和瑞利散射截面有关的系数；a、 ：分别为反斯托克斯 Raman和瑞利光子 频 率；0：与光纤分子（以SiO 2）Raman散射相关的分子上、下能级的布居数有关，分子能Ta级上的布居数与温度有关：1expKThRa（3）其中： 为Raman声子 频 率， h为 Planck常数， K为Boltzmann常数2、解调方法：有二种解调 方法，设光
6、 纤上某局部位置的起始温度为T 0 ，之后上升到T，用N a(T0)来解调N a(T)： 1exp1exp000 hhTaa （4）在(4) 中，对 SiO2分子来说Raman 声子频率 =1.321013Hz，若起始温度已知，通过测2SiO量 即可由 (4) 中确定待测光纤温度。为了消除系统的不 稳定性以及环境的aaT0干扰，光纤 在测量过程中弯曲、受压等变化因数，常常采用双通道方式：用Rayleigh 散射光子数来解调Anti-stokes Raman 光子数（5）14exp0kThaKTRaN3在时域里，Raman OTDR曲线和 Rayleigh OTDR曲线采用OTDR技术，在时域里
7、考虑到光 纤的损耗Anti-stokes Raman 和Rayleigh散射光子数（1）（2）式改 为： tnctSt aaeaaa 2xp04 （6）( 7 )tnctNKeR040其中： 、 ：在光纤中入射光子、反斯托克斯Raman光子的平均传输损 耗；在时域里，0a（4）（5）式不 变，但（6）式由于多模光纤存在色散， 则（6）式存在色散项： tncKThaKTTF aRa 2exp1exp004 (8）在实际上，由于起始温度T= T 0时， 来解调各点的温度，由（8）式，在光纤的局域位置上：)(F1exp)()( 0000 KThTNFRa 由（9）式，T 0为以知，则 可解出各点的温
8、度。四系统的结构及组成系统由以下几部分组成，1. 激光发 射（ Tx）模 块由MOCVD InGaAs量子阱高功率，窄脉冲半导体激光器耦合到多模光纤输出。LD激光驱动电源产生短脉冲大电流 驱动。2 光 纤波分复用器（OWDD）由13 双向耦合器、光学平行光路和窄带通、高隔离度多光束光学滤光片组成双通道双波长波分复用器系统 。3 光 电接收（Rx）模 块由两套带前置放大器的光电接收器和低噪声、宽带 、高增益主放大器组成。4 信号采样平均器、累加器由双通道高速瞬态 （50MHz）信号采样 平均器和高速累加器组成并与计算机相 连。信号采样平均、累加卡详细说明书见附件 1。5光纤及光纤传感绕组配有2K
9、m多模光纤，根据使用需要可以绕制多个光纤绕组(直径大于5cm) 作为光纤测温探头。五、信号处理软件信号处理软 件由数据采样 温度计算显 示软件FGC50，系统 定 标软件JIAO两个软件组成。6 JIAO软件主要由文件，显示， 图形显 示，采集，设置，系统信息模块组成 (见附图)。文件：主要 进行文件的操作，包括新文件，保存文件，打开文件文件信息等内容。在打开后保存文件时，程序会自 动查找输入的文件名是否存在并提示。文件信息显示有关当前文件数据的基本参数，包括采样 速度，采样范围等。显示：显示当前数据的数据 值，其中距离的单位是米，基喇曼表示基 线 的喇曼值，喇曼值表示当前的采集或文件的喇曼值
10、。基瑞利和瑞利意 义相同。温度是没有进行计算的初始值图形显示：图形显示主要是以图形的方式将得到的数据 绘出， 绘图 的数据选择和起始结束值可以在绘图设置项 中选择。采集：采集是已 设 定好的参数进行采集，采集的过程中，屏幕下会显示 “正在采集数据，请 等待。”的字 样。这时 表明程序正在进行采集操作，待显示的红色字样消失后，进行下面的操作。在定标 采集项里，可以进行超过6万次的采集，起循环的次数可以设定。定标置数，是将采集数据相应的温度输入，已便于拟合出数据。设置：对采集和系统最基本的设定，包括采样范围、速度、触发电平、基线文件和设置保存等项目。其中 设置保存是指在调节 完参数后，可以以文件的
11、形式保存起来，下一次开机时会自动调入。系统信息：显示版本信息和说明文件。7 FGC50是测量的主程序，其基本结构与 JIAO相同，不同处主要有如下几个：报警设定：主要包括 报 警分区、报警温度、光纤报警设 定。报警分区即对某一距离范围 内监视，报警温度可以根据实际 需要 进行调节。光纤报警是当光纤发 生断裂或挤压时将事故点的位置报告出来。报警采集：系统不断 进 行采集，计算各点的温度进行报警，报警的顺序是光 纤断点是第一报警，然后才是温度报警。六、系统操作方法与步骤1把电源插头插入主机后面板的 电 源插座，并有良好的地线。（电 源：交流220V市电 ）2将信号 处理卡和累加卡（共2块）插入计
12、算机主机板插座（插入前用酒精棉球清洗卡的插板）3用视频电缆连 接已插好的信号 处 理卡，主机后面板有两个BNC高频插座（见示图），一个作为参考信号。（瑞利散射OTDR信号）；一个为待 测信号（喇曼OTDR信号）；信号处理卡有三个 视频 插座。红 色1为ch1插孔，连入待测 信号；红色2为ch2 插孔，连入参考信号；黄色插孔为外触 发信号插孔（本机不用）4将带APC插头的光 纤 与主机后面板 APC插孔 连接5打开主机电源开关（主机后面板），主机前面板 红色指示灯亮，若红色指示灯不亮， 请检查输入市 电及电源插座保险丝。备用插座 通风风扇光 缆 APC插孔 on/off 电源开关 电源插座待 测
13、信号 参考信号 黄色 参考信号 红色待测信号 红色6程序的运行数据处理：打开计算机，在C提示符下键入C ：FGC50 symbol 191 f Symbol s 10.5縸 ，在C： FGC50下，键入FGC50或JIAOsymbol 191 f Symbol s 10.5縸，进入程序。6.1选择 采样参数在菜单设置分别选择采 样速率、采 样 范围等项目，用TAB键或鼠标点中需要的 项目，再按回车键 ，完成设定。其中循环 （采样）次数有 1024、4096、21000、48000和65000等多个选择。采样速率有50MHz、20 MHz、10 MHz等。采样数据范 围有1K 、2K、3K、4K
14、选择。触发电平码有512、1024（mV）等。6.2数据采集完成以上数据处理后，在主菜单 上，利用 键盘 上的左或右键选择采集后将进行数据采集。采集完成后，将出现蜂 鸣器鸣叫声表示采集过程完成。并自返回主菜单。6.3绘制 图象：完成步骤2 后，选择绘图，将步骤2采集到的喇曼和光时域反射（OTDR）曲线绘制于屏幕上。屏幕的横轴显示所采集到点的距离， 纵轴 表示04000mv，如果要看清某区段点的曲线，可在屏幕下方处 绘图设置键 入此区段的起始点和终止点,再绘图，此时屏幕将显 示此区段的两条曲线。64数据显示：在主菜单中选择 显示，屏幕第一行将出现“ 距离 基喇曼 喇曼 基瑞利 瑞利”，第二行将显
15、示从所有点采集到的数据值，以mv 为单 位，按 2往下翻 页，3往上翻页ESC退出。可以在显示设置中 选择不同的步长 和起始点。6.5存贮 和读取数据： 在主菜单中 选择文件，可以在保存项将刚 采集到的数据存于磁 盘 中。同 样 在打开项中打开以前保存的文件。键入所要存的文件名后应保证 后缀为.dat、另外.SET是程序另存的一个文件的扩展名。 6.7返回：在主菜单中 文件下的退出键或ALT_X将返回退出程序。7、温度定 标：使用JIAO软件，首先采集基 线，其采样次数可以多一些，超过6万次使用定标采集。基 线采集完 毕 后。对 光纤进行加温，一般每隔5度进行采集一次。温度定标要求至少 5个数据。将每次的数据保存起来。采样完毕 后。 设置好 基线， 定标位置，分 别打开定 标的温度数据，输入 定标置数，达到要求的数目后，在显示下的 定标显示 目录 下可以看到输入的数据和计算出的
