分布式光纖溫度傳感器設計

1、摘要分布式光纖傳感技術是利用光纖的相關物理特性對被測量場的空間和時間行為進行實時監(jiān)測的技術。光纖傳感器作為一種測量新技術，利用光波導原理，具有損耗低、頻帶寬、線徑細、重量輕、可撓性好、抗電磁干擾、耐化學腐蝕、原料豐富、制造過程能耗少、節(jié)約大量有色金屬等突出優(yōu)點，近年來逐漸擴大應用范圍和應用領域。在光電子技術、計算機技術和微電子技術的發(fā)展帶動下，分布式光纖傳感技術迅速發(fā)展，從理論研究走向產品化，解決了很多使用傳統傳感器難以解決的問題，也是傳感領域研究的一個熱點。分布式光纖溫度傳感器的光纖即是傳輸介質，又是傳感介質，可實現沿光纖連續(xù)分布的溫度場的分布式測量，測試用光纖的跨距可達幾十千米，空間分辨率

2、高，誤差小，與單點或多點準分布測量相比具有較高的性能價格比，以其獨特的技術優(yōu)勢廣泛應用于工業(yè)、國防、航空航天、交通運輸和日常生活等各個領域。本論文對基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感及其數據處理技術進行了系統而深入的研究， 通過對煤礦井下長距離皮帶傳輸線工作特性進行分析，設計分布式光纖溫度傳感系統并應用于長距離皮帶傳輸線的實際溫度檢測和火災報警中。主要工作有以下幾個方面:1 .了解基于散射的光纖傳感技術所涉及的基礎理論。對光在光纖中的傳輸特性進行了分析， 研究了光纖傳感中的影響因素，獲得了受溫度調制的反斯托克斯光強的關系。采用光時域反射技術和對溫度不敏感的斯托克斯曲線求解反斯托克斯曲線，實現分布

3、式光纖溫度測量。2 光信號的調制與解調。由于所有的信號最終要轉換成電信號使用和控制，所以信號的調制與解調就非常重要。對于所有的傳感器來說，其都有精確的理論推導，但在實際應用中必須加以修正。修正后還要考慮到以后更換光纖型號是否還能達到要求的精度，變換了環(huán)境是否還需要新的修正公式或者參數等，這些因素都會影響到最終讀數的正確性，所以要進行大量的研究和推理。3 選擇合理的元器件和數據處理方式。基于系統穩(wěn)定性、靈敏度、信噪比方面要求，激光器工作波長的選定、APD 最佳雪崩增益、 光纖的耦合器選定、后向散射光的分離、放大電路的設計等都需要仔細研究，反復斟酌。由于測量的反斯托克斯信號和斯托克斯信號非常微弱，

4、完全淹沒在噪聲中。需要采用微弱信號處理技術。而且數據處理技術的性能對測量指標有重要的影響，在整個分布式光纖溫度傳感系統中具有重要地位，是系統設計中的重要一環(huán)。通過對各種新的信號處理技術進行研究，提出了一種基于高精度 AD/轉換器完成的信號處理方案。4 探討了分布式光纖溫度傳感中測量距離、空間分辨率、測溫精度和測量時間等幾者的關系及其影響因素。有別于其它溫度傳感技術，在分布式溫度傳感測量中這些因素是互相關聯的，不能孤立的談論某一參數，對系統整體的性能評估用品質因數來描述5繪制原理圖并設計合理高效軟件編程。在dsp、數據采集卡、單片機等控制芯片中，根據系統設計需要選擇一款精度高、價格低廉、處理速度

5、高效的數據處理芯片，并編寫軟件程序。 系統設計實現則主要針對分布式光纖傳感系統在長距離皮帶傳輸線的實際溫度檢測和火災報警中的要求和技術難點展開;理論與實踐相結合所研制出的分布式光纖傳感系統針對工業(yè)現場對分布式測量的要求，采用先進的光電子技術、數字處理技術、計算機軟硬件技術和數據庫技術等實現了虛擬儀器設計，適應用戶對分布式溫度測量的要求。.關鍵詞:分布式光纖，溫度傳感，拉曼散射，微弱信號處理，虛擬儀器，皮帶傳輸線光電轉換電路器件選擇在光電系統中，光電轉換電路把接收到的光信號轉換成電信號，并對電信號進行放大， 再與后面的檢測和運算系統對接。光電轉換電路在整個光電系統中是非常重要的，它的性能好壞直接

6、決定了整個系統的性能好壞。在光電轉換電路中，由于接收到的光信號和轉換后的電信 號通常都比較微弱， 很容易淹沒在各種噪聲中，所以在設計光電轉換電路時，要盡量減小噪聲，提高系統的信噪比和檢測精度。由于光電檢測電路是整個監(jiān)測電路最前面的一個環(huán)節(jié)， 如果光電檢測電路的噪聲比較大，后面的放大和檢測系統的輸出誤差就非常大。因此設計出噪聲很低的光電檢測電路非常重要。選擇光電轉換器件考慮性能參數有： 1）光譜響應：這是所有光電器件都具有的非常普遍的特性，即不同頻率的光作用后，探測 器上輸出的信號也不一樣，其隨波長汪的變化關系稱為探測器的光譜響應。2）時間常數：即光電元件的反應速度，當有階躍信號輸入時，光探測器

7、輸出的電信號達到 穩(wěn)定值0.63倍所需的時間。3）線性度：這是我們非常追求的一個指標，指探測器的輸出信號與輸入信號之間的一個線 性關系，變化的程度和范圍。4）響應度：反映光電器件對光信號的轉換能力的一個參數，主要參看其能探測的最小光信 號的大小，表述為輸出電壓或電流的大小相對于輸出光強的比值。5）量子效率：表示一個轉換效率，即一定的光子能激發(fā)出多少電子來，一般量子效率越大 越好?？偤蜕鲜鰩c，我們最常用的即光電倍增管和雪崩光電二極管（APD）。與真空光電倍增管相比，雪崩光電二極管具有小型、不需要高壓電源等優(yōu)點，因而更適于實 際應用；與一般的半導體光電二極管相比，雪崩光電二極管具有靈敏度高、速度

8、快等優(yōu)點， 特別當系統帶寬比較大時， 能使系統的探測性能獲得大的改善。雪崩二極管是我們探測微弱光非常常用的器件。雪崩擊穿是PN結反向電壓增大到一數值時，載流子倍增就像雪崩一樣，增加得多而快。利用這個特性制作的二極管就是雪崩二極管。雪崩擊穿是在電場作用下，載流子能量增大，不斷與晶體原子相碰，使共價鍵中的電子激發(fā)形成自由電子-空穴對。新產生的載流子又通過碰撞產生自由電子-空穴對，這就是倍增效應。1生2, 2生4,像雪崩一樣增加載流子。所以，雪崩二極管具有響應時間短，響應頻率極高以及能達到一千倍的增益。我們要選擇一個合適的雪崩二極管，主要從下面幾個參數進行考慮。1）雪崩增益M雪崩增益表示為:ImI

9、R1I R式中，1m反向飽和亮電流,反向飽和暗電流。VBR為反向擊穿電壓，n為一常數，我們常用的硅元件一般為1.54。由上式可以表明，加在 APD上的反向電壓不斷增大的接近Vbr時，其雪崩增益 M就會迅速增大。試驗表明，雪崩二極管的反向擊穿電壓與溫度有著直接的關系，溫度越低，擊穿電壓越低，反之，則擊穿電壓就會增大，所以，我們在應用中，為了能達到不變的增益， 就要進行溫度補償，使其在不同的溫度下加載不同的偏置電壓。2）噪聲每個元件在工作過程中都會產生噪聲，在雪崩二極管中，噪聲的主要原因就是由雪崩效應引起的散粒噪聲和熱噪聲。 雪崩二極管的噪聲與其加載的反向工作電壓有著很大的關系。當反向電壓逐漸升高

10、時， 雪崩二極管的噪聲就會迅速升高。因為反向電壓高增益也會增大，所以在具體使用時，就要在增益和噪聲之間相互平衡選擇3）最佳增益M opt當雪崩二極管中的散粒噪聲和熱噪聲大小相等時,對應著雪崩二極管有著最好的信噪比,（2 x）時的增益為最佳增益M opt ,即0PMopt4kTe ID 1P Rxk為與雪崩二極管材料有關的系數;為反偏時的暗電流，I p為照射到 APD上的光功率R為二極管負載電阻綜合各個因素，結合本系統的需求，選用雪崩光電二極管型號為C30902B ,其敏感波長為0.85pm,與我們選擇的激光發(fā)生器搭配，響應曲線如圖所示。C30902B主要參數：1）反向工作電壓：237V2）反向

11、極限電壓：247 V3）反向暗電流：19.2 nA4）響應度：0.5A/W（0.85 科 m）5）總噪聲：0.12 pA/Hz：售陽J=Jiw-溫度補償幾乎所有的傳感器都會受到溫度的影響，雪崩二極管也不例外。而且APD的增益受溫度的影響還很大，所以在實際應用中，尤其是在溫度變化較大時，就必須采取溫度補償了。 考慮到雪崩二極管的特點和本應用的需求本設計溫度補償是通過溫度傳感器檢測溫度而控制調整APD的供電電源，使 APD工作于接近最佳倍增因子狀態(tài)。溫度補償電路如下圖所示。AD59O為外接溫度傳感器，它的輸出電流與絕對溫度成正比。R1和R2串聯構成傳感器的負載電阻，選用低溫度系數 精密電阻完成電流

12、電壓變換功能，下方為兩個三極管構成鏡像恒流源.調節(jié)Rw：可以改變恒流源的電流， 從而調整傳感器在某一溫度下輸出電壓的初始值。因為恒流源的等效內阻遠大于R2.所以調節(jié)Rw:對檢測精度的影響可以忽略。信號放大電路采用由低漂移、低 噪聲、高共模抑制比運算放大器構成同相放大器這樣溫度補償電路輸出的補償電壓為VP (R4 RW1 1)I1 I1為流過溫度傳感器同相端輸R3入電流。檢測電路的設計集成運算放大器從本質上說，是一種高增益直流多級放大器。它在信號的產生、處理、 變換、測量等應用中起著非常重要的作用。在此放大電路中最為重要的是集成運算放大器， 其精度和穩(wěn)定性直接影響了放大電路性能指標，要根據系統的

13、要求選擇合適的運放來滿足電路的需求。光經過光電二極管轉化成的光電流非常小，數量級在微安級別， 所以此處應該非常注意誤差的影響，應選擇一種偏置電流極低，放大器輸入電容較小，差分輸入電阻極大， 電流和電壓噪聲較低， 電源抑制比較高的集成運算放大器。根據需要選擇TI公司的OPA129超低偏置電流差分運算放大器，其主要指標為：1)偏置電流。此參數是運算放大器兩輸入端流進或流出直流電流的平均值。因為系統 放大的信號大約是 10PA,所以要求偏置電流應該遠遠小于這個值，而 OPA129的偏置電流 為士 30fA。2)電源抑制比。因為是微弱信號放大，對電源要求是顯而易見的，一般放大器里 datasheet給

14、的電源抑制比都是指直流的，但是這個值在頻率增大時會降低。O隊129的電源抑制比是IHz到IMHz ,其典型值在 90dB。3)放大器的差分輸入電阻和輸入電容。因為 10PA的信號需要很大的反饋電阻做放大，所 以應該選擇輸入差分電阻遠遠大于反饋電阻；而輸入電容的大小會對信號的帶寬帶來限制，所以應該選擇極小的輸入電容。OPA129的這兩個參數分別為 10e13歐姆和lpF。4)電流和電壓噪聲。這個指標會影響輸出信號的信噪比。這個指標后面會有一個估算，而 且有詳細的解釋。隊129的典型噪聲參數，電壓 17nV/sqrt(Hz),電流0.lfA/sqrt(Hz)。如上圖， 電路采用TI公司的高精度運放

15、 OPA129,其輸入偏置電流約為100fA,而一般 的光電流大小為nA級，二者比較，偏置電流帶來的誤差忽略不計。Dl為PIN光電二極管，該二極管為重慶航偉光電科技有限公司制造，其具體參數見表3.1。工作方式為光伏模式。Rl為反饋電阻，其主要功能是實現I/V轉換，C3與Rl并聯，其作用是防止運放的振蕩。為了避免數字信號對微弱模擬部分的干擾，在數字地和模擬地，數字電源和模擬電源之間用磁珠隔離，防止高頻的信號涌入模擬部分。運放的等效輸入阻抗為Rin = (R)/ Rid1 AUO由于檢測電路處于整個系統的最前端，其精度直接關系到整個系統的精度，故設計時應特別小心，通過本系統的制作調試，得出以下需注

16、意的地方：1)電路的反饋電阻Rl在滿足通頻帶寬度和輸出信號范圍的情況下應盡可能大，這樣會增大輸出信噪比，也提高了電路的信號放大倍數。2）在滿足信號頻帶寬度的情況下，應盡量減小電路的通頻帶，這樣可濾除高頻噪聲，增大輸出信噪比。在反饋電阻Rl兩端并聯電容C3,構成濾波電路，減小了輸出噪聲。3）整個電路必須是在離電源入口端最遠的一級，以防止其他器件的電流回路的干擾。要防止電路板上電源線對反饋環(huán)路和輸入端漏電，產生噪聲或漂。4）光電二極管輸出端到放大器的引線距離要盡量短，并且引線盡量對稱，保證阻抗基本匹配。 為了減小系統的外部噪聲， 光電檢測電路必須用金屬外殼來屏蔽外界電 磁干擾，同時外殼接地。前置放

17、大及濾波電路器件選擇壓最大為：25OmV;漂移量最大為：1uf/大開環(huán)增而OPA129價格OP27A是低溫漂:1PA；偏置電益：12OdBmin 。放大器。光電轉換完畢后需要將電壓多級放大，此處的要求相對較低， 較高，因此選用 Tl公司生產的OP27A作為后續(xù)放大電路中的集成運放。 型運算放大器，受溫度變化影響較小，可以滿足系統的要求。偏置電流最大為基準電壓源。在電路中提供一個穩(wěn)定的低噪聲高精5V電壓輸出。設計選擇 ADR293。共有8個引腳，如上圖所示。ADR293具有低噪聲、微功耗、低溫漂和高精度的特點。相對 于傳統的帶隙式和隱埋齊納二極管式基準電壓源來說，新的XFET結構大大地提高了基準

18、電壓源的電氣性能，在相同的電流驅動下，ADR293的噪聲只是傳統的帶隙式基準電壓源噪聲源的1/4,同時具有更低的溫度漂移系數和優(yōu)良的長期電壓穩(wěn)定性。其工作電壓在6V到15V,提供一個5V電壓，最大輸出電流為 5mA ,提供的初始穩(wěn)定電壓精度有3mv、士 4mV和士 6mV三級標準，其溫度影響在 8 25ppm/C之間工作溫度范圍為一 40 c到+150, C。放大電路工作原理參考光和濾波光進入光電二極管后經光點轉換為光電流，再經過一個電阻后成為電壓。這是最初的一級電路，為電流電壓轉換電路。 實現光信號到電流信號再到電壓信號U。的轉變。數據采集卡可以接受 。到5V的電壓信號，因此需要將 U。進行

19、放大、濾波等處理，最后送 入到計算機中去。系統設計的放大電路是同時將參考光和濾波光同時進行光電轉換和放大濾波處理。放大電路進行工作的過程，以濾波光為例 ：光強度被轉換為電信號后需要將其代表的測量點溫度解調出來。本系統測量的溫度范圍是0 100度，那么若傳感器測量 0 C的時候電壓值為 U ,那么在測得溫度為 0T100 C時，U0=U+Au,其中U是基礎電壓值，其中 u是由于溫度變化而引起的電壓變化，但是U非常小，Au更小，在放大電路工作的時候 U和Au會同時被放大，若同時被放大100倍, 變成了 l00U+1004u,這個時候有效信號仍然被淹沒在looU之中。因此將信號放大后需要減去一個偏移

20、量，使有用信號得以最大程度的放大。所以本文設計了一個放大電路如下圖所示。光強經光電二極管轉換成電信號后，首先得到一個電壓值 U。，將U。放大得到U 1 ,則U 1=A 1U。=A 1(U+ u)然后減去一個偏移量，在此電路中設計減去一個5V的電壓，得到 U。即U2=U1 - 5V=A 1(U+4U) 5V減去一個偏移量后此時 U。為 U的放大，但是這個信號依然很小，需要將其放大到0一 5V之間，因此需要再次將其放大，得到 U 3即 3U3=A2U2=A2(U1 - 5V)=A 1 A 2 U+A 1A 2 Au A25V最后將U3進行濾波后送入到計算機中進行處理。有源二階濾波電路因為本系統是測

21、量溫度的系統，而溫度變化較為緩慢，不會出現突變，因此設計濾波器是低通濾波器。此濾波器能夠將5Hz以上的雜波濾除。二階有源低通濾波器電路如下圖所示，它是一種具有正相增益的常用二階低通濾波器電路，運放和它的兩個連接電阻R3、R4形成一個電壓控制電壓源（vcvs）。運放的增益為K=1+0,它為濾波器提供了增益。其中截止頻R3、1率可W=1。vcvs濾波器具有兀件數量小、輸出阻抗低、兀件間差值范圍小和放大 R1R2C1C4能力比較高等優(yōu)點。 而且增益值可用電位器微調、進行精確白調整。VCVS濾波器一般用于品質因數值不高于10的場合。R210k4 R.ok數據采集電路作為數據采集端，現在市場上有很多技術成熟，集成度高，且價格合適的模塊，采用這樣的模塊，即節(jié)約了開發(fā)時間，有能獲得穩(wěn)定的信號采集，所以，經過對比研究，現采用北京阿爾泰科貿有限公司產品PCI2010 數據采集卡作為采集設備。PCI2010 卡是一種基于PCI 總線的數據采集卡，可直接插在IBM-PC/AT 或與之兼容的計算機內的任一PCI 插槽中， 支持 Windows95/98/NT/2000/XP 下的多種語言的驅動，VC 、 VB 、 C+Builder 、 Delphi 、Labview 、 LabWindows/CVI 、 組態(tài)軟件等語言的平臺驅動簡易示例程序（板卡的工作流程，包括板卡的各種初始化設置，數據的讀?。└?/p>