基于光電纜的分布式溫度傳感網(wǎng)絡(luò)的實驗研究

光電纜內(nèi)部溫度場分布如圖2 所示，由圖2 可知溫度場關(guān)于直線y=x 對稱。圖3 為沿直線y=x 的路徑溫度曲線。由圖可知光柵所在位置和電纜內(nèi)部溫度極為接近，所以光柵所測溫度能夠直接地反映出電纜的溫度。

圖2 光電纜截面溫度場節(jié)點云圖

圖3 光電纜截面y=x 方向溫度曲線

2 解調(diào)系統(tǒng)原理與理論分析

實驗系統(tǒng)是一種基于可調(diào)諧激光器的新型分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)，系統(tǒng)原理圖如圖4 所示。該系統(tǒng)具有多個中心波長均為1 550 nm 的相同光柵，待測區(qū)域中每隔30 m 放置一個封裝的光柵。由于電纜接頭部分最容易發(fā)熱，所以在使用電纜的時候在光電纜的接頭位置最好也加上光柵，以便實時了解電纜接頭部分的運行狀況。

系統(tǒng)選用的是可調(diào)諧脈沖激光器，其掃描周期為T=0.25 s，如圖5(a)所示。掃描范圍是1 545~1 555 nm，激光脈沖的線寬是0.18 nm，如圖5(b)所示。窄帶脈沖激光通過耦合器送至光柵傳感器里。圖5(d)表示的是如果光柵溫度沒有變化時，只有1 550 nm 的光會反射回來。如果光柵的溫度發(fā)生變化，則光柵的中心波長也會相應(yīng)地發(fā)生變化，并且對應(yīng)的脈沖光也會被反射回來。圖5(c)和圖5(e)分別對應(yīng)的是光柵降溫和升溫的兩種不同情況。通過光電探測器將光信號轉(zhuǎn)換為電壓波形，高速采集卡以500 Mps 的采樣速率對電信號進行采樣。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)出電壓信號來控制激光器，并且比較這些電壓信號和采集到的信號。利用工業(yè)級主板，程序會計算出光纖光柵的偏移量，該偏移量線性對應(yīng)于光柵的溫度變化。圖5(f)表示的是對應(yīng)于不同中心波長光信號的電信號圖。此外，不同位置的光信號返回的時間差不同，相鄰光柵的時間間隔是200ns。通過測量和計算返回光的時間間隔，可以得到光柵溫度發(fā)生變化的位置和溫度變化值。

圖4 分布式光纖光柵傳感系統(tǒng)原理圖

圖5 可調(diào)諧脈沖激光波長解調(diào)原理圖