基于光電纜的分布式溫度傳感網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)研究

光電纜內(nèi)部溫度場(chǎng)分布如圖2 所示，由圖2 可知溫度場(chǎng)關(guān)于直線y=x 對(duì)稱(chēng)。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(cè)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(chǎng)節(jié)點(diǎn)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(shí)驗(yàn)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(gè)中心波長(zhǎng)均為1 550 nm 的相同光柵，待測(cè)區(qū)域中每隔30 m 放置一個(gè)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(shí)候在光電纜的接頭位置最好也加上光柵，以便實(shí)時(shí)了解電纜接頭部分的運(yùn)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(mén)=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(guò)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(méi)有變化時(shí)，只有1 550 nm 的光會(huì)反射回來(lái)。如果光柵的溫度發(fā)生變化，則光柵的中心波長(zhǎng)也會(huì)相應(yīng)地發(fā)生變化，并且對(duì)應(yīng)的脈沖光也會(huì)被反射回來(lái)。圖5(c)和圖5(e)分別對(duì)應(yīng)的是光柵降溫和升溫的兩種不同情況。通過(guò)光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓波形，高速采集卡以500 Mps 的采樣速率對(duì)電信號(hào)進(jìn)行采樣。數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)發(fā)出電壓信號(hào)來(lái)控制激光器，并且比較這些電壓信號(hào)和采集到的信號(hào)。利用工業(yè)級(jí)主板，程序會(huì)計(jì)算出光纖光柵的偏移量，該偏移量線性對(duì)應(yīng)于光柵的溫度變化。圖5(f)表示的是對(duì)應(yīng)于不同中心波長(zhǎng)光信號(hào)的電信號(hào)圖。此外，不同位置的光信號(hào)返回的時(shí)間差不同，相鄰光柵的時(shí)間間隔是200ns。通過(guò)測(cè)量和計(jì)算返回光的時(shí)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(zhǎng)解調(diào)原理圖