分布式温度传感器的简单数据采集系统

张静等

摘 要： 这里开发实现了一种较简单的分布式温度传感器的采集系统。通常情况下，运行在高频的数/模转换器很昂贵，因此提出一种采用低速数/模转换器的方法来降低成本，同时在低速数/模转换器之前加入采样保持电路，获得较小的采样分辨率、提高温度稳定性。该系统通过延迟采样保持电路和数/模转换相对于激光触发器的保持时间，可以测量沿光纤任何位置处的温度，其可以在短距离的光纤监测系统中得到广泛应用。

关键词： 分布式温度传感器； 取样与保持； ADC； 空间分辨率； MSP430

中图分类号： TN29?34 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2015）21?0149?03

Simple data acquisition system of distributed temperature sensor

ZHANG Jing1， LI Jianwei1， XIAO Kai1， LI Ping1， CAI Haiwen2， ZHAO Hao1

（1. Bandweaver Technologies Co.， Ltd.， Shanghai 200120， China； 2. Synet Optics Technology Co.， Ltd.， Shanghai 200120， China）

Abstract： The purpose in this article is to develop and realize a simple data acquisition system of the distributed temperature sensor. Normally the D/A converter operating in high frequency is expensive， so the method adopting low?speed D/A converter is proposed to reduce the cost. The sampling hold circuit is added before the low?speed D/A converter to obtain smaller sampling resolution and improve temperature stability. The temperature at any position along the optical fiber can be measured by delaying the hold time of sampling hold circuit and D/A conversion relative to the laser trigger. The system can be widely used in the optical fiber monitoring system in short distance.

Keywords： distributed temperature sensor； sampling and hold； ADC； spatial resolution； MSP430

0 引 言

激光器发射出的短脉冲光通过耦合可以进入到光纤中，当光在光纤中传播时，会发生散射，其中一部分光线会反射回激光器。光纤中大部分的散射光和入射光的波长是相同的，但同时还可以观察到比入射光波长短或长的其他信号光。拉曼信号光包括斯托克斯光和反斯托克斯光，这两种波长光是相对于激光源光波长变化的。其中斯托克斯信号（低频率）和反斯托克斯信号（高频率）的振幅对温度是敏感的，可以用于分布式温度测量中[1?3]。

在分布式温度传感器中，快速数/模转换器用来捕获来自光纤中每一点的背向散射电信号，通常每间隔1 m进行一次温度测量[4]。

当从激光器发出的脉冲光传输到光纤中的某一点[z]时，其产生的背向散射光必沿着相同的光路反射。因此总的传输距离为[2z。]利用公式[t=（2z）v]和[v=nc]计算取样间隔。其中：c是光的传播速度；[n]是光纤的折射率[5]。

为了获得1 m的采样分辨率，捕获间隔必须是10 ns或每秒1亿个采样值（MS/s）。

1 方 法

运行频率在100 MHz的数/模转换器通常是很昂贵的，本文提出了一种采用慢速数/模转换器的方法来降低成本，但是该方法不适用于全分布式测量，只能用于少数几个测量点。但是，采用一个慢速（如200 KS/s）的数/模转换器将会产生很大采样分辨率（如500 MHz），作用是很微弱的。然而，如果在低速数/模转换器之前加入采样保持（H/S）电路的话，就可以获得很低的采样分辨率。

图1中，采样保持电路处于跟踪模式，且只跟随着所探测的后向散射光信号。在沿光纤的需要探测点，采样保持电路转换到保持状态，这时信号会被保持足够长的时间直到数/模转换器完成转换。通过延迟采样保持电路和数/模转换相对于激光触发器的保持时间，可以测量沿光纤任何位置处的温度。

图1中[t0]和[t1]分别代表激光触发时间和采样保持触发延迟时间。延迟[t1]随后将对[z1]点的温度进行测量。

1.1 系统组成

采集系统使用德州仪器OPA615宽带直流恢复电路[6]和德州仪器MSP430F169单片机[7]来实现。该MSP430单片机内部有一个12位的8输入数/模转换多路复用器，这可以实现转换速率高达200 KS/s（5 μs）。

MSP430数/模转换器内部的采样保持电路有一个1 220 ns的采样时间和13个时钟周期来完成转换；不过，1 220 ns的采样时间相当于122 m的采样间隔，这个值对于大多数应用来说还是太大了。内部采样保持电路的存在意味着外部的OPA615仅需要保持斯托克斯或反斯托克斯数值的时间是1 220 ns而不是整个转换时间5 μs。

触发延迟是通过使用一个由50 MHz时钟驱动的12位计数器来实现的。它能够提供一个最高达4 096 ns的延迟，这相当于对超过4 km的光纤，以20 ns的增量测量（每隔2 m）。

此实验中使用到的激光源、滤波器和雪崩光电二极管（APD）探测电路来自于波汇火灾探测器温度分布式传感器。

1.2 操作

MSP430上的计时器设置了激光的触发，产生的光信号经过环形器进入到测试光纤。后向散射光反射回环形器并被过滤到相应的斯托克斯和反斯托克斯组件中。这时雪崩光电二极管对光信号进行转换。

采样保持电路的保持功能和数/模转换过程的启动是由一个延迟的激光触发信号开始的。斯托克斯和反斯托克斯电信号分别由两个OPA615采样，然后采样信号会传递到MSP430。当数/模转换器开始多路复用时，斯托克斯和反斯托克斯信号就会被替代激光触发器上的单片机转化。

2 潜在问题

2.1 触发抖动

通过两个关键操作可以减缓数/模转换器转换和采样保持触发器开始之间的延迟。首先是采样保持电路的保持功能，这个值应保持足够长的时间来使数据转换器完成这个进程。其次是数据平均和抖动平均。后向散射信号是微弱且嘈杂的，因此需要用数据平均来提高信噪比。

2.2 保持电容泄漏

采样保持电路的核心是一个电容，其保留了提供给它的信号。该电容器易泄漏，当采样保持电路处于保持模式时，将从电容流出。

下降率[VCH]与时间有关，它取决于保持电容值[CH]和泄漏电流[IL，]可以通过下式计算：

式中：[γ=（?Ω）k；][?=普朗克常量2π；][k]是玻尔兹曼常数；[2πΩ]为拉曼频移；[PS（z），][PAS（z）]是距离[z]处的斯托克斯和反斯托克斯功率；[C]为一个校准参数，它通过一个已知的温度和后向散射功率来计算；[Δα]是斯托克斯和反斯托克波长在光纤衰减中的差值。

任何由于下降率而引起的比例不匹配都会产生一个与功率比有关的比例因子[K，][K=PS（z）PAS（z）。]一旦长期发展，这个额外的比例因子就会被校正参数[C]所吸收。

3 实验结果

实验结果如图2所示。图2中40 ℃和70 ℃参考炉使用电进行加热，两者距离很近且之间没有连接器。光纤的参考线圈被加热到40 ℃和70 ℃为校准过程提供参考点。

3.1 空间分辨率

空间分辨率定义了温度发生阶跃变化期间系统响应的距离。对分布式温度传感系统来说，测量了整个光纤10%～90%的距离。步进距离选择在40 ℃和70 ℃参考位置之间，因为这些点非常接近，且光纤是连续的，没有连接器。这里测量了起始端和末端的温度变化。图3和图4显示了参考位置的温度阶跃变化。

沿光纤每隔2 m进行温度测量，所得的数值为1 h内的平均值，以此来减少参考部分的温度变化，结果如表1所示，可以看出，采样保持电路可获得较好的空间分辨率。如果没有该电路，空间分辨率将超过120 m，这个数值对应于MSP430内部的数/模转换器采样和保持捕获时间。

3.2 温度稳定性

测量了5个位置处的温度随时间的变化来显示系统的稳定性。在每一个位置处，所得的温度值为4 s的平均值。用超过10个的温度测量值判断标准偏差。

如表2的结果所示，与期望一样，固定位置处的温度偏差会随着距离而增加。在约1 km位置处的温度偏差约是1 ℃，且通过测量时间的增加，这个结果可以进一步减少。

4 结 语

带有内置数/模转换器的廉价单片机和简单的采样保持电路的结合可以实现一个简单的分布式温度传感器的采集系统。尽管温度采集不再是完全分布式的，但仍可以监测到沿光纤任意被选择的位置处的温度变化。这个功能可以适用于较短的光纤，这种光纤只需要监测某些位置处的温度。尽管使用了低速数/模转换器，但由于采样保持电路的存在，空间分辨率依然很短。采样保持电路可以获得独立于数/模转换器采样速率的较短的空间分辨率。

参考文献

[1] 张在宣，张步新，陈阳.光纤背向激光自发拉曼散射的温度效应研究[J].光子学报，1996，25（3）：273?278.

[2] 彭超，赵建康，苗付贵.分布式光纤监测技术在线监测电缆温度[J].高电压技术，2006，32（8）：43?45.

[3] 郭兆坤，郑晓亮，陆兆辉，等.分布式光纤温度传感技术及其应用[J].中国电子科学研究院学报，2008（5）：543?546.

[4] AOYAMA K， NAKAGAWA K， ITOH T. Optical time domain reflectometry in a single?mode fiber [J]. IEEE Journal of Quantum Electronics， 1981， 17（6）： 862?868.

[5] 刘增基，周洋溢，胡辽林.光纤通信[M].西安：西安电子科技大学出版社，2001.

[6] Texas Instruments. OP615 datasheet [EB/OL]. [2014?01?12]. http：//www.ti.com/lit/gpn/opa615.

[7] Texas Instruments. MSP430F169 datasheet [EB/OL]. [2014?01?33]. http：//www.ti.com/lit/gpn/msp430f169.