基于分布式光纤测温技术的矿用测温系统设计

2018-08-07天地常州自动化股份有限公司谭长森

电子世界 2018年14期

天地（常州）自动化股份有限公司谭长森

0 概述

煤矿高压长输供电线路、采空区等区域为煤矿火灾的高发地域，一旦发生火灾其影响、损失将无法估量，如何准确预测其内部工作状态从而预防火灾的发生，是煤矿安全生产的重要环节，一般采用测量其温度来间接判断火灾是否有发生趋势或已经发生[1]。

鉴于传统温度测量存在的缺点，本文提出了一种基于分布式光纤测温技术的煤矿测温系统，光纤测温是基于拉曼散射中反斯托克斯光对温度的敏感性，采用斯托克斯光作为温度信号，用反斯托克斯光解调出温度表达式，并根据光时域反射原理对温度信号与空间位置对应原理，从而实现对整条光缆沿线温度的测量，将测温光缆沿采空区或者动力供电线路敷设，就可以感知整个采空区线路或线路的温度，从而为预测火灾的发生提供了重要依据。

1 分布式光纤测温系统基本理论

分布式光纤测温系统是基于将反斯托克斯光射入光纤中，光在传输时产生拉曼散射温度效应[2]，依据光时域反射理论来获取定位信息和温度分布信息的监控系统。

1.1 光时域反射原理

分布式光纤测温系统对空间各处的温度进行空间测量的理论基础是光时域反射原理，其基本原理是通过分析光纤中背向散射光和菲涅尔反射光的方法，测量由于在光纤中散射或被分子吸收等原因产生的传输损耗和由于结构缺陷而引起的结构性损耗，在此系统中只考虑背向散射光而不需要考虑菲涅尔反射光。当光纤某一点受到干扰，比如应力作用或温度的影响时，该点的散射特性会发生变化从而引起光纤上损耗信息发生变化，我们通过这种变化通过相应的分析，能够得出某个地点所对应的温度值。

1.2 拉曼散射基本原理

拉曼散射为光在散射现象中部分散射光的光频率与入射光频率不同的物理效应。当一定频率的激光照射到物质表面时，造成散射的分子吸收(或释放)能量发生不同方式和程度的振动，然后散射出较低(高)频率的光。在分布式光纤测温系统中，当光波从一端发射进入光纤中并向前传播，光纤分子与光波作用发生瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射，其中拉曼散射只受温度的影响，而且相比较而言较为容易捕捉和解析。

拉曼散射温度效应：入射光与分子相互作用时，散射分子吸收了一部分能量由低能态向高能态跃迁，此时散射出的是Stocks光；同时散射分子释放出一部分能量使分子由低能态向低能态跃迁，此时散射出的是Anti-Stocks光。区别与Stock光，Anti-Stocks光的幅度强烈依赖于温度。

在分布式光纤测温系统中，用反斯托克斯光产生Stocks散射光和Anti-Stocks散射光，测得Stocks光和Anti-Stocks光的光强后经过一定的运算，可得到整条光缆沿线各个点的温度信息，即整体的温度分布情况。

2 系统硬件设计[3]

矿用分布式光纤测温系统主要有防爆测温主机、阻燃感温光缆及相关附件组成。

2.1 防爆测温主机

防爆测温主机主要由防爆壳、DTS400型测温主机、电源模块、信号隔离模块、开关量输出隔离模块、VGA信号隔离模块等组成，其原理框图如图1。

1)DTS400型测温主机：DTS400型光纤测温主机主要由光波发射单元、光波接收单元、光波分复用单元、数字信号处理单元和标校温度处理单元组成，是分布式光纤测温系统的核心单元。

2)电源转换模块：煤矿井下供设备的电压只有AC127V/660V，而光纤测温主机的工作电压为DC24V或者AC127V，所以需要有电源转换模块将井下电压转换为测温主机能够工作的电压。

3)网络接口转换/开关量输出隔离模块：由于DTS400型测温主机为非防爆产品，以太网接口、开关量输出模块也为非防爆形式，煤矿井下信号连接通常采用本安型，因此需要将网络接口和开关量输出通过隔离成本安接口对外输出；开关量输出接口主要接各种形式的报警器或者执行机构，当测温光缆某点的温度达到设定值时，该节点闭合，则产生报警或者驱动执行机构动作。