分布式光纤拉曼测温仪温度和偏压控制系统设计

摘要

2016年12月国家发改委制订了《天然气发展“十三五”规划》和《煤炭工业发展“十三五”规划》，对天然气的安全输送和煤矿的安全生产做了进一步的要求，作为达到上述要求的有效手段，分布式光纤拉曼测温系统被进一步的研究与探索。分布式光纤拉曼测温系统凭借抗电磁干扰、测量范围广、器件成熟、成本低等优势发展迅速，现已广泛应用于电力电缆、煤矿生产、地铁隧道等领域。分布式光纤拉曼测温系统的后向拉曼散射光强度较弱，需要借助雪崩光电二极管（APD）实现光电转换，而APD的光电响应因子容易因环境温度的波动发生漂移，严重影响系统的测温准确度。
　　针对上述问题，本文提出了如下解决方案：首先温度控制系统对 APD的温度进行控制，减小其温度波动；其次偏压控制系统根据APD的温度值动态调节APD两端的电压，稳定其光电响应度；最后拉曼测温系统利用定标光纤测得APD光电响应度的波动，并对温度测量结果予以校正。基于该方案本文设计了温度控制系统和偏压控制系统，并将两者成功应用于分布式光纤拉曼测温系统，经实验测试，降低了0.4℃的测温误差。本文的主要研究内容如下：
　　（1）理论分析了 APD光电响应因子的温漂对分布式光纤拉曼测温系统测温结果的影响，提出了利用温度和偏压控制系统及定标光纤提升系统测温准确度的解决方案。
　　（2）本文中，定标光纤和 APD温度稳定度的要求分别为±0.1℃和±0.01℃，依据要求的不同，设计了具有嵌套结构的双层恒温箱，内层放置APD，外层放置定标光纤，在达到要求的同时，具备更小的体积。
　　（3）提出了上下位机的温度控制模式，上位机显示温度数据和响应用户的指令，下位机根据温度设定值，调整TEC的功率实现对恒温箱内温度的控制。通过软硬件和控制算法的设计最终实现了恒温箱内层±0.005℃，外层±0.1℃的温度波动。
　　（4）基于温度控制的效果，设计了基于下位机控制的 APD偏压控制系统，输出纹波电压3mV，且可以通过电阻搭配实现30--45V的宽范围或0.015mV的小步进偏压输出。
　　（5）集成了温度和偏压控制系统，制作了分布式光纤拉曼测温仪样机，经温度测量实验表明，利用温度和偏压控制系统可以降低0.4℃的测温误差，有效提升样机的测温准确度。

目录

声明

第一章 绪论

1.1 选题的背景和意义

1.2 本课题的国内外研究现状

1.3 本文的课题来源与主要研究内容

第二章 分布式光纤拉曼测温仪的工作原理与系统设计

2.1 拉曼散射的测温原理

2.2 分布式光纤拉曼测温仪的系统设计

2.3 拟解决的关键技术问题

2.4 本章小结

第三章 分布式光纤拉曼测温仪的温度控制系统

3.1 温度控制系统总体设计

3.2 恒温箱机械结构设计

3.3 温度控制系统电路设计

3.4温度控制系统软件设计

3.5 温度控制系统测试与优化

3.6 本章小结

第四章 分布式光纤拉曼测温仪的偏压控制系统

4.1 偏压控制系统总体设计

4.2 偏压控制系统电路设计

4.3 偏压控制系统软件设计

4.4 本章小结

第五章 分布式光纤拉曼测温仪的集成与测试

5.1 温度控制和偏压控制系统集成

5.2 拉曼测温仪的APD工作偏压选择

5.3 拉曼测温仪的集成与测温实验

5.4 本章小结

第六章 总结与展望

参考文献

致谢

攻读学位期间主要科研成果