基于DSP与CPLD的光纤温度检测系统

摘要

分布式光纤温度检测技术是在温度检测方面新兴的一种检测技术，分布式光纤测温从20世纪中后期由光纤通讯发展而来。作为一种年轻的检测技术，分布式光纤测温经过几十年的发展，世界各国在这方面都取得了很大的进步。我国在国家有关部门的重视下，多所高校和研究机构在这方面的研究取得了丰硕的成果，有些产品达到了国际先进水平。
　　 分布式光纤测温技术比传统传感器测温在检测的范围等方面做得更好，光纤传感技术具备传统传感技术所没有的独特优点。光纤传感技术具有非接触、高精度、灵敏度高、速度快等特点，它解决了传统传感器在高压监测场所容易被电击穿和易受电磁干扰等问题。传统的传感器测温技术只能实现温度点的测量，分布式光纤测温可以实现长距离、大范围、连续温度的检测。本文通过对冻结凿井井筒温度的检测的应用来介绍和分析分布式光纤测温系统，通过对冻结井筒温度的检测来对整个冻结壁的温度场进行检测。
　　 分布式光纤测温系统是基于拉曼散射原理为理论基础的，本系统通过对拉曼散射原理和光时域反射原理的分析和研究，建立了后向拉曼散射的模型，利用后向拉曼散射传感技术对温度信息进行采集，得出单位时间光接收器接收到的光功率。讨论了系统的空间定位原理、空间分辨率和温度分辨率及改善的措施。讨论提高返回信号的信噪比的方法，本系统主要根据取样积分法来提高系统的信噪比。本文介绍了系统的各模块功能和系统的软件设计流程，设计了DSP模块、CPLD模块、AD模数转换模块等模块，给出了软件总体设计图、DSP软件流程图和CPLD软件流程图。
　　 通过对冻结井筒温度检测的测试分析可知，分布式光纤测温系统对所需测温环境采取分布式的连续测温，所形成的温度是连续的、大范围的。比传统传感技术的成本更低、系统更简单，因此，分布式光纤测温技术具有很大的应用空间和发展前景。

目录

声明

摘要

Contents

1 绪论

1．1 引言

1．2 国内外研究现状分析及应用背景

1．2．1 国外研究现状分析

1．2．2 国内研究现状分析

1．2．3 应用背景

1．3 课题的研究意义

1．4 课题主要研究内容

2 分布式光纤温度传感器基本理论

2．1 分布式光纤温度传感器理论原理

2．1．1 拉曼散射原理

2．1．2 后拉曼散射模型

2．2 光时域反射仪(OTDR)原理

2．2．1 空间定位原理

2．3 基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统

2．3．1 空间分辨率

2．3．2 温度分辨率

2．3．3 提高系统温度分辨率的措施

2．3．4 测量时间

2．4 提高信噪比方法分析

2．4．1 取样积分法原理

2．5 本章小结

3 系统的总体设计方案

3．1 系统光路介绍

3．2 系统框图介绍

3．3 光纤传感器分析

3．3．1 传感光纤的选取

3．3．2 激光发生器参数选取

3．3．3 光耦合器分析

3．3．4 光检测器分析

3．4 本章小结

4 系统的硬件设计和软件设计

4．1 硬件设计

4．1．1 DSP模块设计

4．1．2 CPLD模块及其他模块设计

4．2 软件设计

4．2．1 软件总体设计

4．2．2 DSP软件设计

4．2．3 CPLD软件设计

4．3 本章小结

5 分布式光纤测温技术应用与系统测试分析

5．1 分布式光纤测温技术在冻结凿井中的应用

5．2 分布式测温系统测试与分析

5．3 本章小结

6 结论

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果