分布式光纤测温系统及其在井壁冻结中应用

摘要

分布式光纤测温系统可以在一根光纤上同时监测多点的温度，并可以利用光时域反射技术对温度场进行空间定位。在许多特定的环境场合下，要求同时监测大量位置甚至是沿着长距离位置连续变化的温度量，传统的点式温度传感器实现起来困难较大。 本课题在分析和研究拉曼分布式光纤温度传感器测量原理的基础上，以系统的主要技术指标要求和信号光功率的大小为基准，完成了拉曼分布式光纤测温系统的结构设计，并用在此基础上开发出的实验系统，完成了对井壁冻结温度场温度监测的实验。 本课题中，提出了用瑞利散射光解调反斯托克斯拉曼散射光的新的解调方法，推导了温度的解调公式，并讨论了新的解调方法对系统性能的改善。在简单介绍了系统的工作过程之后，详细叙述了分布式光纤测温系统各功能模块：光源模块、光波分复用模块、光纤传感探头、光电接收放大模块、信号采集与处理模块和系统软件。详细讨论了系统的工作波长和光电转换器件的选择，高速数据采集卡的性能对整个系统性能的影响，系统的定标，系统的特性参数以及影响这些参数的因素；介绍了系统中测温光纤的使用方法和系统软件的流程。对系统的空间分辨率、信噪比及稳定性作了详细分析，提出了提高系统空间分辨率和系统稳定性的实现方法。 本系统在应用于对井壁冻结温度场的监测过程中，与现有单总线温度传感测温系统进行了数据比对，结果表明，本系统具备了取代现有井壁冻结测温系统的现实意义。其良好的经济性、稳定性、可靠性、实时性和测温分布性，使它取代现有井壁冻结测温系统成为可能。对提高冻结法凿井技术，加快冻结法凿井的井筒建设进程具有重要的生产实践意义。

目录

文摘

英文文摘

声明

1 绪论

1.1 引言

1.2 分布式光纤温度传感器的发展状况及应用前景

1.2.1 分布式光纤温度传感器的国内外发展状况

1.2.2 基于散射的分布式光纤传感器的比较

1.2.3 分布式光纤温度传感器的应用前景及发展趋势

1.3 课题的研究意义

1.4 课题主要研究内容

2 拉曼分布式光纤温度传感器的基本原理

2.1 分布式光纤温度传感器的比较及系统总体方案的选定

2.2 光纤中的拉曼散射理论

2.3 拉曼分布式光纤温度传感器的测量原理

2.3.1 光时域反射(OTDR)技术

2.3.2 光纤中自发拉曼散射的温度效应

2.3.3 拉曼分布式光纤温度传感器的温度信号解调方法

2.3.4 拉曼分布式光纤温度传感器的温度测量定标方法

2.4 本章小结

3 基于拉曼散射的分布式光纤测温系统

3.1 系统的总体构架

3.1.1 系统工作原理

3.1.2 系统各功能模块研究

3.2 系统性能参数

3.3 本章小结

4 系统空间分辨率的提高

4.1 拉曼分布式光纤温度传感器的系统空间分辨率

4.1.1 系统空间分辨率的确定

4.1.2 系统空间分辨率在系统设计中的指导意义

4.2 入射光脉冲的展宽对系统空间分辨率的影响

4.3 提高系统空间分辨率的方法与实现

4.4.本章小结

5 拉曼分布式光纤测温系统的信噪比及稳定性分析

5.1 系统信噪比特性分析

5.1.1 系统信噪比分析

5.1.2 改善系统信噪比的方法与实现

5.2 系统工作稳定性分析

5.2.1 影响系统稳定性的因素

5.2.2 提高系统稳定性的方法

5.3 本章小结

6 分布式光纤测温系统在井壁冻结中的应用

6.1 应用背景

6.1.1 煤矿井筒冻结施工概述

6.1.2 施工过程中监测的重要性与温度监测

6.2 现有温度监测方法

6.2.1 单总线温度传感器系统概述

6.2.2 单总线温度传感器系统的不足

6.3 分布式光纤测温系统在井壁冻结中的应用

6.3.1 分布式光纤测温系统应用方案

6.3.2 试验研究报告

6.3 结论

6.4 本章小结

结论

参考文献

致谢

作者简介及读研期间主要科研成果