分布式光纤测温系统技术与应用
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摘要： 本文主要针对矿山井下易发生火灾的情况，提出了采用分布式光纤测温系统对井下“三带”进行实时温度测量，并通过数据统计分析检测温度异常情况来实现火灾预警的方法。
Abstract： This paper focused on the fire-prone situation of underground mine， introduces a distributed optical fiber temperature measurement system to make real-time temperature measurement to underground "three zones"， and detected anomalies temperature through statistical analysis to achieve a fire warning.
关键词： 分布式光纤测温系统；拉曼散射；斯托克斯光；反斯托克斯光
Key words： distributed optical fiber temperature measurement system；Raman scattering；Stokes；Anti-Stokes
中图分类号：S776.29+2 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）27-0328-02
1 分布式光纤测温系统简介
分布式光纤测温系统是针对自然煤层的采空区的防火管理存在的监测手段单一的问题，提出的利用光纤测温技术对采煤工作面采空区“三带”实时温度测量，通过系统数据分析，准确掌握采空区“三带”变化情况，对出现的温度异常现象及时进行反馈，从而实现煤炭自燃发火的预警，为制定有效的防灭火措施提供可靠的技术依据。
2 分布式光纤测温系统的原理
分布式光纤测温技术是集温度传感和传输技术于一体，在长达数公里的监测距离内，测温光缆可得到沿途的温度场分布实现远距离的温度监测，并且适用于易燃易爆、强电磁干扰的环境。
分布式光纤测温（简称DTS）系统使用一个特定频率的光脉冲照射光纤内的玻璃芯。当光脉冲沿着光纤玻璃芯下移时，会产生多种类型的辐射散射。如瑞利（Rayleigh）散射、布里渊（Brillouin）散射和拉曼（Raman）散射等。其中拉曼散射是对温度最为敏感的一种。光纤中光传输的每一点都会产生拉曼散射，并且产生的拉曼散射光是均匀分布在整个空间角内的。
拉曼散射是由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的，具体地说，如果一部分光能转换成为热振动，那么将发出一个比光源波长更长的光，称为斯托克斯光（Stokes光），如果一部分热振动转换成为光能，那么将发出一个比光源波长更短的光，称为反斯托克斯光（Anti-Stokes光）。其中Stokes光强度受温度的影响很小，可忽略不计，而Anti-Stokes光的强度随温度的变化而变化。Anti-Stokes光与Stokes光的强度之比提供了一个关于温度的函数关系式。光在光纤中传输时一部分拉曼散射光（背向拉曼散射光）沿光纤原路返回，被光纤探测单元接收。DTS通过测量背向拉曼散射光中Anti-Stokes光与Stokes光的强度比值的变化实现对外部温度变化的监测。在时域中，利用OTDR技术，根据光在光纤中的传输速率和入射光与后向拉曼散射光之间的时间差，可以对不同的温度点进行定位，这样就可以得到整根光纤沿线上的温度并精确定位。
其工作原理如图1所示。
Stokes信号P■（z）=P■k■e■e■■
Anti-stokes信号P■（z）=P■k■e■e■■
这里：X=e■=e■
所以：
T（z）=■
结合高品质的脉冲光源和高速的信号采集与处理技术，就可以得到沿着光纤所有点的准确温度值。
分布式光纤温度测量系统（DTS）利用拉曼散射（Raman）效应及光时域反射（OTDR）技术实现光纤沿线的连续分布式温度测量。系统基于最为先进的光电子集成技术，采用模块化设计，具有结构紧凑、功耗低、性能高、系统稳定和便于维护等优点。系统测量速度快，并可精确的定位事故点；同时系统的报警方式更加灵活，可以多重报警叠加，大大提高报警效率。
3 主要技术指标
井下光纤测温主机须具备足够的防爆性能，故拟采用隔爆型测温主机。考虑到足够的散热能力，主机的功耗应该足够低。目前大多数的光纤传感主机都采用工控机式样，除搭载windows操作系统外，还需加装光电数据采集卡、分析办卡板卡等，本项目拟进行嵌入式系统改造，将所有的操作系统及功能芯片用嵌入式系统开发，将大大提高功耗水平和系统的稳定性。另外，考虑到井下工作环境潮湿、粉尘大，供电不稳定，操作人员对新产品不熟悉等，测温主机内部的光路拟创新性地采用全光纤光路而不是空间透镜光路，可最大程度地消除水汽、粉尘造成的影响，降低衰减率。
本系统应具备以下要求：
①响应时间快、定位准确，可联网实现数据传输，并且精度高，寿命长；
②空间监测，实现分布式测量；
③实时监测，网络监控；
④本身安全稳定，适应煤矿井下恶劣环境的影响；
⑤测量数据应该直接反应火灾的趋势，精确可靠；
⑥一旦发现火灾隐情，应能快速响应并给出精确定位，最大限度地将隐患在最短时间内进行处置。
功能特点：
①整条光纤既传输信号又感应被测量；
②测量距离：4km，8km；
③空间分辨率：±0.8m；
④测量时间：单通道最快达2s；
⑤温度分辨率可达0.1℃特殊设计的传感光缆；
⑥多种温度报警方式；
⑦具有自诊断功能，快速定位故障。
4 结束语
通过分布式光纤测温系统，可以快速有效的掌握采煤工作面采空区“三带”的实时温度值，并通过数据分析及网络监控及时发现火灾隐患，从而大大提高了矿井火灾预警能力，为矿井生产安全提供了有力保障。
参考文献：
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