光纖遙測

基本介紹

• 中文名：光纖遙測
• 外文名：Fiber optic telemetr
• 系統組成：傳送部分電路、接受部分電路
• 優點：不受電磁、背景氣體等的干擾
• 套用：測量地下水污染。海水鹽度等
• 套用學科：物理學、電氣工程、儀器科學等

簡介

定義

在測量系統中，有時需要將測量參數傳到較遠的地方，一般稱為遙測。例如，大型水壩的應力狀態的測量．煉鐵高爐爐壁的溫度測量，大型自動化生產設備的參數測量及核反應區的有關參數測量等，被測地點與儀表室或控制室距離較遠，需要進行遙測。

遠距離信息傳輸的方式很多，如射線、紅外線等無線傳輸及電纜有線傳輸等。其中，利用光纖傳輸信息的遙測方式，稱為光纖遙測。

特點

採用電纜作信息傳輸是最簡單的方式，但信息在傳精過稠中有較大的摜耗，抗干擾性能差，重量大；採用無線方式，其信號轉換(調製、解調)電路較複雜。採用紅外線傳輸時，則受氣候影響較大，而且距離較遠時，需要較大的發射功率。而光纖光電耦合器雖然可以傳輸幾十米至數百米，但目前光纖成本較高，當前更適甩於有強幹擾、短距（幾十米）的場合，這樣可獲得極好的傳輸效果又比較經濟。

新型光纖遙測利用光纖和紅外吸收技術,實現了全光學、實時、連續監測。由於在感測器和連線感測器及監測中心的光纖中,既沒有高溫熱源也沒有電流流動,因而清除了爆炸的危險和電磁干擾。且因基於紅外吸收原理,因而抗高濃度衝擊,也不受背景氣體的影響。

光纖數字遙測系統

由四部分組成：感測器及調理電路部分、A/D變換及傳送部分，光纖光電耦合部分及接收顯示部分。系統主要特點是採用編碼器將測量參數的數位訊號編碼傳送。通過光纖光電耦合，經解碼器編碼後顯示出相應的測量參數。採用光纖傳輸信息，其傳輸損耗小。尺寸和重量也比電纜要小得多，抗干擾性特別好，也不需要很大的發射功率。電路設計簡單，調試容易。信息傳輸可靠性好，數據傳輸精度高。特別適用於距離為幾十米至數百米的強電場、強磁場干擾的場合。

傳送部分電路

傳送部分由AD變換器及接口電路，單片機最小系統，編碼器及驅動電路組成。它主要的作用是採集A/D變換後的數據，存入RAM，井順序地將存入的數據通過編碼器，再經過三極體放大後傳送出去。

A/D變換器輸出數據與三態門緩衝器連線，採用查詢的方式依收將千，百、十、個位數輸，並將這四位數分別存入RAM中輸入的數據可是正值或負值，這可以根據千位的Q₂來判斷：Q₂=1時，數據為正；Q₂=0時，數據為負；通過軟體來封別Q₂是否為1，即可確定符號位的正負。

由單片機程式控制．順序地將符號位．千位百位、十位個位數一位位地輸出，輸出的每一位數的4位BCD碼即為編碼器的4位數據，由P₁₄口來控制編碼器的發進控制端TE，當P₁₄日為低電平時，犏碼器的TE為低電平，開始傳送。編碼器輸出的編碼脈衝經放極管及接收電路部分的反相、整形等環節)。另外，解碼器解碼也需要一定的時間，為保證可靠地接收。每傳送一位數後，要加幾ms的延時（由軟體設定）。

發進都分的程式是極為簡單的，即數據採集及數據傳送。

採用單片機除上述主要功能外．它還可以利用軟體進行運算，數據處理，對非線性感測器進行校正，或對某些有規律誤差進行自動補償，這樣可充分發揮單片機的功能，井能提高測量的精度。

接收部分電路

經光纖光電耦合器傳輸的把脈衝由光敏三極體接收後變成電脈衝，經施密特觸發器反相、整形後輸入編碼器，由解碼器輸出的符號值及4位數據經BCD碼——七段碼解碼器解碼後，與十進制計數器配台(位控)，進行動態掃描顯示。小數點的顯示是固定的，可以根據需要轉動。

套用

光纖遙測地下水污染

日本工業技術院公害資源研究所將著手開發用光纖從地表遙測地下水污染的技術。

照射雷射時，化學物質會發出特有的螢光，通過光纖分析，即可把握最深達1公里處的地下水污染狀況。由於不必費時汲取地下水便能精確測定污染狀況，這項技術將在污染監視等方面發揮威力。

此項技術作為環境廳公害特別研究的一環,從1987年開始的5年計畫中進行開發研究。

光纖遙測海水鹽度

海水鹽度、密度等參數的測量在石油、進出口貿易、海洋監測及軍事上的航道測量等諸多領域套用十分廣泛。尤其對近年來世界範圍內環境保護、水質資源的監測等方面,有著重要的研究背景和科學意義。

海水鹽度是研究大洋環流、海洋動力學、降雨量及季節氣候預測、海洋漁業養殖、水聲學及海洋資源的重要參數。

一次性光纖遙測系統

美國桑迪亞國家實驗室的研究人員開發了一種採用廉價的一次性光纖遙測系統來傳送鑽井過程的實時信息的新技術，該技術引起了石油和天然氣業的注意。據開發這種技術的研究人員介紹這種獨特技術利用一次性光纖，現場傳送鑽具一端工作進展的信息。溫度、壓力、化學物質和岩石構造等信息均可被及時地傳送到地面，不必中斷鑽探操作就能獲得所有這些信息。

收集這些信息的傳統方法是中斷鑽探過程，以便將檢測儀器下到鑽孔中。暫停鑽探進程的代價極高，就近海鑽探而言，一天損失高達10萬美元~20萬美元。”

一段時間以來，在鑽探過程中利用光纖遙測技術傳送井下鑽具信息的想法，引起了石油和天然氣鑽探業人士的興趣。然而，人們認為這種技術的成本太高，必須用體積龐大的鐵甲來保護脆弱的光纖，而放置光纖也會干擾鑽探工作。而由美國桑迪亞國家實驗室開發的技術所採用的光纖不是靠鐵甲，而是靠一層透明的保護型塑膠薄膜加以保護，這種薄膜類似於飛彈制導系統中所採用的薄膜。

與傳統的可反覆使用的笨重光纖相比，這種不帶鐵甲的光纖很輕，密度很高，容易操作。光纖和泥土一起順著鑽具到達鑽孔的底部，從那裡將信息及時地傳給鑽井操作人員。

甲烷光纖遙測系統

系統的組成

甲烷光纖遙測系統的組成框圖如圖所示,整個系統可分為四個部分:1)光源,2)感測器,3)檢測、控制與信號處理單元,4)光纖。

甲烷光纖遙測系統框圖

從光源中發出的光經光纖傳輸到遠離光源的感測器。在感測器中,光吸收氣體後,又通過另一根光纖傳回,送到檢測、控制與信號處理單元進行檢測。在這裡,通過微機控制步進電機轉換濾光片,在不需要將光分成兩束的情況下,用同一隻IPN管探測器和同一套檢測電路,實現了時分復用雙波長檢測。

實際測量中,光源功率的波動往往會對測量帶來很大影響,為了消除這個影響,同時監測了反映光源發光功率大小的光源參比信號。利用光源參比信號不僅可有效地減小光源波動對測量的影響,而且可以隨時檢測整個光學系統耦合狀態,以及光信號傳輸損耗的變化。

系統各部分的設計

顯然,在此遙測系統中,光纖作為信號傳輸的通道,為全光學遙測提供了可能,對於此強度型遙測系統,光纖的色散不是主要問題,重要的是光纖的損耗必須低,耦合進光纖的能量必須多。因此系統中採用的是芯徑為5μm,包層直徑為125μm的普通多模光纖。

光源是系統的一個關鍵組成部分,從提高系統檢測靈敏度和光源效率的角度考慮,波長在1.666μm的雷射器和發光二極體是比較理想的光源。但普通光源卻具有成本低、易獲取的優點。另外,利用普通光源具有很寬的輻射光譜的特點,可以很方便地進行雙波長檢測,推而廣之,還可進行多組分氣體的遙測,系統所用的是普通的嗅鎢燈。

從實際使用和提高檢測靈敏度這兩個方面考慮,要求感測器能在較小的空間內提供很長的光程。另外,從減小插入損耗、增加遙測半徑的角度考慮,要求感測器插入損耗小,而且易於同光纖相藕合。由於多次反射While腔不僅能在很小的空間內提供很長的光程〕,而且對入射光具有自會聚性能,這種性能使得它易於同光纖相招合,所以設計了以While為吸收腔的氣體感測器。擔任協Whiet腔和光纖藕合任務的是兩個GRIN棒透鏡。

檢側、控制與信號處理單元的中心是微型計算機。實現雙波長檢測的方法很多,通過利用微機控制步進電機轉換濾光片,實現了時分復用雙波長檢測。這種不需將光分成兩束，不僅光路簡單,而且節省了光能,還利於增加遙測半徑。