[科普中国]-光纤遥测

简介定义

在测量系统中，有时需要将测量参数传到较远的地方，一般称为遥测。例如，大型水坝的应力状态的测量．炼铁高炉炉壁的温度测量，大型自动化生产设备的参数测量及核反应区的有关参数测量等，被测地点与仪表室或控制室距离较远，需要进行遥测。

远距离信息传输的方式很多，如射线、红外线等无线传输及电缆有线传输等。其中，利用光纤传输信息的遥测方式，称为光纤遥测。1

特点采用电缆作信息传输是最简单的方式，但信息在传精过稠中有较大的掼耗，抗干扰性能差，重量大；采用无线方式，其信号转换(调制、解调)电路较复杂。采用红外线传输时，则受气候影响较大，而且距离较远时，需要较大的发射功率。而光纤光电耦合器虽然可以传输几十米至数百米，但目前光纤成本较高，当前更适甩于有强干扰、短距（几十米）的场合，这样可获得极好的传输效果又比较经济。1

新型光纤遥测利用光纤和红外吸收技术,实现了全光学、实时、连续监测。由于在传感器和连接传感器及监测中心的光纤中,既没有高温热源也没有电流流动,因而清除了爆炸的危险和电磁干扰。且因基于红外吸收原理,因而抗高浓度冲击,也不受背景气体的影响。2

光纤数字遥测系统由四部分组成：传感器及调理电路部分、A/D变换及发送部分，光纤光电耦合部分及接收显示部分。系统主要特点是采用编码器将测量参数的数字信号编码发送。通过光纤光电耦合，经译码器编码后显示出相应的测量参数。采用光纤传输信息，其传输损耗小。尺寸和重量也比电缆要小得多，抗干扰性特别好，也不需要很大的发射功率。电路设计简单，调试容易。信息传输可靠性好，数据传输精度高。特别适用于距离为几十米至数百米的强电场、强磁场干扰的场合。1

发送部分电路发送部分由AD变换器及接口电路，单片机最小系统，编码器及驱动电路组成。它主要的作用是采集A/D变换后的数据，存入RAM，井顺序地将存入的数据通过编码器，再经过三极管放大后发送出去。

A/D变换器输出数据与三态门缓冲器连接，采用查询的方式依收将千，百、十、个位数输，并将这四位数分别存入RAM中输入的数据可是正值或负值，这可以根据千位的Q2来判断：Q2=1时，数据为正；Q2=0时，数据为负；通过软件来封别Q2是否为1，即可确定符号位的正负。

由单片机程序控制．顺序地将符号位．千位百位、十位个位数一位位地输出，输出的每一位数的4位BCD码即为编码器的4位数据，由P14口来控制编码器的发进控制端TE，当P14日为低电平时，犏码器的TE为低电平，开始发送。编码器输出的编码脉冲经放极管及接收电路部分的反相、整形等环节)。另外，译码器译码也需要一定的时间，为保证可靠地接收。每发送一位数后，要加几ms的延时（由软件设定）。

发进都分的程序是极为简单的，即数据采集及数据发送。

采用单片机除上述主要功能外．它还可以利用软件进行运算，数据处理，对非线性传感器进行校正，或对某些有规律误差进行自动补偿，这样可充分发挥单片机的功能，井能提高测量的精度。1

接收部分电路经光纤光电耦合器传输的把脉冲由光敏三极管接收后变成电脉冲，经施密特触发器反相、整形后输入编码器，由译码器输出的符号值及4位数据经BCD码——七段码译码器译码后，与十进制计数器配台(位控)，进行动态扫描显示。小数点的显示是固定的，可以根据需要转动。1

应用光纤遥测地下水污染日本工业技术院公害资源研究所将着手开发用光纤从地表遥测地下水污染的技术。

照射激光时，化学物质会发出特有的荧光，通过光纤分析，即可把握最深达1公里处的地下水污染状况。由于不必费时汲取地下水便能精确测定污染状况，这项技术将在污染监视等方面发挥威力。

此项技术作为环境厅公害特别研究的一环,从1987年开始的5年计划中进行开发研究。3

光纤遥测海水盐度海水盐度、密度等参数的测量在石油、进出口贸易、海洋监测及军事上的航道测量等诸多领域应用十分广泛。尤其对近年来世界范围内环境保护、水质资源的监测等方面,有着重要的研究背景和科学意义。

海水盐度是研究大洋环流、海洋动力学、降雨量及季节气候预测、海洋渔业养殖、水声学及海洋资源的重要参数。4

一次性光纤遥测系统美国桑迪亚国家实验室的研究人员开发了一种采用廉价的一次性光纤遥测系统来传送钻井过程的实时信息的新技术，该技术引起了石油和天然气业的注意。据开发这种技术的研究人员介绍这种独特技术利用一次性光纤，现场传送钻具一端工作进展的信息。温度、压力、化学物质和岩石构造等信息均可被及时地传送到地面，不必中断钻探操作就能获得所有这些信息。

收集这些信息的传统方法是中断钻探过程，以便将检测仪器下到钻孔中。暂停钻探进程的代价极高，就近海钻探而言，一天损失高达10万美元~20万美元。”

一段时间以来，在钻探过程中利用光纤遥测技术传送井下钻具信息的想法，引起了石油和天然气钻探业人士的兴趣。然而，人们认为这种技术的成本太高，必须用体积庞大的铁甲来保护脆弱的光纤，而放置光纤也会干扰钻探工作。而由美国桑迪亚国家实验室开发的技术所采用的光纤不是靠铁甲，而是靠一层透明的保护型塑料薄膜加以保护，这种薄膜类似于导弹制导系统中所采用的薄膜。

与传统的可反复使用的笨重光纤相比，这种不带铁甲的光纤很轻，密度很高，容易操作。光纤和泥土一起顺着钻具到达钻孔的底部，从那里将信息及时地传给钻井操作人员。5

甲烷光纤遥测系统系统的组成甲烷光纤遥测系统的组成框图如图所示,整个系统可分为四个部分:1)光源,2)传感器,3)检测、控制与信号处理单元,4)光纤。

从光源中发出的光经光纤传输到远离光源的传感器。在传感器中,光吸收气体后,又通过另一根光纤传回,送到检测、控制与信号处理单元进行检测。在这里,通过微机控制步进电机转换滤光片,在不需要将光分成两束的情况下,用同一只IPN管探测器和同一套检测电路,实现了时分复用双波长检测。

实际测量中,光源功率的波动往往会对测量带来很大影响,为了消除这个影响,同时监测了反映光源发光功率大小的光源参比信号。利用光源参比信号不仅可有效地减小光源波动对测量的影响,而且可以随时检测整个光学系统耦合状态,以及光信号传输损耗的变化。

系统各部分的设计显然,在此遥测系统中,光纤作为信号传输的通道,为全光学遥测提供了可能,对于此强度型遥测系统,光纤的色散不是主要问题,重要的是光纤的损耗必须低,耦合进光纤的能量必须多。因此系统中采用的是芯径为5μm,包层直径为125μm的普通多模光纤。

光源是系统的一个关键组成部分,从提高系统检测灵敏度和光源效率的角度考虑,波长在1.666μm的激光器和发光二极管是比较理想的光源。但普通光源却具有成本低、易获取的优点。另外,利用普通光源具有很宽的辐射光谱的特点,可以很方便地进行双波长检测,推而广之,还可进行多组分气体的遥测,系统所用的是普通的嗅钨灯。

从实际使用和提高检测灵敏度这两个方面考虑,要求传感器能在较小的空间内提供很长的光程。另外,从减小插入损耗、增加遥测半径的角度考虑,要求传感器插入损耗小,而且易于同光纤相藕合。由于多次反射While腔不仅能在很小的空间内提供很长的光程〕,而且对入射光具有自会聚性能,这种性能使得它易于同光纤相招合,所以设计了以While为吸收腔的气体传感器。担任协Whiet腔和光纤藕合任务的是两个GRIN棒透镜。

检侧、控制与信号处理单元的中心是微型计算机。实现双波长检测的方法很多,通过利用微机控制步进电机转换滤光片,实现了时分复用双波长检测。这种不需将光分成两束，不仅光路简单,而且节省了光能,还利于增加遥测半径。2