一種可提高分布式光纖測溫系統測溫動態範圍的電路的製作方法
2023-05-17 10:39:01 2
專利名稱：一種可提高分布式光纖測溫系統測溫動態範圍的電路的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及分布式光纖測溫系統技術領域，特別涉及一種可提高分布式光纖測溫系統測溫動態範圍的電路。
背景技術：
分布式光纖測溫系統(以下稱DTS系統)是一種基於OTDR和拉曼散射原理研製而成的溫度測量系統，其溫度傳感器是光纖(通常製作成光纜)。DTS利用光纖的拉曼效應，即光纖鋪設位置(空間)的溫度場調製了光纖中傳輸的後向拉曼散射光，經光電轉換後產生拉曼電信號，經放大並濾波，再進行信號處理後就可解調出溫度場的實時溫度信息。由於DTS是分布式的，即光纜連續地鋪設在需要監測的現場，而且距離較長(通常是幾公裡)，相比與其他測溫系統，DTS具有明顯的優勢。該系統目前已廣泛應用於各種隧道，電力，鋼鐵 廠及礦場等需要火災監測的領域。測溫動態範圍(即DTS系統可測量的溫度範圍)是DTS系統的一項重要指標，不同應用場合對DTS系統的測溫動態範圍要求不同，例如隧道消防監控的測溫動態範圍是幾十。C，而電力及鋼鐵廠的溫度監控則是幾百。C。DTS系統的測溫動態範圍由系統數據採集卡的模數轉換器(ADC)的動態範圍決定，而模數轉換器的動態範圍通常是固定的，因此按照常規的電路設計方法，DTS系統的動態範圍也是固定的。常規的DTS系統數據採集卡如附圖
I所示，包括前置差分放大器，第一隔直電容(Cl)、第二隔直電容(C2)，獲取共模電壓的第一電阻(Rl)、第二電阻(R2)，組成低通濾波器的第三電阻(R3)、第四電阻(R4)及第三電容(C3)，模數轉換器(ADC)，數據採集控制器FPGA。上述常規電路所獲得的信號動態範圍如圖2所示，這種常規電路的缺陷是當輸入的拉曼信號F過大時會出現飽和現象(失真)；而信號一旦出現飽和現象，經採集後，解調出的溫度信息則出現失真，也就是測溫動態範圍不夠。下面從原理上來做進一步的分析從模數轉換器的特點可知，假設模數轉換器等效輸入信號S範圍是-Av +Av (例如A= I)，轉換成數字後輸出D範圍是O (2N-1)，其中N為模數轉換器的位數(即解析度)。當模數轉換器等效輸入信號S為-Av時，對應的數字轉換結果D為O ;而當模數轉換器的等效輸入信號為+Av時，轉換成數字輸出結果D為(2n-1);即0=(等效輸入信號S幅值/^02^+2^1。當模數轉換器輸入信號S ( -Av時，S出現飽和，轉換成數字輸出結果D為O ;當模數轉換器輸入信號S彡Av時，S出現飽和，轉換成數字輸出結果D為(2n-1)。那麼，假設輸入拉曼信號為F，經差分放大器後變成差分信號Fp和Fn，經隔直電容後變成Sp和Sn，而模數轉換器輸出的工模電壓為CML0，那麼有Sp = Fp+CMLO ；Sn = Fn+CMLO ；於是模數轉換器等效輸入信號為S = Sp-Sn = (Fp+CMLO)-(Fn+CMLO) = Fp_Fn。[0011]再來分析拉曼信號F的幅值特點，拉曼信號F的幅值是大於等於0，即S =Fp-Fn ^ O。那麼拉曼信號F經過差分放大器及隔直電容後得到模數轉換器的等效輸入信號的範圍是0v彡S彡+Av，那麼模數轉換器轉換的結果D > 2n-j ;即系統的動態範圍是
( D ( (2N-1)，如圖I所示系統有效信號動態範圍為Y。 I。也就是系統只利用到了模數轉換器動態範圍的一半，即2H (2N_1)，而另一半O (2N_Ll)沒有被利用到；因而測溫動態範圍受到限制。當輸入拉曼信號比較大時(例如溫度比較高)，模數轉換器輸入等效信號將達到飽和，即會出現S ^ Av,模數轉換器轉換的結果D = 2Ν-\從而造成信號失真，解調出的溫度信號也失真。因此，設計一種電路來防止拉曼信號出現飽和，從而提高DST系統測溫動態範圍，這對DTS系統應用具有重要意義。
實用新型內容為了解決現有技術中存在的問題，本實用新型提供一種可提高分布式光纖測溫系統測溫動態範圍的電路，可以提高DTS系統拉曼信號的動態範圍，從而提高系統測溫動態範圍。為了達到上述目的，本實用新型採用一種可提高分布式光纖測溫系統測溫動態範圍的電路，包括前置差分放大器，第一隔直電容、第二隔直電容，獲取共模電壓的第一電阻和第二電阻、組成低通濾波器的第三電阻、第四電阻及第三電容、模數轉換器、數據採集控制器，所述前置差分放大器分別連接第一隔直電容的一端和第二隔直電容的一端，第一隔直電容的另一端分別連接第一電阻的一端和第三電阻的一端，第三電阻的另一端分別連接第三電容的一端和模數轉換器的一端，第二隔直電容的另一端分別連接第二電阻的一端和第四電阻的一端，第四電阻的另一端分別連接第三電容的另一端和模數轉換器的另一端，模數轉換器的第三端連接數據採集控制器，其特徵在於還包括第五電阻、第六電阻及射隨放大器。所述第五電阻的一端連接模數轉換器、第六電阻及第二電阻，另一端連接射隨放大器的一端。所述射隨放大器的另兩端分別連接第一電阻的一端。所述第六電阻的另一端接地。一種可提高分布式光纖測溫系統測溫動態範圍的電路，其工作原理如下假設輸入的拉曼信號為F ；F經差分放大器後變成差分信號Fp和Fn ;模數轉換器等效輸入信號為S，其範圍是-Av +Av (例如A = I)，轉換成數字後輸出D，其範圍是O (2N-1)，其中N為模數轉換器的位數，即解析度；模數轉換器輸出的共模電壓為CMLO ；CML0經過射隨放大器輸出到第一電阻Rl的電壓為CMLl ;具體實現過程如下I)拉曼信號F經差分放大器後變成差分信號Fp和Fn ；2)Fp和Fn經第一隔直電容、第二隔直電容後變成Sp和Sn，有Sp = Fp+CML1 ；Sn = Fn+CMLO ；3)模數轉換器輸入等效信號為S，有S = Sp-Sn = (Fp-Fn) + (CMLI-CML0)，[0029]其中CMLl = CMLO* (R6/ (R5+R6))，因此S = (Fp-Fn) - (R5/ (R5+R6)) *CML0，由於拉曼信號F > 0，如前文所述(Fp-Fn) > O ;當S > +Av時，S出現飽和；那麼S的有效動態範圍是- (R5/ (R5+R6)) *CML0 ^ S ^ +Av ；4) S經模數轉換器轉換的結果為D
權利要求1.一種可提高分布式光纖測溫系統測溫動態範圍的電路，包括前置差分放大器，第一隔直電容、第二隔直電容，獲取共模電壓的第一電阻和第二電阻、組成低通濾波器的第三電阻、第四電阻及第三電容、模數轉換器、數據採集控制器，所述前置差分放大器分別連接第一隔直電容的一端和第二隔直電容的一端，第一隔直電容的另一端分別連接第一電阻的一端和第三電阻的一端，第三電阻的另一端分別連接第三電容的一端和模數轉換器的一端，第二隔直電容的另一端分別連接第二電阻的一端和第四電阻的一端，第四電阻的另一端分別連接第三電容的另一端和模數轉換器的另一端，模數轉換器的第三端連接數據採集控制器，其特徵在於還包括第五電阻、第六電阻及射隨放大器，所述第五電阻的一端分別連接模數轉換器的第四端、第六電阻的一端及第二電阻的另一端，第五電阻的另一端連接射隨放大器的一端，所述射隨放大器的另兩端分別連接第一電阻的另一端。
2.根據權利要求I所述的一種可提高分布式光纖測溫系統測溫動態範圍的電路，其特徵在於所述第六電阻的另一端接地。
專利摘要本實用新型公開了一種可提高分布式光纖測溫系統測溫動態範圍的電路，包括前置差分放大器，第一隔直電容、第二隔直電容，獲取共模電壓的第一電阻和第二電阻、組成低通濾波器的第三電阻、第四電阻及第三電容、模數轉換器、數據採集控制器，其特徵在於還包括第五電阻、第六電阻和射隨放大器；第五電阻的一端連接模數轉換器、第六電阻及第二電阻，另一端連接射隨放大器的一端；射隨放大器的另兩端分別連接第一電阻的一端；第六電阻的另一端接地。本實用新型的優點是通過增加電路來改變模數轉換器差分輸入共模電壓，使得各路差分信號共模電壓不同，經此改進後，系統信號動態範圍得到了提高，從而提高了DTS系統的測溫範圍。
文檔編號G01K11/32GK202522339SQ201120470759
公開日2012年11月7日 申請日期2011年11月22日 優先權日2011年11月22日
發明者黃正 申請人:上海華魏光纖傳感技術有限公司