翼光测控 · DTS-EDU

高校 DTS 分布式光纤测温综合教学实验套装 — 模块化、开放式教学平台,完整覆盖「光脉冲发射 → 波长分离 → 光电转换 → 信号采集 → 联动控制」全链路。

跨课程实验支撑 全链路闭环系统 开放接口 · 双工作模式
Overview

产品概述

「翼光测控 · DTS-EDU」是一款专为光电信息科学与工程、测控技术与仪器、自动化、通信工程等专业本科及研究生教学打造的模块化、开放式分布式光纤测温(DTS)综合教学实验平台。

产品基于光纤拉曼散射(Raman Scattering)效应光时域反射(OTDR)原理设计,将工业级 DTS 系统的核心功能拆解为分立式教学模块,完整覆盖「光脉冲发射 → 波长分离 → 光电转换 → 信号采集 → 联动控制」全链路。学生通过亲手连接模块、调节参数、观测波形,真正理解分布式光纤测温的技术本质与工程实现。

核心设计理念

不同于工业级 DTS 设备的「黑箱」式设计,本产品采用「黑箱调控 + 白箱光路 + 开放接口」三层架构,原理透明、层次清晰。

有源器件层

黑箱调控

涵盖脉冲激光器、APD 探测器。全金属屏蔽封装,模块可通过软件进行控制,确保安全与抗干扰;学生通过调参观察系统响应。

无源光路层

白箱光路

涵盖 WDM、光开关、传感光纤。透明化 / 可视化设计,接口开放;学生亲手连接光路,直观理解光信号的波长分离与传输路径。

执行控制层

开放接口

涵盖数据采集卡、继电器模块。提供 SMA 输入 + UDP 输出 + 干接点输出;从信号采集到联动执行,构建完整闭环控制系统认知。

一机多用,跨课程支撑

一套设备覆盖多门核心课程实验教学,支撑不同专业方向的实验需求。

《光纤传感技术》

DTS 原理、拉曼散射、OTDR、光开关组网

《信号与系统》

采样定理验证、信号采集与还原

《自动控制原理》

阈值触发、反馈控制、继电器联动逻辑

《检测技术与自动化仪表》

温度检测、信号调理、工业现场监控系统模拟

《工业物联网》

UDP 数据传输、边缘计算节点联动

完整信号流程

光路部分

1550nm 脉冲光(激光器)→ WDM → 光开关(分时轮询)

光开关多路输出

通道 1 → 传感光纤 1(500m)
通道 2 → 传感光纤 2(500m)
通道 3 → 传感光纤 3(500m)
通道 4 → 传感光纤 4(500m)
各通道背向拉曼散射光(1450nm + 1650nm)返回 → WDM 波长分离(一束进,两束出)
1450nm Anti-Stokes(温度敏感)→ APD1 探测器
1650nm Stokes(温度参考)→ APD2 探测器

电路部分

APD1 和 APD2 输出 → 数据采集卡(双通道 SMA 输入)
ADC 模数转换 → FPGA 累加平均与温度解算
RJ45 网口 UDP 数据包输出 → 上位机软件(曲线显示 + 温度分析 + 报警判断)
温度超标时上位机下发控制指令 → 继电器输出模块(多路干接点)
执行设备:声光报警 / 风机启动 / 阀门关闭 / 上位机告警

产品组成

系统组成总览

(一)光学系统脉冲激光器模块 1 台;1×N 光开关模块 1 台; 示波器光探头 1台
(二)波分复用系统1×3 WDM 模块 1 台
(三)探测系统双通道 APD 探测模块 1 台
(四)采集与传输系统高速数据采集卡 1 台
(五)传感系统多路传感光纤 4 盘(标配 4×500m,可定制)
(六)执行系统继电器输出模块 1 台
(七)软件系统上位机软件 1 套
(八)配套仪器信号发生器 1 台;温度控制器 1台

各模块教学功能详解

1. 光学系统

(1)脉冲激光器模块
  • 调节脉宽,观察上位机空间分辨率变化——脉宽越窄,分辨率越高,但信号能量降低。
  • 通过 示波器光探头 用示波器观察脉冲波形,理解脉冲调制原理。
  • 调节峰值功率,观察背向散射信号强度变化,理解信噪比与光功率的关系。
(2)光开关模块
  • 多通道分时轮询实验:上位机控制依次切换 1→2→3→4 通道,理解「分时复用」组网原理。
  • 轮询周期与信噪比的关系:理解实时性与精准度的工程折中。
  • 不同长度光纤对比:各通道接入不同长度光纤,对比 OTDR 衰减曲线差异。
  • 光纤断点定位:断点后曲线出现「雪崩式陡降」,模拟工程运维故障排查场景。

2. 波分复用与探测系统

(1)WDM 模块
  • 三端口颜色标识:1550nm 输入、1450nm 输出(Anti-Stokes)、1650nm 输出(Stokes),理解分光原理。
  • 配合光功率计测量各端口输出光功率,计算插入损耗,理解 WDM 工程指标。
(2)双通道 APD 模块
  • 两路 APD 输出接入双通道示波器,同时观测 Stokes 与 Anti-Stokes 的 OTDR 衰减曲线。
  • 局部加热传感光纤,观察 1450nm 通道幅度随温度升高而增大,1650nm 基本不变,理解「比值解调法」物理本质。

3. 信号采集与数据传输系统

(1)工作模式一:光纤测温
  • APD 两路模拟信号经 SMA 输入 → ADC 采样 → FPGA 累加平均与温度解算 → UDP 打包输出。
(2)工作模式二:信号源测试
  • 通道功能验证:输入标准正弦波,上位机显示波形,作为实验课前「硬件自检」流程。
  • 采样定理验证:固定 1kHz 信号,逐步降低采样率,直观验证奈奎斯特定理。
  • 多通道同步采集演示:两路同频同相信号输入,理解双通道同步采集原理。
  • 故障排查训练:预设故障,通过上位机波形反馈逐级排查,培养工程思维。
(3)可调采集参数
  • 累加平均次数(1^4~4^4),理解信噪比与测量速度的工程折中。
  • 采样点数(1024/2048/4096),理解传感距离与数据量的关系。

4. 传感系统

  • 光纤参数认知——区分单模/多模光纤,理解数值孔径、衰减系数等基本概念。
  • 光纤连接器清洁与熔接实操,掌握基本光纤工程技能。
  • 温度场构建——将光纤分段置于恒温槽/加热带/冰水混合物中,观察不同温度段的信号差异。

5. 执行系统

  • 分级告警逻辑实验:设置温度阈值,对光纤加热观察不同温度区间触发不同告警动作。
  • 联动控制场景模拟:继电器触点接 LED、风扇、蜂鸣器等,模拟电缆沟温度异常监控场景。

实验课程体系

L1

第一层:基础认知实验

  • 系统模块认知与光路搭建(全系统)
  • 光纤连接器清洁与熔接实操(传感光纤)
  • 采集卡通道验证(采集卡+信号源)
L2

第二层:核心原理实验

  • 拉曼散射光谱与温度响应(WDM+APD+恒温槽)
  • OTDR 原理与光纤事件点定位(采集卡+软件)
  • 空间分辨率与采样率关系(激光器+采集卡)
  • 光开关工作原理与多通道组网(光开关+软件)
  • 信噪比与累加平均次数的关系(采集卡+软件)
L3

第三层:综合设计实验

  • 温度解调算法与系统标定(软件+恒温槽)
  • 分级告警与联动控制逻辑设计(继电器+软件)
  • 光纤断点定位与故障排查(光开关+采集卡)
L4

第四层:创新应用实验

  • 模拟油井/电缆沟多通道分区监测(全系统)
  • 多通道冗余保护与自动切换(光开关+继电器)

技术参数

测温范围-20℃ ~ +120℃(可扩展)
测温精度≤ ±2℃
空间分辨率≤ 2 米(标配);≤ 1 米(高配)
定位精度≤ 1 米
传感距离标配 500 米 ~ 1 公里 / 通道(最大可扩展至 2 公里)
光开关通道数1×4
继电器输出4 路独立干接点
采集卡输入双通道 SMA,支持外接信号发生器测试模式
数据传输RJ45 网口,UDP 协议
光纤接口FC/APC(标配)
工作电源AC 220V

配套教学资源

实验指导书

涵盖全部实验的目的、原理、步骤、数据记录表格及思考题

教学 PPT 与视频

DTS 原理动画、各模块功能讲解、操作演示视频

上位机软件

温度曲线、通道切换、阈值设置、继电器联动、数据导出

信号发生器

采集卡通道验证与采样定理实验

配件包

FC/APC 跳线、BNC 同轴电缆、电源适配器、螺丝刀套装

产品亮点

原理透明,非「黑箱」

WDM、光开关等核心光路模块透明化设计,学生亲手连接,光信号路径清晰可见。

模块化设计,灵活组合

各模块独立可拆,既可完成标准实验,也支持创新性系统搭建。

一机多用,跨课程支撑

覆盖光纤传感、信号与系统、自动控制、工业物联网等多门课程实验。

闭环控制,完整系统

从温度感知 → 信号采集 → 算法处理 → 联动执行,全链路闭环,还原工业现场。

双工作模式,硬件自检

采集卡支持光纤测温与信号源测试双模式,实验前可独立验证硬件正常。

安全可靠,适合教学

APD 模块带高压闭锁保护,激光器符合 Class 1M 安全等级。

工业级器件,教学级封装

核心器件与工业 DTS 同源,确保实验数据有效性与工程参考价值。

「翼光测控 · DTS-EDU」——让复杂的 DTS 技术变得可动手、可探究、可创新,是连接光纤传感理论与工程实践的理想教学平台。

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