CN102095524A - 分布式光纤温度传感器系统的动态标定方法 - Google Patents

Abstract

分布式光纤温度传感器系统的动态标定方法，步骤如下：(1)消除探测系统的输出电压偏差；(2)通过标准光纤环消除探测系统放大倍数不稳定带来的影响；(3)将修正过的反斯托克斯信号除以斯托克斯信号，与理论公式结合，得到求解光纤温度传感器待测温度T的准确计算公式；(4)对步骤(3)得到的公式进行直线拟合，并通过动态标定对公式进行实时修正，再进行温度解算，从而得到准确的待测温度信息。本发明方法可以保证分布式光纤温度传感器系统较高的温度精度。

Description

分布式光纤温度传感器系统的动态标定方法

技术领域

本发明涉及一种分布式光纤温度传感器系统的标定方法。

背景技术

分布式光纤温度传感器是先进的温度传感器，利用拉曼散射效应和OTDR技术实现对敏感光纤所处温度场的分布式测量，具有灵敏度高、抗电磁干扰、本质安全、重量轻、寿命长、可靠性高等优点，可以广泛应用于电力电缆、地铁隧道、煤矿巷道、石油储罐、大型建筑结构的温度监控和火灾报警。传统的温度传感器工作方式通常都是点式的，只能测试一小部分区域的温度状态。在某些工程应用环境中，传统温度传感器的定量、定位、可重复使用性等方面有着严重的缺陷，且测量方案往往复杂不可靠、不经济。分布式光纤温度传感系统以一条光缆同时作为测量和传输介质，能够提供连续、不间断的测温，传感介质本身不带电，安全、可靠、抗干扰。

分布式光纤温度传感器系统包括测量主机和感温光纤，测量主机又包括光源、波分复用系统和光电接收、放大模块，其中光电接收、放大模块统称为分布式光纤温度传感器的探测系统。

虽然拉曼型分布式光纤温度传感器已相对成熟，国内外众多研究单位和公司也推出了自己的研究成果和产品，但仍然存在着一些不完善的地方，标准温度的稳定性便是其中一个重要问题。拉曼型分布式光纤温度传感器技术拥有相当成熟的基础理论，即光纤内部非弹性散射效应中的拉曼散射效应：光子在光纤中被SiO₂分子吸收，跃迁到一个不稳定的虚拟激发态，接着向回跃迁发射出一个与入射光频率不同的光子，这个光子频率可能大于入射光频率，也可能小于入射光频率，频率高的即为反斯托克斯光，频率低的即为斯托克斯光。由于激发态分子数目服从波尔兹曼分布，因此拉曼效应能够体现温度信息，而反斯托克斯对温度更敏感，故将其作为携带温度信息的测量信号。按照拉曼散射测温理论中的标准公式推导温度解调公式并不困难，但由于实际中存在诸多影响因素，除了光纤损耗的色散特性、探测系统本身不稳定，还有更换传感光纤等外部因素的影响，使得理论推导出的公式并不能直接应用，需要修正和标定。传统的一次标定并不能保证在以后的使用过程中不出现偏差，如果温度基准出现了偏差，那么再高的信噪比，再高的温度精度也失去了应有的意义。因此如何能够准确的进行系统标定对温度精度起着至关重要的作用。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提出了一种分布式光纤温度传感器系统的动态标定方法，针对分布式光纤温度传感器中衰减值的差异以及环境因素导致的基准温度不标准问题进行动态标定，实时修正温度基准值以提高温度测量精度。

本发明的技术解决方案是：分布式光纤温度传感器系统的动态标定方法，步骤如下：

(1)在无光状态下，读取分布式光纤温度传感器系统中探测系统输出的反斯托克斯信号电压值Δ_as和斯托克斯信号电压值Δ_s作为探测系统的测量偏差；

(2)绕制一个标准光纤环并将其置于恒温环境下，测量反斯托克斯信号和斯托克斯信号在标准光纤环处的电压平均值(I_as)₀和(I_s)₀，并以此组电压值作为探测系统同一温度、同一放大倍数条件下的标准信号电压，据此得到分布式光纤温度传感器系统各测量点的反斯托克斯信号电压值I_as和斯托克斯信号电压值I_s，

式中(I_as)₀′和(I_s)₀′为再次测量时标准光纤环处的反斯托克斯信号电压值和斯托克斯信号电压值，(I_as)′和(I_s)′为再次测量时分布式光纤温度传感器系统各测量点所测得的反斯托克斯信号电压值和斯托克斯信号电压值，式中的电压值均扣除步骤(1)得到的探测系统测量偏差；

(3)根据拉曼测温理论得到待测温度T的计算公式

式中C为常数，h为普朗克常数，Δv为拉曼频移，k为波尔兹曼常数；

(4)利用一次直线对步骤(3)的计算公式进行拟合，实现动态标定，从而实时计算出测点处待测温度的准确值。

本发明与现有技术相比的优点是：传统标定方法往往容易与真实值存有一定偏差，有时候甚至要手动调节参数，人为的将温度曲线拉回到基准位置，而且随着主机环境温度的变化，基准位置还会出现小范围的波动。本发明方法能够实时、动态的消除偏差和修正探测系统放大倍数不稳定所引入的误差，实时修正温度基准位置，从而确保了解调温度信息的准确性。与传统的解调方法相比，本方法可以自动调节相关参数，避免了手动试探的方式寻找参数，因此适用性强且可靠性更高。实验发现，经过此标定方法解调的温度，其与实际温度值之间的偏差始终保持在0.5℃以内。而传统标定方法，测量温度值与实际温度值偏差最大时能够达到5℃以上。因此本发明具有更高的温度精度和可靠性。

附图说明

图1为本发明方法的流程图；

图2为本发明实施例中标准光纤环温度为25℃时的温度测量曲线；

图3为本发明实施例中标准光纤环温度为0℃时的温度测量曲线；

图4为本发明实施例中标准光纤环温度为35℃时的温度测量曲线；

图5为本发明实施例中标准光纤环温度为40℃时的温度测量曲线。

具体实施方式

如图1所示，为本发明分布式光纤温度传感器系统动态标定方法的流程图，主要步骤如下：

(1)排除探测系统的影响。根据分布式光纤温度传感器系统中测量所得的反斯托克斯信号理论值(I_as)₁与斯托克斯信号理论值(I_s)₁和其对应实际值(I_as)₂和(I_s)₂之间的偏差，即可获得探测系统的测量误差Δ(λ_as)和Δ(λ_s)，该测量误差是探测系统本身的特性之一，用公式表示即为：

(I_as)₂＝(I_as)₁-Δ(λ_as)                      (1)

(I_s)₂＝(I_s)₁-Δ(λ_s)                            (2)

由于理论值通常无法获取，通常，该偏差通过测量在无光状态下探测器的输出电压值得到。

(2)消除探测系统的偏差之后，如果没有放大倍数的影响，相同温度下各路信号相应位置的信号幅度应该是相同的，每路信号在一次测量中各点的放大倍数也应该是相同的。但由于探测系统和放大系统的不稳定，导致信号放大倍数变化，因此在计算温度之前也必须对此进行修正。方法是：绕制一个标准光纤环，将该标准光纤环置于一个恒温环境下，测量反斯托克斯光信号和斯托克斯光信号在此段光纤上(标准光纤环)的电压平均值(I_as)₀和(I_s)₀，并以此组电压值作为系统同一温度、同一放大倍数条件下的标准信号电压。假定再次进行测量时，标准光纤环处的反斯托克斯光信号电压值和斯托克斯光信号电压值分别变为(I_as)₀′和(I_s)₀′，传感光纤(分布式光纤温度传感器系统测点)所测得的反斯托克斯光信号电压值和斯托克斯光信号电压值分别为(I_as)′和(I_s)′。那么实际分布式光纤温度传感器系统各测量点的反斯托克斯光信号电压值I_as和斯托克斯光信号电压值I_s(上述各电压值均已按照步骤(1)减掉偏差)应表示为：

$I_{\mathrm{as}}=\frac{{\left(I_{\mathrm{as}}\right)}_0}{{{\left(I_{\mathrm{as}}\right)}_0}^{\′}}\·{\left(I_{\mathrm{as}}\right)}^{\′}---\left(3\right)$

$I_s=\frac{{\left(I_s\right)}_0}{{{\left(I_s\right)}_0}^{\′}}\·{\left(I_s\right)}^{\′}---\left(4\right)$

(3)根据拉曼散射原理，光纤入射端探测到的背向斯托克斯光和反斯托克斯光强分别为：

I_as＝E₀K_asBv_as ⁴R_as(T)exp[-(a₀+a_as)·L]                (5)

I_s＝E₀K_sBv_s ⁴R_s(T)exp[-(a₀+a_s)·L]                     (6)

其中，E₀为入射到光纤中的有效光功率，K_as，K_s是与光纤的反斯托克斯散射截面、斯托克斯散射截面有关的系数，B为光纤背向散射因子，v_as，v_s分别为反斯托克斯散射光频率和斯托克斯光散射光频率，a₀，a_as，a_s分别为入射光、反斯托克斯光、斯托克斯光在光纤中的传输损耗，L为光纤长度，R_as(T)，R_s(T)是与分子布局数有关的系数，且有：

R_as(T)＝[exp(hΔv/kT)-1]^-1                        (7)

R_s(T)＝1+[exp(hΔv/kT)-1]^-1                       (8)

式中，h＝6.63×10^-34J·s为普朗克常数，Δv为光纤的拉曼频移量，k＝1.38×10^-23J/K为波尔兹曼常数。

因为反斯托克斯和斯托克斯两路光信号均携带有温度信息，而反斯托克斯对温度更敏感，因此采用斯托克斯光信号解调反斯托克斯光信号的方法，即通过反斯托克斯和斯托克斯的光强比解调温度信息。(5)式除以(6)式并将(7)、(8)式代入得：

$\frac{I_{\mathrm{as}}}{I_s}=\frac{K_{\mathrm{as}}}{K_s}{\left(\frac{v_{\mathrm{as}}}{v_s}\right)}^4\·\exp [-(\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT})]\·\exp [-(a_{\mathrm{as}}-a_s)\·L]---\left(9\right)$

去除衰减因素后即为：

$\frac{I_{\mathrm{as}}}{I_s}=C\·\exp [-\mathrm{h\Δv}/\mathrm{kT}]---\left(10\right)$

根据上述原理，将步骤(2)中所得的反斯托克斯信号与斯托克斯信号相除，去除衰减因素后，根据拉曼测温理论便可得到(10)式。其中，I_as/I_s和常数C可以从实际测量中获得，h＝6.63×10^-34J·s为普朗克常数，Δv＝13.2THz为石英光纤的拉曼频移量，k＝1.38×10^-23J/K为波尔兹曼常数，整个传感光纤所处位置的待测温度值T为唯一未知量。

(4)为方便实际应用，对公式(10)在-50℃～150℃范围内进行直线拟合，可得到相关性很高的理论直线y＝ax+b，其中y即为待测温度T，x为光强比I_as/I_s。不难看出这条拟合直线在x＝0的时候有一恒定点(0，b)，即为动态标定使用的已知点之一。实际应用中此点因为系统的不同而有一定差异。

再在标准光纤环处设置铂阻测温装置，通过此装置可以实时测量标准光纤环处的温度平均值y₂，其光强比平均值x₂也已在测量中获取。因此(x₂，y₂)便可作为第二个已知点，通过以上两个已知点，可以实时求出标定直线：

$\frac{{y-y}_1}{{x-x}_1}=\frac{y_2-y_2}{x_2-x_1}---\left(11\right)$

即通过不断修正a的值，实现动态标定，从而实时计算出准确的温度信息。

以下结合实例对本发明进行进一步阐述。

(1)将标准光纤环及主机箱单独置于温箱中，首先设定温箱温度为25℃(此温度可在系统允许工作温度范围内任意选择)，并取一段传感光纤加热至80℃(此温度可在系统温度测量范围内任意选择，异于温箱温度即可)，传感光纤其它位置均处于室温(实验当天室温35℃左右)；

(2)由于探测系统电路的不稳定，每次测量中信号包含的探测系统偏差均不相同，因此在实时采集温度信息的过程中，也均应实时的测量此偏差并消除其对有用信号的影响。

(3)探测系统的放大倍数也是一个不稳定参数，在找好基准后，也需要对其进行实时修正。

(4)相除的信号必须是经过上述各步骤进行实时修正后的有用信号。

(5)利用理论拟合公式的恒定点及标准光纤环处的已知点，求出当次所测信号的温度、光强比关系式，并依据此公式计算出温度信息。得到的温度曲线如图2所示。图中，前120米为处于温箱内的标准光纤环，通过它标定的加温处光纤(270～310米左右)的温度与设定值80℃的误差小于0.5℃。

(6)再将标准光纤环所处环境温度即温箱温度任意设定为其它值，本实验选择了0℃、35℃、40℃三个温度。重复上述步骤，以观察在主机环境温度波动的情况下本标定方法的准确性。

解调出的温度曲线如图3、图4、图5所示，加温处光纤(270～310米左右)的温度均为80℃，误差均小于0.5℃。这说明在四次测量中，虽然主机及标准光纤环所处的温度发生改变，但仍可以精确地解调出温度曲线，而不需要手动调节任何参数，本动态标定方法有效、可行。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (1)

1.分布式光纤温度传感器系统的动态标定方法，其特征在于步骤如下：

(1)在无光状态下，读取分布式光纤温度传感器系统中探测系统输出的反斯托克斯信号电压值Δ_as和斯托克斯信号电压值Δ_s作为探测系统的测量偏差；

(2)绕制一个标准光纤环并将其置于恒温环境下，测量反斯托克斯信号和斯托克斯信号在标准光纤环处的电压平均值(I_as)₀和(I_s)₀，并以此组电压值作为探测系统同一温度、同一放大倍数条件下的标准信号电压，据此得到分布式光纤温度传感器系统各测量点的反斯托克斯信号电压值I_as和斯托克斯信号电压值I_s，

式中(I_as)₀′和(I_s)₀′为再次测量时标准光纤环处的反斯托克斯信号电压值和斯托克斯信号电压值，(I_as)′和(I_s)′为再次测量时分布式光纤温度传感器系统各测量点所测得的反斯托克斯信号电压值和斯托克斯信号电压值，式中的电压值均扣除步骤(1)得到的探测系统测量偏差；

(3)根据拉曼测温理论得到待测温度T的计算公式

式中C为常数，h为普朗克常数，Δv为拉曼频移，k为波尔兹曼常数；

(4)利用一次直线对步骤(3)的计算公式进行拟合，实现动态标定，从而实时计算出测点处待测温度的准确值。

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