CN102853936A

CN102853936A - 远程分布式光纤拉曼温度传感器

Info

Publication number: CN102853936A
Application number: CN2012103354668A
Authority: CN
Inventors: 李德和; 史振国; 刘伟; 乔秋晓
Original assignee: Weihai Beiyang Electric Group Co Ltd
Current assignee: Weihai Beiyang Electric Group Co Ltd
Priority date: 2012-09-12
Filing date: 2012-09-12
Publication date: 2013-01-02
Anticipated expiration: 2032-09-12
Also published as: CN102853936B

Abstract

本发明涉及温度传感器，具体的说是一种特别适用于环形的温度检测应用环境的远程分布式光纤拉曼温度传感器，其特征在于设有两条用于环形测温的测温光路，脉冲光纤激光器发出的信号经1×2耦合器分为两路后，分别经两条测温光路中的波分复用器进入与波分复用器相连接的传感光纤中，两根传感光纤的末端间距应小于系统空间分辨率的一半，每条光路中均设有一组分别用于接收背向拉曼反斯托克斯和斯托克斯散射信号的光电接收模块，光电接收模块的输出端与数据采集卡的输入端相连接，本发明与现有技术相比，能够显著的提高测温准确度。

Description

远程分布式光纤拉曼温度传感器

技术领域

本发明涉及温度传感器，具体的说是一种测量精度高、生产成本低、准确可靠，特别适用于环形的温度检测应用环境的远程分布式光纤拉曼温度传感器。

背景技术

分布式光纤温度传感器是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场的光纤传感系统，该系统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，与传统的电温度传感器相比，光纤温度传感器具有灵敏度高、能够抗电磁干扰、重量轻、寿命长等优点，因此可以广泛应用于电力电缆、地铁隧道、煤矿巷道、石油储罐以及大型建筑的温度监控和火灾报警中。

虽然拉曼型分布式光纤温度传感器的研究已相对成熟，但仍存在不完善的问题，目前分布式光纤温度传感器的发展方向是长距离、高精度，而传输距离越长，需要泵浦光功率越高，而因为受激拉曼散射阈值随泵浦光功率和传输距离的增加而减小，较高的泵浦光功率和较长的传输距离都极易导致受激拉曼散射的发生；分布式光纤温度传感器精度越高，也即需要的信噪比越大，信噪比增大一方面要求增加信号光功率，另一方面要求降低噪声，而信号光功率的增大要求增加泵浦光功率，这样容易导致受激拉曼散射的发生，而由于对受激拉曼散射信号进行温度解调时会产生温度畸变，进而造成分布式光纤温度传感器在进行中长距离的测温施工时，存在测温精度不高，测温不准确等问题。

为了解决该问题，现阶段研究人员在中远程光纤拉曼温度传感器的研制中多采用高峰值功率的脉冲器、脉冲编码技术、双光源技术等，导致传感器的复杂度上升，成本高、开发周期长。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出一种结构合理、测量精度高、生产成本低、准确可靠，特别适用于环形的温度检测应用环境的远程分布式光纤拉曼温度传感器。

本发明可以通过以下措施达到：

一种远程分布式光纤拉曼温度传感器，包括脉冲光纤激光器、1×2耦合器、波分复用器、传感光纤、光电接收模块以及数据采集卡，脉冲光纤激光器与数据采集卡相连接，其特征在于设有两条用于环形测温的测温光路，脉冲光纤激光器发出的信号经1×2耦合器分为两路后，分别经两条测温光路中的波分复用器进入与波分复用器相连接的传感光纤中，两根传感光纤的末端间距小于系统空间分辨率的二分之一，每条光路中均设有一组分别用于接收背向拉曼反斯托克斯和斯托克斯散射信号的光电接收模块，光电接收模块的输出端与数据采集卡的输入端相连接。

本发明中所述两条测温光路，每一条测温光路均由波分复用器、与波分复用器相连接的一组分别用于接收传感光纤中背向拉曼反斯托克斯和斯托克斯散射信号的光电接收模块，以及与波分复用器输出端相连接的传感光纤组成。

一种环形区域测温装置，包括工控机、光纤拉曼温度传感器，光纤拉曼温度传感器中的数据采集卡与工控机相连，数据采集卡将接收到的4路拉曼散射信号经USB总线上传至工控机，其特征在于所述光纤拉曼温度传感器采用上述远程分布式光纤拉曼温度传感器。

一种利用上述远程分布式光纤拉曼温度传感器对环形区域进行测温的方法，其特征在于利用脉冲激光器输出的光信号经1×2耦合器分为两路输出，输出的信号分别经两条测温光路中的波分复用器进入该测温光路中的传感光纤，并同时传输各路的后向散射反斯托克斯和斯托克斯散射光信号，利用波分复用器和光电接收模块接收后向光信号，并将反斯托克斯和斯托克斯散射光信号转换为相应的反斯托克斯和斯托克斯电信号，根据反斯托克斯与斯托克斯电信号强度比与温度成正比的关系将两路传感光纤上的信号强度计算出相应两路光纤所处位置处的温度信息，最终将测得的两条温度数据曲线末端相连即组成了一条环形区域的温度数据曲线。

本发明在工作时，脉冲光纤激光器在数据采集卡的控制下输出的激光脉冲信号经1×2耦合器分成50：50的脉冲信号，分别进入两条测温光路的波分复用器的输入端，并从波分复用器的com端进入传感光纤，从传感光纤散射回来的背向拉曼信号分别经波分复用器的不同波长的输出端口输出，并经相应的光电接收模块获取后，进入数据采集卡，也即数据采集卡可以获得环形测温环境下的4路拉曼散射信号，由数据采集卡将4路拉曼散射信号传给工控机。工控机分别计算两路反斯托克斯光和斯托克斯光光电强度的比值，得出光纤各段的温度信息，并根据光时域反射技术进行定位。工控机根据现场光纤的前后以及计算的各段温度信息，将两次温度曲线合二为一构成一个环形光路，实现低成本、结构简单的测温传感器，从而完成对环形测温环境的温度测量，在此过程中，数据采集卡所采集的测温信息能够克服传统光纤测温传感器所面临的测温距离受限的困难，进而有效提高测温准确度。

本发明提供的远程分布式光纤拉曼温度传感器采用1×2耦合器及环形光路结构实现对环形温度监测环境的实时监测，无需对昂贵的器件以及脉冲编码、双端测量、双光源乃至泵浦源等技术的依赖，通过对解析的两条温度曲线的融合实现了远程分布式光纤拉曼温度监测功能。本发明的传感器具有光纤两端指标优于中间指标的特点，相比于目前的其它远程分布式光纤拉曼温度传感器温度指标与距离成反比具有优势。

附图说明：

附图1是本发明中环形区域测温系统的结构示意图。

附图2是本发明中光纤拉曼温度传感器的结构示意图。

附图标记：脉冲光纤激光器1、1×2耦合器2、波分复用器3、波分复用器4、传感光纤5、传感光纤6、光电接收模块7、光电接收模块8、光电接收模块9、光电接收模块10、数据采集卡11、工控机12。

具体实施方式：

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如附图2所示，本发明提出了一种远程分布式光纤拉曼温度传感器，包括脉冲光纤激光器1、1×2耦合器2、波分复用器、传感光纤、光电接收模块以及数据采集卡11，脉冲激光器1与数据采集卡11相连接，其中设有两条用于环形测温的测温光路，脉冲光纤激光器1发出的信号经1×2耦合器2分为两路后，分别经两条测温光路中的波分复用器即波分复用器3和波分复用器4进入与该波分复用器相连接的传感光纤，即传感光纤5和传感光纤6中，两根传感光纤的末端间距小于系统空间分辨率的一半，每条光路中均设有一组分别用于接收背向拉曼反斯托克斯和斯托克斯散射信号的光电接收模块，如附图2所示，则分别为光电接收模块7、光电接收模块8、光电接收模块9以及光电接收模块10，上述光电接收模块的输出端与数据采集卡11的输入端相连接，其中两条测温光路，由波分复用器、与波分复用器相连接的一组分别用于接收传感光纤中背向拉曼反斯托克斯和斯托克斯散射信号的光电接收模块，以及与波分复用器输出端相连接的传感光纤组成。

如附图1所示，本发明还提出一种环形区域测温装置，包括工控机12以及光纤拉曼温度传感器，光纤拉曼温度传感器中的数据采集卡11与工控机12相连，数据采集卡11将接收到的4路拉曼散射信号经USB总线上传至工控机12，其中所述光纤拉曼温度传感器采用上述远程分布式光纤拉曼温度传感器。

实施例：

一种环形区域测温系统，如附图1所示，包括脉冲光纤激光器1，1×2耦合器2，波分复用器3、波分复用器4，2根传感光纤分别为传感光纤5、传感光纤6，4个光电接收模块，分别为光电接收模块7、光电接收模块8、光电接收模块9、光电接收模块10，数据采集卡11以及工控机12，其中数据采集卡11的一路输出端与脉冲光纤激光器1的输入端相连，脉冲光纤激光器1输出的1550nm脉冲光与1×2耦合器2的输入端相连，1×2耦合器2的一路输出端与波分复用器3的1550nm输入端相连，波分复用器3的com输出端与传感光纤5相连，经传感光纤5产生的背向拉曼反斯托克斯和斯托克斯散射信号分从波分复用器3的1450nm和1660nm输出端口输出，且分别于光电接收模块7,光电接收模块9的输入端相连，1×2耦合器2的另一路输出端与波分复用器4的1550nm输入端相连，波分复用器4的com输出端与传感光纤6相连，经传感光纤6产生的背向拉曼反斯托克斯和斯托克斯散射信号分从波分复用器4的1450nm和1660nm输出端口输出，且分别于光电接收模块8,光电接收模块10的输入端相连，光电接收模块7、光电接收模块8、光电接收模块9、光电接收模块10的输出端与数据采集卡11的输入端相连，数据采集卡11的输出端与工控机12相连，传感光纤5的另一端与传感光纤6的另一端靠近，间距应小于系统空间分辨率的一半，其中所述脉冲光纤激光器，中心波长为1550nm，脉冲宽度10ns，重复频率10KHz，峰值功率20W，所述1×2耦合器，中心波长1550nm，分光比为50：50，插入损耗<0.7dB，所述的波分复用器由中心波长1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光宽带滤波片、中心波长1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光宽带滤波片和Rayleigh散射光滤波片构成，所述的数据采集卡，采样率为100MSPS，模拟输入通道数为4，ADC精度为12bits。

Claims

1.一种远程分布式光纤拉曼温度传感器，包括脉冲光纤激光器、1×2耦合器、波分复用器、传感光纤、光电接收模块以及数据采集卡，脉冲光纤激光器与数据采集卡相连接，其特征在于设有两条用于环形测温的测温光路，脉冲光纤激光器发出的信号经1×2耦合器分为两路后，分别经两条测温光路中的波分复用器进入与波分复用器相连接的传感光纤中，两根传感光纤的末端间距小于系统空间分辨率的二分之一，每条光路中均设有一组分别用于接收背向拉曼反斯托克斯和斯托克斯散射信号的光电接收模块，光电接收模块的输出端与数据采集卡的输入端相连接。

2.根据权利要求1所述的一种远程分布式光纤拉曼温度传感器，其特征在于所述两条测温光路，每一条测温光路均由波分复用器、与波分复用器相连接的一组分别用于接收传感光纤中背向拉曼反斯托克斯和斯托克斯散射信号的光电接收模块，以及与波分复用器输出端相连接的传感光纤组成。

3.一种环形区域测温装置，包括工控机、光纤拉曼温度传感器，光纤拉曼温度传感器中的数据采集卡与工控机相连，数据采集卡将接收到的4路拉曼散射信号经USB总线上传至工控机，其特征在于所述光纤拉曼温度传感器采用如权利要求2所述的远程分布式光纤拉曼温度传感器。

4.根据权利要求3所述的一种环形区域测温系统，其特征在于所述脉冲光纤激光器，中心波长为1550nm，脉冲宽度10ns，重复频率10KHz，峰值功率20W。

5.根据权利要求3所述的一种环形区域测温系统，其特征在于所述1×2耦合器，中心波长1550nm，分光比为50：50，插入损耗<0.7dB。

6.根据权利要求3所述的一种环形区域测温系统，其特征在于所述的波分复用器由中心波长1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光宽带滤波片、中心波长1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光宽带滤波片和Rayleigh散射光滤波片构成。

7.根据权利要求3所述的一种环形区域测温系统，其特征在于所述的数据采集卡，采样率为100MSPS，模拟输入通道数为4，ADC精度为12bits。

8.一种利用如权利要求1至2中任意一项所述的远程分布式光纤拉曼温度传感器对环形区域进行测温的方法，其特征在于利用脉冲激光器输出的光信号经1×2耦合器分为两路输出，输出的信号分别经两条测温光路中的波分复用器进入该测温光路中的传感光纤，并同时传输各路的后向散射反斯托克斯和斯托克斯散射光信号，利用波分复用器和光电接收模块接收后向光信号，并将反斯托克斯和斯托克斯散射光信号转换为相应的反斯托克斯和斯托克斯电信号，根据反斯托克斯与斯托克斯电信号强度比与温度成正比的关系将两路传感光纤上的信号强度计算出相应两路光纤所处位置处的温度信息，最终将测得的两条温度数据曲线末端相连即组成了一条环形区域的温度数据曲线。