CN102901583A - 一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的分布式测温系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的分布式测温系统，包括光源、耦合器、敏感光纤、光电探测器、驱动电路、探测电路和计算机；驱动电路对光源进行驱动，光源发出脉冲光，脉冲光进入耦合器，耦合器的输出光纤连接敏感光纤，光纤的背向散射和反射光信号通过耦合器输出至光电探测器，光电探测器对光信号进行测量，输出至探测电路，探测电路将探测到的光信号转化为电信号并进行放大处理，传输至计算机，计算机进行实时数据处理和显示。本发明的敏感光纤是经过辐照和退火处理的光纤，具有体积小、重量轻、结构灵活，抗电磁干扰、电绝缘的优点，其衰减对温度有稳定的依赖关系，可用于具有高电压、大电流、强电磁干扰和空间狭小等的电力系统温度测量，隧道火灾预警和石油开采井下温度监测等领域。

Description

一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的分布式测温系统

技术领域

本发明涉及了一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的分布式测温系统，属于温度测量技术领域。

背景技术

温度是科学技术中最基本的物理量之一，也是工业生产中最普遍最重要的参数之一。温度检测在现代工业系统和工程应用中占有十分重要的地位。以热电偶、铂合金和半导体为代表的传统温度传感器以原理简单、成本低、精度高的优点在多年前就获得了广泛的应用，在许多场合起着不可替代的作用。但是在有电磁干扰或易燃易爆的某些恶劣环境下，基于电信号测量的传统温度传感器受到很大的限制，甚至无法工作。

光纤自20世纪70年代问世以来，随着科学技术的发展,涌现了许许多多的光纤温度传感器。光纤具有体积小、重量轻、结构灵活，抗电磁干扰、电绝缘的优点，而且易于实现远距离遥感与分布式传感。根据传感过程中光纤是否充当敏感元件，光纤温度传感器分为“传感型”和“传光型”两大类，前者的光纤既“传”又“感”，后者的光纤只起到传输信号的作用。结合光纤可“传”可“感”的特点，将多个分布在不同地点的传感器用光纤连接起来，组成传感网络，可实现光纤分布式温度测量。目前，基于光纤Bragg光栅（FBG）的光频域分析技术（OFDR）、基于光纤布里渊光时域分析技术（BOTDAR）和基于光纤拉曼(Raman)光时域分析技术（ROTDR）等分布式光纤温度传感系统已经在桥梁大坝等健康监测、电力系统温度测量、隧道火灾预警和石油开采井下温度监测等领域中发挥显著作用。

其中，基于FBG的分布式温度传感系统是在一根光纤上制作多个光栅，通过光纤特征波长随温度的漂移实现温度的准分布式测量。该方法测量灵敏度较高，但传感元件——光纤光栅的制作工艺复杂；采用波长调制导致解调系统复杂，且成本较高。另外，FBG往往对应力和温度同时敏感，大大降低了系统的可靠性，需要特殊的分离补偿技术。

光在光纤中的播过程中会发生散射，主要的散射光有三种，瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射。Rayleigh散射与入射光频率相同，但其能量最大；Brillouin散射光和Raman散射光较入射光发生一定频移，Brillouin频移与光纤所受应变和温度变化有关，Raman散射光只与光纤所受温度变化有关。光纤布里渊光时域分析技术是一种传输线就是传感器的传感监测方法，它的出现长距离温度监测提供了可能。在传感领域，光纤布里渊光时域分析技术是通过对信号光在光纤传输过程中的布里渊背向散射光的光强和频率，进而分析得到温度信息。BOTDAR全分布式传感技术经过十余年的研究取得了一些成果积累，并且在一些大型、超大型结构中得到了很好的测试效果，但距离实际应用还存在一定距离，主要存在以下一些问题，首先布里渊应变传感器应用最多的是紧套光纤，这种结构的传感器工程现场成活率低，也存在空间分辨率较低，精度较差，采样时间较长等缺点。

发明内容

本发明的目的是为了解决上述问题，实现温度场的分布测量，提出了一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性，利用光时域反射技术实现分布传感的分布式测温的系统。

一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的分布式测温系统，包括光源、耦合器、敏感光纤、光电探测器、驱动电路、探测电路和计算机；

驱动电路对光源进行驱动，光源发出脉冲光，脉冲光进入耦合器，耦合器的输出光纤连接敏感光纤，在光纤中存在锐利散射，光纤连接处存在反射，光纤的背向散射和反射光信号通过耦合器输出至光电探测器，光电探测器对光信号进行测量，输出至探测电路，探测电路将探测到的光信号转化为电信号并进行放大处理，传输至计算机，计算机进行实时数据处理和显示，计算机还可用于控制光源驱动。

一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的分布式测温系统，包括光源、耦合器、敏感光纤、光电探测器、驱动电路、探测电路和计算机；

驱动电路对光源进行驱动，光源发出脉冲光，脉冲光进入耦合器，N段敏感光纤熔接在耦合器的输出光纤，在光纤中存在锐利散射，光纤连接处存在反射，光纤的背向散射和反射光信号通过耦合器输出至光电探测器，光电探测器对光信号进行测量，输出至探测电路，探测电路将探测到的光信号转化为电信号并进行放大处理，传输至计算机，计算机进行实时数据处理和显示，计算机还可用于控制光源驱动。

本发明的优点在于：

（1）本发明的敏感元件是光纤，具有体积小、重量轻、结构灵活，抗电磁干扰、电绝缘的优点，可用于具有高电压、大电流、强电磁干扰和空间狭小等的电力系统温度测量，隧道火灾预警和石油开采井下温度监测等领域；

（2）本发明是利用辐射导致的光纤中色心对光吸收的温度依赖性进行传感，而色心光吸收本质上不受应力等其他因素影响，具有很强的抗干扰能力；

（3）本发明的温度测量是基于光纤强度调制型温度传感，原理简单，且能够获得较高分辨率本可以根据实际需求，利用光时域反射技术实现温度分布或准分布测量；

（4）本发明采用瑞利散射作为感应信号，而瑞利散射强度比布里渊散射和拉曼散射高出至少2个量级，在本方案种信号的强度主要取决于感应光纤的辐射致衰减。

附图说明

图1是本发明第一种方案的结构示意图；

图2是本发明第二种方案的结构示意图；

图3是本发明的敏感光纤的制作流程图；

图4是本发明的背向散射示意图。

图中：

1—光源        2—耦合器        3—敏感光纤

4—光电探测器  5—驱动电路      6—探测电路

7—计算机

具体实施方式

下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。

本发明是一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的分布式测温系统，有二种实施方式：

第一种如图1所示，包括用于提供脉冲光的光源1、用于光通信的耦合器2、用于感应温度的敏感光纤3、用于测量光信号的光电探测器4、用于驱动光源的驱动电路5、用于处理探测信号的探测电路6，以及用于控制光源驱动、数据处理和显示的计算机7。

驱动电路5对光源1进行驱动，光源1发出脉冲光，脉冲光进入耦合器2，耦合器2的输出光纤连接敏感光纤3，在光纤中存在锐利散射，光纤连接处存在反射，光纤的背向散射和反射光信号通过耦合器2输出至光电探测器4，光电探测器4对光信号进行测量，输出至探测电路6，探测电路6将探测到的光信号转化为电信号并进行放大处理，传输至计算机7，计算机7进行实施处理和显示。

第二种如图2所示，包括用于提供脉冲光的光源1、用于光通信的耦合器2、用于感应温度的敏感光纤3、用于测量光信号的光电探测器4、用于驱动光源的驱动电路5、用于处理探测信号的探测电路6，以及用于控制光源驱动、数据处理和显示的计算机7。

驱动电路5对光源1进行驱动，光源1发出脉冲光，脉冲光进入耦合器2，N段敏感光纤3熔接在耦合器2的输出光纤，在光纤中存在锐利散射，光纤连接处存在反射，光纤的背向散射和反射光信号通过耦合器2输出至光电探测器4，光电探测器4对光信号进行测量，输出至探测电路6，探测电路6将探测到的光信号转化为电信号并进行放大处理，传输至计算机7，计算机7进行实施处理和显示。

所述的光源1为高功率脉冲光源，光源波长可以根据实际进行选择通信常用波段（1550nm，1310nm或850nm），以降低光纤和相关器件的成本，也可以根据敏感光纤特性和测量感应度的要求，选择工作波长在400~2000nm的任一可实现光源。

所述的敏感光纤3即本发明的敏感元件，为经过辐照并退火处理的光纤，敏感光纤3的温度测量是基于光纤辐射致衰减的温度依赖性，主要利用了经过辐照处理的光纤衰减与温度的对应关系。在辐照条件下，辐射粒子与光纤相互作用，会导致光纤中产生所谓的“色心”。色心是一种带有效电荷的特殊点缺陷，它能束缚电子和空穴，引起晶体中的电子或空穴激发，从而产生光吸收，其吸收光谱从紫外区域延伸到红外区域。由于光纤本身的非晶体结构，即使在辐照后，这种色心也能稳定的存在于光纤中。在脱离高能粒子辐照条件下，色心跃迁吸收的上下能级粒子数遵从麦克斯韦-玻尔兹曼分布，该分布存在温度项，而且温度依赖关系稳定。当温度变化时，色心在单一光吸收的强度会发生变化，导致光纤的衰减（即辐射引起的衰减）也会随温度变化。实验证明，经过辐照并适当处理的光纤的衰减和温度有稳定而单调依赖关系，通过光纤衰减测量系统实时监测该温度敏感光纤的衰减，实现温度的测量。

所述的敏感光纤3的制作过程如图3所示，首先，选取与光源1匹配的光纤作为原材料，例如选择工作波长为1310nm的光源和磷掺杂光纤；其次，对选取的光纤原材料进行辐照处理，辐照源可以采用价格实惠的60Co—γ辐射源等；第三，对辐照后的光纤进行高温等一系列退火处理至光纤的衰减在整个工作温度范围内的温度依赖性保持稳定，即温度变化的条件下，光纤衰减随温度变化的对应关系不变；例如，选择的温度测量范围为0~60℃，那么选择的退火温度应高于60℃，如70℃或80℃，最后，根据实际要求，将上述步骤处理过的光纤绕制成特定形状，从而得到衰减稳定特性稳定的敏感光纤3，例如，在重点监测的区域可以讲光纤绕制成环状，以增加该区域敏感光纤的长度，从而增加该区域敏感光纤的温度敏感性。

本发明中光源1发出的光是脉冲光信号，光在光纤中的传播速度为c/n，在光纤中不同长度处散射的光信号返回到探测器的时间t不同，则测量点到探测电路6的距离L为：

$L=\frac{\mathrm{ct}}{2n}---\left(1\right)$

其中n为光纤的折射率，c是光在真空中的速度。不同距离L处的散射光到底探测器的时间不同，因此，本发明采用光时域反射技术实现了光纤分布式温度测量。

光纤的散射主要是瑞利散射。瑞利散射是由光纤纤芯材料的微小颗粒或者气孔等结构不均匀性引起的。不均匀材料的尺寸远小于光波长，是无法消除的。散射在整个光纤空间中都存在功率分布，也存在沿光纤轴向向前或向后的散射，通常称沿轴向向后的散射为背向散射，如图4所示。由于瑞利散射的光波长与入射光波长相同，其光功率与散射点的入射光功率成正比，因此可以通过测量沿光纤轴向反射的背向散射光功率就可以获得光沿光纤传输的衰减信息，从而对光纤衰减进行测量，即所谓的光时域反射技术。

对于敏感光纤3中的某一小段光纤，由于经过辐照并退火的光纤衰减具有稳定而单调的温度依赖性，当该点温度变化时，此处光衰减会随温度单调变化，导致该点入射功率发生明显变化。由于背向散射（主要是锐利散射）光强度与该点的入射光强成正比，因此，该段的背向散射光强也会随温度产生变化。另外，该段散射光在背向传播时，也会由于该段光纤色心吸收而进一步衰减，使信号量加倍，最终导致探测器接受到的光信号强度发生明显变化。本发明就是根据探测光强来对温度进行定量测量的。

第二种方案中，与上述分布式测量原理相似，由于采用的敏感光纤具有强烈的温度依赖性，当敏感光纤中的某一段敏感光纤处的温度发生变化时，该段光纤的衰减会发生相应变化，导致背向散射光强改变。利用时域反射技术，根据探测器接收到的背向散射光强变化，从而确定被测点温度的变化。而反射点的位置则根据2所述散射光到底探测器的时间来确定。

由于该方案实际是一根光纤上的多点测量，实际是准分布式串行温度测量，适用于多点分布测量的应用背景。

本发明提出了一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性和光时域反射技术的分布式光纤测温系统，具有以下特点：第一，本发明的温度测量是基于光纤强度调制型温度传感，原理简单，且能够获得较高分辨率；第二，本发明采用的敏感光纤的制作原料可以选取是普通单模通信光纤，只需通过简单的辐照处理的方法进行加工，并适当退火后制作而成，而且敏感光纤的感应度可以通过辐照总剂量等根据实际需要进行调整；第三，本发明是利用辐射导致的光纤中色心对光吸收的温度依赖性进行传感，而色心光吸收本质上不受应力等其他因素影响，具有很强的抗干扰能力；第四，本发明采用瑞利散射作为感应信号，而瑞利散射强度比布里渊散射和拉曼散射高出至少2个量级，在本方案种信号的强度主要取决于感应光纤的辐射致衰减；第五，本发明采用光时域反射技术进行光纤衰减分布测量以实现温度分布或准分布测量，可用于具有高电压、大电流、强电磁干扰和空间狭小等的电力系统温度测量，隧道火灾预警和石油开采井下温度监测等领域。

Claims (6)

1.一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的分布式测温系统，其特征在于，包括光源、耦合器、敏感光纤、光电探测器、驱动电路、探测电路和计算机；

驱动电路对光源进行驱动，光源发出脉冲光，脉冲光进入耦合器，耦合器的输出光纤连接敏感光纤，在光纤中存在锐利散射，光纤连接处存在反射，光纤的背向散射和反射光信号通过耦合器输出至光电探测器，光电探测器对光信号进行测量，输出至探测电路，探测电路将探测到的光信号转化为电信号并进行放大处理，传输至计算机，计算机进行实时数据处理和显示，计算机还用于控制光源驱动。

2.根据权利要去1所述的一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的分布式测温系统，其特征在于，所述的光源为高功率脉冲光源，光源波长根据实际进行选择通信常用波段。

3.根据权利要去1所述的一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的分布式测温系统，其特征在于，所述的敏感光纤具体为，首先，选取与光源匹配的光纤作为原材料，其次，对选取的光纤原材料进行辐照处理，第三，对辐照后的光纤进行退火处理，使光纤的衰减在整个工作温度范围内的温度依赖性保持稳定，即温度变化的条件下，光纤衰减随温度变化的对应关系不变，最后，根据实际要求，将上述步骤处理过的光纤绕制成特定形状。

4.一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的分布式测温系统，其特征在于，包括光源、耦合器、敏感光纤、光电探测器、驱动电路、探测电路和计算机；

驱动电路对光源进行驱动，光源发出脉冲光，脉冲光进入耦合器，N段敏感光纤熔接在耦合器的输出光纤，在光纤中存在锐利散射，光纤连接处存在反射，光纤的背向散射和反射光信号通过耦合器输出至光电探测器，光电探测器对光信号进行测量，输出至探测电路，探测电路将探测到的光信号转化为电信号并进行放大处理，传输至计算机，计算机进行实时数据处理和显示，计算机还可用于控制光源驱动。

5.根据权利要去1所述的一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的分布式测温系统，其特征在于，所述的光源为高功率脉冲光源，光源工作根据实际需要的测量感应度和选取的光纤的辐射致衰减的温度依赖性而定，不局限于某一波段。

6.根据权利要去1所述的一种基于光纤辐射致衰减温度依赖性的分布式测温系统，其特征在于，所述的敏感光纤具体为，首先，选取与光源匹配的光纤作为原材料，其次，对选取的光纤原材料进行辐照处理，第三，对辐照后的光纤进行退火处理，使光纤的衰减在整个工作温度范围内的温度依赖性保持稳定，即温度变化的条件下，光纤衰减随温度变化的对应关系不变，最后，根据实际要求，将上述步骤处理过的光纤绕制成特定形状。

Images