CN103353359B - 分布式感温光纤一点校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及分布式感温光纤一点校准方法，其包括机内光纤标定步骤、检验光纤标定步骤和探测光纤标定步骤。探测光纤标定步骤为：将探测光纤与光纤槽的机内光纤连接，于起始点外20米处设置一现场探测点，并将现场探测点加热恒温至一测量温度，接着用热电偶测量现场探测点的温度值，利用分布式感温光纤测量装置测量现场探测点的温度值，计算分布式感温光纤测量装置测量得到的现场探测点的温度值与热电偶测量得到的现场探测点的温度值的差值eb，得到探测光纤的温度曲线为T_外=k2*（a1*L1²+k1*L1）+b1+eb，校准完成。本发明通过调整APD工作的高压方法使光纤槽内段的原始曲线恒定，解决了时间漂移及激光器老化等现象。

Description

分布式感温光纤一点校准方法

技术领域

本发明涉及分布式感温光纤校准方法。

背景技术

在科研和工程技术中，有许多场合需要确定温度的分布,例如长距离输油管道、隧道、电力电缆等管道的沿线温度场分布，大型电力变压器内部的温度场分布等。分布式光纤温度传感器可实现沿光纤连续分布的温度场的分布式测量，测量用光纤的跨距可达十公里，空间分辨率高、误差小，与单点、多点准分布测量相比具有较高的性价比。

光纤的温度传感原理的主要依据是光纤的光时域反射(OTDR:Optical Time Domain Reflectometry)原理以及光纤的背向喇曼散射(Raman Scattering)温度效应。如图1所示，目前的分布式感温光纤测量装置由光纤槽、双向耦合器、分光器、激光器、APD（雪崩光电二极管）、放大电路、激光器、同步控制器、双通道数据采集卡和计算机构成，光纤槽内安装有机内光纤和高精度温度感应芯片，使用时，机外光纤通过光纤槽与机内光纤连接。当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时，这个光脉冲沿着光纤向前传播，因光纤内壁类似镜子，故光脉冲在传播中的每一点都会产生反射，反射之中有一小部分的反射光，其方向正好与入射光的方向相反（亦可称为背向）。这种背向反射光的强度与光线中的反射点的温度有一定的相关关系。反射点的温度（该点的光纤的环境温度）越高，反射光的强度也越大。也就是说，背向反射光的强度可以反映出反射点的温度。利用这个现象，若能测量出背向反射光的强度，就可以计算出反射点的温度，这就是利用光纤测量温度的基本原理。

如用公式来表达:当频率为v_o的激光入射到光纤中，它在光纤中传输的同时不断产生后向散射光波，这些后向散射光波中除有一与入射光频率v_o相同的很强的中心谱线之外，在其两侧，还存在着（v_o-Δv）及（v_o+Δv）的两条谱线。中心谱线为瑞利散射谱线，低频一侧频率（v_o-Δv）波长为λ_s的谱线称为斯托克斯线（stokes）；高频一侧频率为（v_o+Δv）波长为λ_a的谱线，称为反斯托克斯线（Anti-stokes）。

根据喇曼散射理论，在自然喇曼散射条件下，反斯托克斯光I_a强于斯托克斯光强I_s的比值R(r)为：

R(r)=I_a/I_s=(λ_s/λ_a)⁴exp(-hcv₀/kT)    （1）

（1）式中，h为普朗克常数；c为真空中的光速；k为波尔兹曼常数；T为绝对温度。

实际的测量中，这两种不同波长光的衰减差异和探测器对这两种光的响应差异，要通过设定定标区来消除，定标区设置在光纤的前20m，把它放入恒温箱作为参考光纤，设置其温度为T₀，则 $\frac{R\left(T\right)}{R\left(T_0\right)}=\exp [-\frac{{\mathrm{hcv}}_0}{k}(\frac{1}{T_0}-\frac{1}{T})]---\left(2\right)$

同样其它点的定标在需要现场进行中点、终端两个探测点进行温度校准这样在中点、终端的温度校准会受到现场的限制比如地铁廊道由于列车的运行，人员进入会危险。有些地方人员进入困难，即使可以进入也要走好几公里路程。测温系统标定之后，通过测定R(T)就可确定沿光纤各测量点的温度值。

根据（1）式，如果光纤处于相同的温度下，（1）式从理论上在没有校准时应该是一条水平的直线，由于每条光纤在制造中存在诸多因素，其温度特性及均匀性不同，以及电路、光路的非线性、分散性，会呈现出距离（米）随温度（℃）的曲线每条光纤不一样，通过理论和实践证明，是由于光在光纤中传输时的色散及损耗造成的，在随着距离的增加这种温度曲线造成上偏或下偏，温度曲线的弯曲是机内放大器及分光器、激光器、APD器件的非线性造成的，这样需要将光纤进行随距离的温度校准，使光纤处于相同的温度下曲线变为一条直线。光路和电路部分如，激光器、分光器、APD、放大器等光电器件容易受温度影响或随时间逐步老化，即使在定标后一段时间后会产生温度测量，使温度测量误差变大。

根据上述情况，申请号为201210446739.6的中国发明申请公开了一种实时校准的分布式光纤测温校准方法，其需要对测量装置进行改造，测量装置的内部结构复杂，设置高温恒温区和低温恒温区，并需利用光开关切换进行相邻通道温度比较，来实现实时校准漂移。

发明内容

本发明的目的在于提出一种分布式感温光纤一点校准方法，其无需对传统的分布式感温光纤测量装置进行改造，就能实现一点校准。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

分布式感温光纤一点校准方法，其应用于分布式感温光纤测量装置中，其包括以下步骤：

步骤1、将检验光纤与光纤槽的机内光纤连接，检验光纤与机内光纤的连接点作为起始点，检验光纤的总长度与探测现场的探测光纤的总长度相等；接着将检验光纤绕制在一圆柱体上，在常温下，利用分布式感温光纤测量装置测量出检验光纤上各点的温度值，并将检验光纤上各点的温度值按照公式T_外=a1*L1²+k1*L1+b1进行拟合，得到检验光纤的温度曲线，其中，T_外为拟合后检验光纤上各点的温度值，L1为检验光纤上各点与起始点的距离值，a1、k1和b1均为检验光纤的温度曲线的系数；然后在检验光纤上选取3段抽头作为探测点，3段抽头分别记为始端、中点和终端，将3段抽头置于一恒温箱内，将恒温箱内的温度恒定在一高温值，所述高温值的取值范围为80℃以上，利用热电偶测量始端、中点和终端的温度值，并将热电偶测量得到的始端、中点和终端的温度值取平均得到一平均值A，利用分布式感温光纤测量装置测量始端、中点和终端的温度值，并将分布式感温光纤测量装置测量得到的始端、中点和终端的温度值取平均得到一平均值B，计算平均值B与平均值A的比值得到系数K2，并将检验光纤的温度曲线修正为T_外=k2*（a1*L1²+k1*L1）+b1，然后将检验光纤与光纤槽断开；

步骤2、于探测现场铺设探测光纤，将探测光纤与光纤槽的机内光纤连接，探测光纤与机内光纤的连接点作为起始点，于起始点外M米处设置一现场探测点，M>0，并将现场探测点加热恒温至一测量温度，所述测量温度的取值范围为80-100℃，接着用热电偶测量现场探测点的温度值，利用分布式感温光纤测量装置测量现场探测点的温度值，计算分布式感温光纤测量装置测量得到的现场探测点的温度值与热电偶测量得到的现场探测点的温度值的差值eb，得到探测光纤的温度曲线为T_外=k2*（a1*L1²+k1*L1）+b1+eb，校准完成。

优选的，在进行步骤1之前，还有以下步骤：

将机内光纤放入光纤槽内，测量出机内光纤上各点的温度值，并将机内光纤上各点的温度值按照公式T_内=a2*L2²+k2*L2+b2进行拟合，得到机内光纤的温度曲线，其中，光纤槽处于常温下，T_内为拟合后机内光纤上各点的温度值，L2为机内光纤各点与其起始端的距离值，a2、k2和b2均为机内光纤的温度曲线的系数。进一步优选的，所述机内光纤为裸线，并将其盘绕成半径为10厘米、长为100米的线圈。

优选的，M=20。

优选的，所述现场探测点为半径为15厘米、长为3米的线圈。

由于反斯托克斯喇曼散射对温度的敏感系数比斯托克斯喇曼散射要大得多，将反斯托克斯喇曼散射用作信号通道，作为计算温度的主要依据。而斯托克斯喇曼散射通常被用作参考通道，用来消除尾端等衰减影响，这样两个信号的比值可以基本是一个常数，或者变化比较小的数。通过调整这些个参数，在出厂时接入光纤将温度曲线始端、中点、终端调平。

本发明具有如下有益效果：

由于测量装置内部无需设置参考温区，结构简单，无需利用光开关切换进行相邻通道温度比较，就可以准确将温度进行标定，而且测量装置可以在宽环境温度范围内（-10-40度）工作，其测量精度基本不受影响，通过调整APD工作的高压方法使光纤槽内段的原始曲线恒定，解决了时间漂移及激光器老化等现象。例如在5km的距离时准确度可达±1.5℃。

附图说明

图1为现有技术的分布式感温光纤测量装置的结构示意图；

图2为本发明较佳实施例的分布式感温光纤一点校准方法的流程图。

具体实施方式

下面，结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。

如图2所示，分布式感温光纤一点校准方法，其应用于分布式感温光纤测量装置中，其包括以下步骤：

步骤S01：进行机内光纤标定。

将机内光纤放入光纤槽内，所述机内光纤为裸线，并将其盘绕成半径为10厘米、长为100米的线圈。测量出机内光纤上各点的温度值，并将机内光纤上各点的温度值按照公式T_内=a2*L2²+k2*L2+b2进行拟合，得到机内光纤的温度曲线，其中，光纤槽处于常温下，T_内为拟合后机内光纤上各点的温度值（℃），L2为机内光纤各点与其起始端的距离值，a2、k2和b2均为机内光纤的温度曲线的系数，其与激光器、光路和APD的曲线特性有关。

步骤SO2：进行检验光纤标定，其在生产工厂内进行。

将检验光纤与光纤槽的机内光纤连接，检验光纤与机内光纤的连接点作为起始点（坐标0点），检验光纤的总长度需与探测现场的探测光纤的总长度相等。

接着将检验光纤绕制在一木制的圆柱体上，先在常温下测试整卷检验光纤的温度曲线。利用分布式感温光纤测量装置测量出检验光纤上各点的温度值，并将检验光纤上各点的温度值按照公式T_外=a1*L1²+k1*L1+b1进行拟合，得到检验光纤的温度曲线，其中，T_外为拟合后检验光纤上各点的温度值，L1为检验光纤上各点与起始点的距离值，a1、k1和b1均为检验光纤的温度曲线的系数。

接着做高温，进行满度标定。在检验光纤上选取3段抽头作为探测点，3段抽头分别记为始端、中点和终端，每段抽头长3米，并盘绕成小卷。将3段抽头置于一恒温箱内，将恒温箱内的温度恒定在一高温值，所述高温值的取值范围为80℃以上，本实施例的高温值优选为80℃。利用热电偶测量始端、中点和终端的温度值，并将热电偶测量得到的始端、中点和终端的温度值取平均得到一平均值A，利用分布式感温光纤测量装置测量始端、中点和终端的温度值，并将分布式感温光纤测量装置测量得到的始端、中点和终端的温度值取平均得到一平均值B，计算平均值B与平均值A的比值得到系数K2，并将检验光纤的温度曲线修正为T_外=k2*（a1*L1²+k1*L1）+b1，然后将检验光纤与光纤槽断开。

步骤S03：在探测现场进行探测光纤标定，该过程只需选取探测光纤上某一个比较方便的点作为探测点即可完成标定，十分方便。

于探测现场铺设探测光纤，通过光连接头将探测光纤与光纤槽的机内光纤连接，探测光纤与机内光纤的连接点作为起始点，于起始点外20米处设置一现场探测点，所述现场探测点为半径为15厘米、长为3米的线圈，并将现场探测点均匀加热恒温至一测量温度，所述测量温度的取值范围为80-100℃，本实施例的测量温度优选为80℃，接着用热电偶测量现场探测点的温度值，利用分布式感温光纤测量装置测量现场探测点的温度值，计算分布式感温光纤测量装置测量得到的现场探测点的温度值与热电偶测量得到的现场探测点的温度值的差值eb，得到探测光纤的温度曲线为T_外=k2*（a1*L1²+k1*L1）+b1+eb，并保存至计算机中，校准完成。

校准完成后，即可进行温度测量。在双通道数据采集卡的控制下，同步控制器发出同步触发脉冲，启动半导体激光器的驱动源，产生一个大电流的窄脉冲。该脉冲启动半导体激光器产生大电流的激光脉冲，激光脉冲被耦合进带有双向耦合器后进入一段在光纤槽中的光纤，然后进入传导光纤，再进入双向耦合器，一路为激光脉冲沿测温光纤向前传播的通道，另外两路分别为反斯托克斯喇曼信号通道和参考信号通道的回波通道。背向散射光经滤波器分离出带有温度信息的反斯托克斯喇曼背向散射光和参考信号背向散射光，这两个通道的背向散射光经各自的APD进行光电转换后，再由各自通道的放大器进行信号放大，经过采样速率为100MHz的高速模拟数字转换,再经过进行数据的累加平均，滤除掉各种噪声，最后通过USB把数据传送到计算机，存储在数据库中。数据处理和显示软件则对采集到的数据进行处理，最后得到温度的空间分布并以图形或表格形式显示出来。

对于本领域的技术人员来说，可根据以上描述的技术方案以及构思，做出其它各种相应的改变以及变形，而所有的这些改变以及变形都应该属于本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (5)

1.分布式感温光纤一点校准方法，其应用于分布式感温光纤测量装置中，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、将检验光纤与光纤槽的机内光纤连接，检验光纤与机内光纤的连接点作为起始点，检验光纤的总长度与探测现场的探测光纤的总长度相等；接着将检验光纤绕制在一圆柱体上，在常温下，利用分布式感温光纤测量装置测量出检验光纤上各点的温度值，并将检验光纤上各点的温度值按照公式T_外=a1*L1²+k1*L1+b1进行拟合，得到检验光纤的温度曲线，其中，T_外为拟合后检验光纤上各点的温度值，L1为检验光纤上各点与起始点的距离值，a1、k1和b1均为检验光纤的温度曲线的系数；然后在检验光纤上选取3段抽头作为探测点，3段抽头分别记为始端、中点和终端，将3段抽头置于一恒温箱内，将恒温箱内的温度恒定在一高温值，所述高温值的取值范围为80℃以上，利用热电偶测量始端、中点和终端的温度值，并将热电偶测量得到的始端、中点和终端的温度值取平均得到一平均值A，利用分布式感温光纤测量装置测量始端、中点和终端的温度值，并将分布式感温光纤测量装置测量得到的始端、中点和终端的温度值取平均得到一平均值B，计算平均值B与平均值A的比值得到系数K2，并将检验光纤的温度曲线修正为T_外=k2*（a1*L1²+k1*L1）+b1，然后将检验光纤与光纤槽断开；

步骤2、于探测现场铺设探测光纤，将探测光纤与光纤槽的机内光纤连接，探测光纤与机内光纤的连接点作为起始点，于起始点外M米处设置一现场探测点，M>0，并将现场探测点加热恒温至一测量温度，所述测量温度的取值范围为80-100℃，接着用热电偶测量现场探测点的温度值，利用分布式感温光纤测量装置测量现场探测点的温度值，计算分布式感温光纤测量装置测量得到的现场探测点的温度值与热电偶测量得到的现场探测点的温度值的差值eb，得到探测光纤的温度曲线为T_外=k2*（a1*L1²+k1*L1）+b1+eb，校准完成。

2.如权利要求1所述的分布式感温光纤一点校准方法，其特征在于，在进行步骤1之前，还有以下步骤：

将机内光纤放入光纤槽内，测量出机内光纤上各点的温度值，并将机内光纤上各点的温度值按照公式T_内=a2*L2²+k2*L2+b2进行拟合，得到机内光纤的温度曲线，其中，光纤槽处于常温下，T_内为拟合后机内光纤上各点的温度值，L2为机内光纤各点与其起始端的距离值，a2、k2和b2均为机内光纤的温度曲线的系数。

3.如权利要求2所述的分布式感温光纤一点校准方法，其特征在于，所述机内光纤为裸线，并将其盘绕成半径为10厘米、长为100米的线圈。

4.如权利要求1所述的分布式感温光纤一点校准方法，其特征在于，M=20。

5.如权利要求1所述的分布式感温光纤一点校准方法，其特征在于，所述现场探测点为半径为15厘米、长为3米的线圈。