CN103698046A - 温度测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种温度测量系统及方法，其中，温度测量系统包括：入射光发生装置，用于产生入射光；光波导装置，其被构造为与所述入射光发生装置相连接，用于接收所述入射光；散射光接收装置，其被构造为与所述光波导装置相连接，用于接收所述入射光在所述光波导装置中的散射光；信号处理装置，其被构造为与所述散射光接收装置相连接，用于根据所述散射光确定所述光波导装置中与所述散射光对应的第一位置的温度。本发明通过拉曼散射现象，对光波导装置的温度分布实现了精确地测量，相较于传统的电缆温度检测，本发明的检测速度将大幅提升，且排除了防爆问题，降低了成本。另外，本发明还提升了温度测量系统的寿命，扩展了可测距离。

Description

温度测量系统及方法

技术领域

本发明属于光学领域，尤其是一种利用光学进行温度测量的系统和方法。

背景技术

随着电力、化工产业的发展，对电力设备、化工设备的安全性要求也逐步提高。目前，在温度测量应用方面，感应电缆应用较为广泛。然而，在使用感应电缆进行测温时，往往有很多的局限性。譬如，电缆有防爆要求和风险，且电缆不可重复使用，泄漏发生后必须更换电缆。在测量温度时，通过电缆获取信息，然后确定位置与温度的匹配关系需要较长的时间。由于电缆需要供电，随着电缆长度的增加，其电力损失也相应地增加，进而限制了其检测的距离和精度。相应地，电缆的应用温度范围也较窄，往往处于-20～+60℃之间。

近年来，光纤传感器具有较大的发展，土木工程、电力工程、石化工程往往利用光纤传感器进行结构应变的检测，但利用光纤传感器进行测温，往往难以进行实际应用。

故急需一种能够通过光纤进行远距离精确测温的方法与系统。

发明内容

基于以上考虑，如果提出一种能够精确地实现远距离测温的系统将是非常有利的。

根据本发明的第一方面，提出了一种温度测量系统，包括：入射光发生装置，用于产生入射光；光波导装置，其被构造为与所述入射光发生装置相连接，用于接收所述入射光；散射光接收装置，其被构造为与所述光波导装置相连接，用于接收所述入射光在所述光波导装置中的散射光；信号处理装置，其被构造为与所述散射光接收装置相连接，用于根据所述散射光确定所述光波导装置中与所述散射光对应的第一位置的温度。

根据本发明的一个实施例，温度测量系统其特征在于，所述入射光发生装置为脉冲激光器，所述入射光为激光脉冲，其中，所述激光脉冲的中心波长为480nm至1200nm。

如此，将使得温度测量更加精确，提升分辨率和准确率。

在依据本发明的一个实施例中，所述光波导装置为光纤。

在依据本发明的一个实施例中，所述光纤包含于不锈钢保护管中，所述不锈钢保护管周围均匀分布多根不锈钢丝且所述多根不锈钢丝包含于不锈钢外壳中。

如此，可以提升光纤的可靠性，使得光纤不易被外力损坏，且防火、防爆。

在依据本发明的一个实施例中，所述信号处理装置用于根据所述散射光的信号强度确定所述第一位置的温度。

在依据本发明的一个实施例中，所述第一位置由所述入射光的产生时间、所述散射光被所述散射光接收装置接收的时间以及所述散射光的折射率确定。

在依据本发明的一个实施例中，所述散射光为所述入射光在所述光波导装置中的拉曼散射光谱。

根据本发明的另一方面，还提出了一种温度测量方法，包括：(a)产生入射光，并将所述入射光发送至光波导装置；(b)接收所述入射光在所述光波导装置中的散射光，并根据所述散射光确定所述光波导装置中与所述散射光对应的第一位置的温度。

在依据本发明的一个实施例中，步骤(b)中还包括：根据所述入射光产生时间、所述散射光被接收的时间以及所述光波导装置的折射率确定所述第一位置，根据所述第一位置的散射光强度确定所述第一位置的温度。

在依据本发明的一个实施例中，所述入射光为激光脉冲，所述散射光为所述入射光在所述光波导装置中的拉曼散射光谱。

本发明通过拉曼散射现象，对光波导装置的温度分布实现了精确地测量，相较于传统的电缆温度检测，本发明的检测速度将大幅提升，且排除了防爆问题，降低了成本。另外，本发明还提升了温度测量系统的寿命，扩展了可测距离。

本发明的各个方面将通过下文中的具体实施例的说明而更加清晰。

附图说明

通过参照附图阅读以下所作的对非限制性实施例的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显。

图1示出了拉曼散射的特性图；

图2示出了依据本发明实施例的框图；

图3示出了依据本发明实施例的温度测量系统示意图。

在图中，贯穿不同的示图，相同或类似的附图标记表示相同或相似的装置(模块)或步骤。

具体实施方式

在以下优选的实施例的具体描述中，将参考构成本发明一部分的所附的附图。所附的附图通过示例的方式示出了能够实现本发明的特定的实施例。示例的实施例并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。可以理解，在不偏离本发明的范围的前提下，可以利用其他实施例，也可以进行结构性或者逻辑性的修改。因此，以下的具体描述并非限制性的，且本发明的范围由所附的权利要求所限定。

图1是光线在光导中发生拉曼散射的示意图。当发生拉曼散射时，散射光中频率小于入射光频率的谱线为斯托克斯波(STOKES)，频率大于入射光频率的谱线为反斯托克斯波(Anti-STOKES)，其中，斯托克斯波与反斯托克斯波对称地分布在瑞利波(与入射光频率相同的谱线)的两侧。由于反斯托克斯波的强度和温度有关，而斯托克斯波与温度无关，则确定光波导装置内一点的反斯托克斯光和斯托克斯光强度之间的对应关系后，便可得到这一点的温度，即实现位置与温度的匹配。

图2示出了本发明的一个实施例的温度测量系统的架构图。

图2所示的温度测量系统包括入射光发生装置11、光波导装置12、散射光接收装置13和信号处理装置14。

入射光发生装置11的输出端耦合至光波导装置12，用于产生入射光，并发送至光波导装置12。特别地，入射光发生装置11为脉冲激光器，入射光为激光脉冲，激光脉冲的中心波长为480nm至1200nm。

当光波导装置12接收到入射光后，入射光将在光波导装置12中产生反射以及拉曼散射现象，从而产生回射光。因此，会射光包含反射光和散射光谱，其中，散射光谱中包含斯托克斯波和反斯托克斯波。

散射光接收装置13包含滤光设备，通过该滤光设备，可以滤除反射光，读取散射光谱。散射光接收装置13耦合至光波导装置12，接收包含斯托克斯波、反斯托克斯波的散射光谱。信号处理装置14耦合至散射光接收装置13，用于根据接收到的散射光确定用于根据散射光确定光波导装置12中与每束散射光对应的位置的温度。

本领域技术人员能够理解的是，图2中仅示出了对于理解本发明必要的装置，温度测量系统还可能包括其他装置，例如存储装置、光谱分析装置、人机界面等等。通过存储装置可以存储一定时间段的温度数据，通过光谱分析装置可以分析指定的光谱，通过人机界面可以实现与温度测量系统的人机交互。

下面结合本发明的具体实施例对确定每束散射光对应的光波导装置的过程以及该点的温度进行详述。

图3为本发明的具体实施例示意图。温度测量系统包括激光发生器21，光纤22，散射光接收器23，信号处理单元24以及人机界面25。激光发生器21连接或接近光纤22，以使得激光发生器21发射的激光脉冲能够传输至光纤22。当激光脉冲进入光纤22后，随之将发生多种散射、反射现象，其中包括拉曼散射现象。散射光接收器23耦合至光纤22，用于接收来自光纤22的回射光，并读取回射光中的拉曼散射光谱，并将拉曼散射光谱转换至电信号。信号处理单元24耦合至散射光接收器23，用于接收散射光接收器23根据拉曼散射光谱所产生的电信号，并根据该电信号分析得到光纤22中的温度分布。人机界面25与信号处理单元24通信连接，用于接收并查看信号处理单元24的处理数据，即光纤22的温度分布。由于激光发生器21持续向光纤22发射激光脉冲，因此散射光接收器23可以连续读取光纤22中的拉曼散射光谱，进而得到光纤22的时域连续的温度分布。因此，人机界面25查看到的是在时域上连续的数据，当工作人员需要查看光纤22中某一点的实时或历史温度时，只需要在温度分布曲线25a中选中相应的点即可。

由于每个点的位置不同，其回射的散射光的接收时间也不同。以确定A、B两点的位置及温度为例。这里可知的是，A、B两点的间距应大于等于本实施例中温度测量系统的分辨率。

A点和散射光接收装置23的距离L_A可以近似表示为：

$L_A=\frac{1}{2}\·\frac{c\·t_A}{n}---\left(1\right)$

其中，n为光纤22的折射率，c为光速，t_A为入射光的发射时间与散射光接收装置23接收到散射光的时间之差。同样，可以确定B点和散射光接收装置23的距离L_B。因此，通过激光发生器21的发射激光脉冲时间、散射光接收装置23接收散射波时间、以及光纤22的折射率即可确定A、B两点的位置。

由拉曼散射效应可知，每束入射光均对应着一对斯托克斯波和反斯托克斯波，且仅反斯托克斯波与温度变化有关。A点的温度T_A与该点的斯托克斯波、反斯托克斯波的强度存在对应关系，可以表示为：

$T_A=f\left(\frac{I_{A+}}{I_{A-}}\right)---\left(2\right)$

其中，I_A+为A点的斯托克斯波的强度，I_A-为A点的反斯托克斯波的强度。同样，B点的温度也可以由B点的斯托克斯波的强度和反斯托克斯波的强度确定。由于光纤22中的一段或者全部可能处于同一温度下，因此A、B两点的温度有相同的可能，即T_A等于T_B。

更具体地，拉曼散射信号的强弱与温度的关系可以表示为：

$S(T,l)=A\frac{\exp (-\mathrm{\α}\·l)}{\exp \left(\frac{\mathrm{h\Δv}}{\mathrm{kT}\left(l\right)}\right)-1}---\left(3\right)$

其中，S为测量点散射信号的强度；α为入射光束与反射光束在方向上变化的函数关系；Δv为入射光与散射光(回射光)因为不同环境、介质所造成的光速变化，可表示为Δv＝v₁-v₂，v₁为入射光速，v₂为散射光速；l为散射光的波长；T(l)表示温度T与散射光的波长l也存在相应的函数关系；k为玻尔兹曼常数(Boltzmann constant)；h为普朗克常数(Planck constant)；A为补偿系数，其值一般为0.55至0.9。通过上式可知，温度T、散射光的波长l相互影响。。

当需要对多个化工、核电等设备进行测量时，可以将光纤22铺设在待测区域，每个光纤22均对应着一个散射光接收器23。激光发生器21同时向多个光纤22发射激光脉冲。为了能够实现信号处理单元24能够与多个散射光接收器23通信，可以通过路由装置将散射光接收器23连接，从而可以将温度数据发送至共同的信号处理单元24。工作人员通过人机界面25，可以同时观察多个区域的温度。

优选的，温度测量系统还包括报警装置，该报警装置与信号处理单元24通信连接。当某区域铺设的光纤22出现温度异常，即该区域的温度高于第一阈值或低于第二阈值时，报警装置将发送包含位置和／或温度的报警信息至人机界面，从而使得工作人员能够快速确定温度异常区域。

优选的，光纤22包含于不锈钢保护管中，不锈钢保护管周围均匀分布多根不锈钢丝且多根不锈钢丝包含于不锈钢外壳中。如此，可以提升光纤的可靠性，使得光纤不易被外力损坏，且防火、防爆。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论如何来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的。此外，明显的，“包括”一词不排除其他元素和步骤，并且措辞“一个”不排除复数。装置权利要求中陈述的多个元件也可以由一个元件来实现。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

Claims (10)

1.一种温度测量系统，包括：

入射光发生装置，用于产生入射光；

光波导装置，其被构造为与所述入射光发生装置相连接，用于接收所述入射光；

散射光接收装置，其被构造为与所述光波导装置相连接，用于接收所述入射光在所述光波导装置中的散射光；

信号处理装置，其被构造为与所述散射光接收装置相连接，用于根据所述散射光确定所述光波导装置中与所述散射光对应的第一位置的温度。

2.根据权利要求1所述的温度测量系统，其特征在于，所述入射光发生装置为脉冲激光器，所述入射光为激光脉冲，其中，所述激光脉冲的中心波长为480nm至1200nm。

3.根据权利要求1所述的温度测量系统，其特征在于，所述光波导装置为光纤。

4.根据权利要求3所述的温度测量系统，其特征在于，所述光纤包含于不锈钢保护管中，所述不锈钢保护管周围均匀分布多根不锈钢丝且所述多根不锈钢丝包含于不锈钢外壳中。

5.根据权利要求1所述的温度测量系统，其特征在于，所述信号处理装置用于根据所述散射光的信号强度确定所述第一位置的温度。

6.根据权利要求5所述的温度测量系统，其特征在于，所述第一位置由所述入射光的产生时间、所述散射光被所述散射光接收装置接收的时间以及所述散射光的折射率确定。

7.根据权利要求1至6任一项所述的温度测量系统，其特征在于，所述散射光为所述入射光在所述光波导装置中的拉曼散射光谱。

8.一种温度测量方法，包括：

(a)产生入射光，并将所述入射光发送至光波导装置；

(b)接收所述入射光在所述光波导装置中的散射光，并根据所述散射光确定所述光波导装置中与所述散射光对应的第一位置的温度。

9.根据权利要求8所述的温度测量方法，其特征在于，步骤(b)中还包括：

根据所述入射光产生时间、所述散射光被接收的时间以及所述光波导装置的折射率确定所述第一位置，根据所述第一位置的散射光强度确定所述第一位置的温度。

10.根据权利要求7所述的温度测量方法，其特征在于，所述入射光为激光脉冲，所述散射光为所述入射光在所述光波导装置中的拉曼散射光谱。

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