CN104483040A - 一种便携分布式光纤温度传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携分布式光纤温度传感器，包括一个便携式仪器箱体（11），便携式仪器箱体（11）内设有窄脉冲激光管及驱动板（1），窄脉冲激光管及驱动板（1）的输出端与波分复用器（2）的输入端相连，波分复用器（2）的一个输出端经定标光纤（8）后连接在便携式仪器箱体（11）外壳上的光纤转接器（3）上，光纤转接器（3）又与外部传感光纤（7）连接，波分复用器（2）的另一个输出端与光电转换模块（4）的输入端连接，光电转换模块（4）的输出端与信号处理模块（5）的输入端相连，信号处理模块（5）的输出端与ARM处理器模块（6）连接。

Description

一种便携分布式光纤温度传感器

技术领域

本发明涉及一种分布式光纤温度传感器，特别是一种基于拉曼散射原理的便携式的分布式光纤温度传感器。

背景技术

分布式光纤温度传感系统由主机和光纤两部分组成，其中主机的作用是信号处理和显示，光纤是传感器。主机发射脉冲激光到光纤中，脉冲光在光纤中传输的时候会发生拉曼散射，发出斯托克斯光和反斯托克斯光，其中反斯托克斯光对温度敏感，温度越高，强度越强，利用反斯托克斯的强度变化可以解调出温度变化。分布式光纤温度传感系统具有抗电磁干扰、本征安全、长寿命等特点，目前主要应用在在线监测领域，主要用于电力系统、电缆隧道火灾探测应用、石油输送管线或储罐泄漏监测等。

但是在一些特定的场合不需要长期对温度进行在线监测，如混凝土坝施工期间需要采取措施进行温度控制,减小坝体内温度梯度,防止裂缝,确保大坝安全,及时和准确地获得大坝混凝土结构内部的温度场信息是大体积混凝土施工控制的关键。施工结束后无需对温度进行实时监控。具体项目中，只需要采购传感光纤铺设在需要对温度进行检测的部分，租用分布式光纤温度传感主机到现场测试。传统分布式光纤温度传感主机一般内置工控机，采用斯托克斯和反斯托克斯双路解调，光学器件多，因此体积较大，且需要配置显示器、键盘、鼠标等才能使用。这就对分布式光纤温度传感主机提出了小型化、便携式、经济实惠、能耗低等需求。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种便携分布式光纤温度传感器。本发明的元器件精简、体积小、易于携带，可降低测温成本。

本发明的技术方案：一种便携分布式光纤温度传感器，其特点是：包括一个便携式仪器箱体，便携式仪器箱体内设有窄脉冲激光管及驱动板，窄脉冲激光管及驱动板的输出端与波分复用器的输入端相连，波分复用器的一个输出端经定标光纤后连接在便携式仪器箱体外壳上的光纤转接器上，光纤转接器又与外部传感光纤连接，波分复用器的另一个输出端与光电转换模块的输入端连接，光电转换模块的输出端与信号处理模块的输入端相连，信号处理模块的输出端与ARM处理器模块连接。

前述的便携分布式光纤温度传感器中，所述窄脉冲激光管及驱动板的窄脉冲激光管波长为1550nm，波分复用器工作范围1400nm～1600nm，滤波范围为1450nm±10nm。

前述的便携分布式光纤温度传感器中，所述便携式仪器箱体上设有：LCD显示屏，用来显示人机交互界面；按键，用来进行控制操作；和指示灯，用来指示系统工作状态。

前述的便携分布式光纤温度传感器中，所述ARM处理器模块从波分复用器处得到反斯托克斯光的光强数据，然后将外部传感光纤上的反斯托克斯光的光强数据与定标光纤上的反斯托克斯光的光强数据进行对比，最后根据定标光纤处的实际温度得到外部传感光纤上的温度，从而完成测温工作。

与现有技术相比，本发明用ARM处理器模块代替传统工控机部分，且仅包含一路光电探测模块，采用反斯托克斯单路方式解调出温度数据，大大节约空间和成本。本发明的结构可以不用工控机控制而独立完成数据采集、温度计算、分析显示的功能，成本低，体积小，重量轻，功耗低，更加便于操作和携带。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是本发明的外形示意图。

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，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例。一种便携分布式光纤温度传感器，如图1所示：包括一个便携式仪器箱体11，便携式仪器箱体11内设有窄脉冲激光管及驱动板1，窄脉冲激光管及驱动板1的输出端与波分复用器2的输入端相连，波分复用器2的一个输出端经定标光纤8后连接在便携式仪器箱体11外壳上的光纤转接器3上，光纤转接器3又与外部传感光纤7连接，波分复用器2的另一个输出端与光电转换模块4的输入端连接，光电转换模块4的输出端与信号处理模块5的输入端相连，信号处理模块5的输出端与ARM处理器模块6连接。所述定标光纤8的长度为50米。所述窄脉冲激光管及驱动板1的窄脉冲激光管波长为1550nm，波分复用器工作范围1400nm～1600nm，滤波范围为1450nm±10nm。所述便携式仪器箱体11上设有LCD显示屏12、按键13和指示灯14，如图2所示。   

本发明的供电方式可以是蓄电池，也可以是交流电。本发明的指示灯数量为4个，分别对应系统正常工作灯、激光器工作灯、报警灯和故障灯。本发明的所含光器件的光纤类型可以全部是单模，也可以全部是多模，要求与外接传感光纤保持一致。

本发明的便携分布式光纤温度传感器的工作原理如下：

脉冲光在光纤中传输的时候会发生拉曼散射效应，同时发出斯托克斯光和反斯托克斯光，其中反斯托克斯光对温度敏感，温度越高，强度越强。在光纤里任一点处反斯托克斯背向拉曼散射光强为：

                 （1）

              （2）

为反斯托克斯散射光的频率，为激光器的输出光强，为反斯托克斯散射光的光强。是激光器在光纤中正向传输的衰减系数，是反斯托克斯散射光在光纤中背向传输的衰减系数，h是波朗克（Planck）常数，是一光纤分子的声子频率，为13.2THz，k是波尔兹曼常数，T是凯尔文（Kelvin）绝对温度。

选取的定标光纤处反斯托克斯背向拉曼散射光强为：

             （3）

           （4）

本发明，用反斯托克斯光单路解调，即返回的反斯托克斯光数据与定标处的反斯托克斯光数据相除，定标处的实际温度输入到系统中，即可计算出剩余各个点的温度值。

        （5）

窄脉冲激光管发射一束脉冲光，通过波分复用器进入到外部传感光纤中，传输过程中发生背向拉曼散射，散射光经过波分复用器滤波后滤出反斯托克斯光，由光电转换模块转为模拟信号，信号处理模块处理计算成温度数据，最终传输给ARM处理器，保存温度数据到存储卡或U盘中，或通过以太网、蓝牙等方式传输到普通电脑。

ARM处理器中移植了嵌入式Linux操作系统，设计了液晶屏驱动、触摸屏驱动、USB驱动、以太网驱动等。

本实施例的使用方法为：开机，等待系统启动后，LCD显示屏上显示数据采集界面，界面上集成有按钮控件，可以用个触摸笔点击LCD显示屏上的按钮空间，调用相应的驱动程序，实现相应的功能。也可以通过面板上的按钮实现操作。点击开始采集后，激光管发光，产生拉曼散射，返回的反斯托克斯光由光电转换模块转为模拟信号，信号处理模块处理计算成温度数据，最终传输给ARM处理器，保存温度数据到存储卡或U盘中，或通过以太网、蓝牙等方式传输到普通电脑。

Claims (4)

1.一种便携分布式光纤温度传感器，其特征在于：包括一个便携式仪器箱体（11），便携式仪器箱体（11）内设有窄脉冲激光管及驱动板（1），窄脉冲激光管及驱动板（1）的输出端与波分复用器（2）的输入端相连，波分复用器（2）的一个输出端经定标光纤（8）后连接在便携式仪器箱体（11）外壳上的光纤转接器（3）上，光纤转接器（3）又与外部传感光纤（7）连接，波分复用器（2）的另一个输出端与光电转换模块（4）的输入端连接，光电转换模块（4）的输出端与信号处理模块（5）的输入端相连，信号处理模块（5）的输出端与ARM处理器模块（6）连接。

2.根据权利要求1所述的便携分布式光纤温度传感器，其特征在于：所述窄脉冲激光管及驱动板（1）的窄脉冲激光管波长为1550nm，波分复用器工作范围1400nm～1600nm，滤波范围为1450nm±10nm。

3.根据权利要求1所述的便携分布式光纤温度传感器，其特征在于：所述便携式仪器箱体（11）上设有LCD显示屏（12）、按键（13）和指示灯（14）。

4.根据权利要求1所述便携分布式光纤温度传感器，其特征在于：所述ARM处理器模块（6）从波分复用器（2）处得到反斯托克斯光的光强数据，然后将外部传感光纤（7）上的反斯托克斯光的光强数据与定标光纤（8）上的反斯托克斯光的光强数据进行对比，最后根据定标光纤处的实际温度得到外部传感光纤（7）上的温度，从而完成测温工作。