CN104501996A - 一种基于内空型温控件的多温区定标方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于内空型温控件的多温区定标方法，采用内空型铜柱作为温控系统的主体同时利用分段标定的方式得出一条温度随反斯托克斯与斯托克斯的光强比变化的多段折线关系，使得温度标定曲线无限趋近于反斯托克斯与斯托克斯的光强比和温度的指数变化曲线；该方法在不影响系统性能的前提下，进一步提高了系统测温精度，扩展了系统适用的测温范围，较好地解决了现有温度标定方式的缺陷和不足。

Description

一种基于内空型温控件的多温区定标方法

技术领域

本发明涉及分布式光纤测温技术，具体为分布式光纤感温的多温区温度自动标定方法。

背景技术

分布式光纤测温系统主要应用于大空间场所的温度监控和火情检测，如电力、铁路、公路隧道、电缆沟、仓库、油田、输油管道等场所，对于设备场所的安全运行及人员生命财产安全起着重要的作用。

分布式光纤测温系统主要是由感温光缆、温度标定模块、数据采集模块、数据处理模块和图形显示模块组成，温度定标模块是感温系统的重要组成部分，其定标方式的优劣直接影响了整套系统的性能指标。

现有的分布式光纤测温系统中的温度标定模块通常采用动态跟随标定法，将一段参考光纤放入一个保温盒内，通过电子温度传感器采集保温盒内的温度作为温度基准进行温度标定，然后通过数据采集模块采集该段光纤数据送往数据处理模块，将得到的反斯托克斯(anti-stokes)与斯托克斯(stokes)的光强比和基准温度进行直线拟合，从而得到定标参数，实现温度标定。

该方法的温度标定方式较为简单，但是存在严重的缺陷和不足：第一，由于保温盒内的温度场存在一定的变化梯度，难以保证温度均匀，一次采集到的单一基准温度难以完全反应参考光纤所处的温度场，由于基准不准进而导致测量温度精确度下降；第二，由于反斯托克斯与斯托克斯的光强比(简称)和温度呈指数变化趋势，动态温度定标法，在整个温度范围内采用单一拟合系数的直线拟合方式在高温区和低温区线性度较差，不能保证在整个温度范围内的测温准确度，仅采用单温区方式进行温度标定，其定标精度较差，从而降低了整个感温系统的测温精度。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于内控型温控件的多温区自动温度标定方法，根据不同温度范围内光强比的线性度差异，采用分段标定的方式得出一条温度随反斯托克斯与斯托克斯的光强比变化的多段折线关系，使得温度标定曲线无限趋近于反斯托克斯与斯托克斯的光强比和温度的指数变化曲线，进而得出不同区段的标定公式完成标定。

本发明为解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于内空型温控件的多温区定标方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将参考光纤前端不同位置处的n段光纤分别缠绕在n个内空型铜柱上，其中n≥3；

(2)通过半导体制冷器TEC控制三个铜柱的温度分别恒定在T₁、T₂、T₃…T_n，其中T₁<T₂<T₃<…T_n，n≥3；

(3)通过数据采集模块采集并累加该段参考光纤数据，然后传送至数据处理模块进行数据处理；

(4)在数据处理时对中间的一个温度(n为偶数)或(n为奇数)的数据进行直线拟合，得到反斯托克斯Anti-stokes和斯托克斯stokes光强之比为：

$F\left(T\right)=\frac{\mathrm{Pas}\left(T\right)}{\mathrm{Ps}\left(T\right)}\frac{K_{\mathrm{as}}}{K_s}\frac{v_{\mathrm{as}}^4}{v_s^4}\exp (-({\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{as}}-{\mathrm{\&alpha;}}_s)L)\exp (-\frac{\mathrm{h\&Delta;v}}{\mathrm{kT}})$    (式1)

式中，Kas，Ks是与光纤反斯托克斯anti-stokes和斯托克斯stokes散射界面有关的系数，Vs,Vas分别为斯托克斯stokes和反斯托克斯anti-stokes散射光子频率，α_as、α_s分别为反斯托克斯anti-stokes散射光和斯托克斯stokes散射光频率的光纤传输损耗，L为光纤待测局域处的长度，h为普朗克常量，k为波尔兹曼常量；

(5)根据式1得出当系统处于环境温度T₀时，其反斯托克斯anti-stokes和斯托克斯stokes散射光功率Pas(T₀)、Ps(T₀)之比为：

$F\left(T_0\right)=\frac{\mathrm{Pas}\left(T_0\right)}{\mathrm{Ps}\left(T_0\right)}\frac{K_{\mathrm{as}}}{K_s}\frac{v_{\mathrm{as}}^4}{v_s^4}\exp (-({\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{as}}-{\mathrm{\&alpha;}}_s)L)\exp (-\frac{\mathrm{h\&Delta;v}}{{\mathrm{kT}}_0})$    (式2)

(6)从光纤的起始点L＝0开始测量，根据式1和式2将得到温度T与光强比的关系：

$T=\frac{-\mathrm{hv}}{k\&CenterDot;\mathrm{In}(\frac{F\left(T\right)}{F\left(T_0\right)}\&CenterDot;\exp (-\frac{\mathrm{hv}}{{\mathrm{kT}}_0}))}$    (式3)

根据式3作出温度T与光强比的曲线关系图；

(7)通过测量不同温度T下F(T)/F(T₀)的值，根据曲线关系图可以拟合出一条实际系统的温度定标曲线，表达式为：

$T=m\&CenterDot;\frac{F\left(T\right)}{F\left(T_0\right)}+a$    (式4)

(8)根据式4分别计算出温度T＝T₁、T₂、T₃…T_n时的温度标定系数(m₁，a₁)，(m₂，a₂)，(m₃，a₃)…(m_n，a_n)，n≥3；

(9)根据依次相邻的两个温度标定系数(m₁，a₁)和(m₂，a₂)，(m₂，a₂)和(m₃，a₃)…(m_n-1，m_n-1)和(m_n，a_n)分别整合T₁～T₂，T₂～T₃…T_n-1～T_n范围的线型关系将得到n-1个温度随光强比变化的阶段线型曲线，然后根据光强比所处的阶段不同选择不同温区的温度定标系数，然后代入到式4中来计算非定标光纤的温度值。

作为上述方案的进一步改进，所述铜柱铣槽上和参考光纤上覆盖有隔热圈。

作为上述方案的进一步改进，n为3，步骤1中的参考光纤前端不同位置处的3段光纤分别缠绕在3个内空型铜柱上；此时所述温度T₁的大小可为-20℃～20℃，T₂的大小可为20℃～80℃，T₃的大小可为80℃～120℃。

本发明的有益效果是：本发明基于内空型温控件的多温区定标方法采用分段标定的方式得出一条温度随反斯托克斯与 斯托克斯的光强比变化的多段折线关系，使得温度标定曲线无限趋近于反斯托克斯与斯托克斯的光强比和温度的指数变化曲线；该方法在不影响系统性能的前提下，进一步提高了系统测温精度，扩展了系统适用的测温范围，较好地解决了现有温度标定方式的缺陷和不足。

此外，动态跟随温度标定的方法依赖于指数函数的线性近似，测温温度的范围依赖于定标温度，动态跟随温度标定法的定标温度与主机机箱温度相似，因此定标温度的范围在10℃～40℃左右，测温范围受限，测温范围被局限于-50℃～200℃之间；而多温区定标算法的定标温度可设置为-20℃～120℃之间，极大的拓宽了温度测量范围，测温范围达到-150℃～500℃。

进一步，本方法采用内空型铜柱作为温控系统的主体和覆盖在铜柱铣槽上或者参考光纤上的隔热圈保证了参考光纤处于均匀的参考温度场中，铜柱的温度和参考光纤的温度保持一致，屏蔽了机箱环境温度对参考光纤温度场的影响，具有很高的温度精度和一致性，进一步提高温度标定模块定标精度。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式进行进一步的说明：

图1为本发明具体实施例的参考光纤分别缠绕在三个内空型铜柱上的示意图；

图2为本发明具体实施例的温度T与光强比的曲线关系图。

具体实施方式

以下将结合实施例和附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果进行清楚、完整地描述，以充分地理解本发明的目的、特征和效果。显然，所描述的实施例只是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例，基于本发明的实施例，本领域的技术人员在不付出创造性劳动的前提下所获得的其他实施例，均属于本发明保护的范围。

一种基于内空型温控件的多温区定标方法，选用光纤不同位置处的3段光纤分别缠绕在3个内空型铜柱上，3个铜柱的温度分别设定为T₁＝-20℃，T₂＝40℃，T₃＝120℃，当然T₁的温度可在-20℃～20℃之间选取，T₂的温度可在20℃～80℃之间选取，T₃的温度可在80℃～120℃之间选取，包括以下步骤：

(1)参照图1，将参考光纤前端不同位置处的3段光纤分别缠绕在三个内空型铜柱上，并通过覆盖于铜柱铣槽上或参考光纤上面的隔热圈隔绝外界环境对参考光纤的热量传导，保证参考光纤和铜柱温度一致；

(2)通过半导体制冷器TEC控制三个铜柱的温度分别恒定在-20℃、40℃和120℃；

(3)通过数据采集模块采集并累加该段参考光纤数据，然后传送至数据处理模块进行数据处理；

(4)在数据处理时对40℃的数据进行直线拟合，得到反斯托克斯Anti-stokes和斯托克斯stokes光强之比为：

$F\left(T\right)=\frac{\mathrm{Pas}\left(T\right)}{\mathrm{Ps}\left(T\right)}\frac{K_{\mathrm{as}}}{K_s}\frac{v_{\mathrm{as}}^4}{v_s^4}\exp (-({\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{as}}-{\mathrm{\&alpha;}}_s)L)\exp (-\frac{\mathrm{h\&Delta;v}}{\mathrm{kT}})$    (式1)

式中，Kas，Ks是与光纤反斯托克斯anti-stokes和斯托克斯stokes散射界面有关的系数，Vs,Vas分别为斯托克斯stokes和反斯托克斯anti-stokes散射光子频率，α_as、α_s分别为反斯托克斯anti-stokes散射光和斯托克斯stokes散射光频率的光纤传输损耗，L为光纤待测局域处的长度，h为普朗克常量，k为波尔兹曼常量；

(5)根据式1得出当系统处于环境温度T₀时，其反斯托克斯anti-stokes和斯托克斯stokes散射光功率Pas(T₀)、Ps(T₀)之比为：

$F\left(T_0\right)=\frac{\mathrm{Pas}\left(T_0\right)}{\mathrm{Ps}\left(T_0\right)}\frac{K_{\mathrm{as}}}{K_s}\frac{v_{\mathrm{as}}^4}{v_s^4}\exp (-({\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{as}}-{\mathrm{\&alpha;}}_s)L)\exp (-\frac{\mathrm{h\&Delta;v}}{{\mathrm{kT}}_0})$    (式2)

(6)从光纤的起始点L＝0开始测量，根据式1和式2将得到温度T与光强比的关系：

$T=\frac{-\mathrm{hv}}{k\&CenterDot;\mathrm{In}(\frac{F\left(T\right)}{F\left(T_0\right)}\&CenterDot;\exp (-\frac{\mathrm{hv}}{{\mathrm{kT}}_0}))}$    (式3)

根据式3作出温度T与光强比的曲线关系图，如图2所示；

(7)通过测量不同温度T下F(T)/F(T₀)的值，根据曲线关系图可以拟合出一条实际系统的温度定标曲线，表达式为：

$T=m\&CenterDot;\frac{F\left(T\right)}{F\left(T_0\right)}+a$    (式4)

(8)根据式4分别计算出温度T＝-20℃、40℃和120℃时的温度标定系数(m₁，a₁)，(m₂，a₂)，(m₃，a₃)；

(9)根据温度标定系数(m₁，a₁)和(m₂，a₂)，(m₂，a₂)整合-20℃～40℃低温范围的线型关系将得到一个温度随光强比变化的阶段线型曲线，根据温度标定系数(m₂，a₂)和(m³，a³)整合40℃～120℃高温范围的线型关系将得到一个温度随光强比变化的阶段线型曲线；然后根据光强比所处的阶段不同选择不同温区的温度定标系数，然后代入到式4中来计算非定标光纤的温度值。

另外，本发明将温度标定处理融入在数据处理模块中，因此可以完全实时自动进行温度标定，消除了环境等因素变化对温度标定造成的影响。

在实际应用中，可根据需要调整温区数量和温度范围，使分段定标结果更加接近反斯托克斯与斯托克斯的光强比和温度的指数变化趋势。

本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，只要其以基本相同的手段达到本发明的技术效果，都应属于本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种基于内空型温控件的多温区定标方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)将参考光纤前端不同位置处的n段光纤分别缠绕在n个内空型铜柱上，其中n≥3；

(2)通过半导体制冷器TEC控制三个铜柱的温度分别恒定在T₁、T₂、T₃…T_n，其中T₁<T₂<T₃<…T_n，n≥3；

(3)通过数据采集模块采集并累加该段参考光纤数据，然后传送至数据处理模块进行数据处理；

(4)在数据处理时对中间的一个温度(n为偶数)或(n为奇数)的数据进行直线拟合，得到反斯托克斯Anti-stokes和斯托克斯stokes光强之比为：

$F\left(T\right)=\frac{\mathrm{Pas}\left(T\right)}{\mathrm{Ps}\left(T\right)}=\frac{K_{\mathrm{as}}}{K_s}\frac{v_{\mathrm{as}}^4}{v_s^4}\exp (-({\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{as}}-{\mathrm{\&alpha;}}_s)L)\exp (-\frac{\mathrm{h\&Delta;v}}{\mathrm{kT}})$   (式1)

式中，Kas，Ks是与光纤反斯托克斯anti-stokes和斯托克斯stokes散射界面有关的系数，Vs,Vas分别为斯托克斯stokes和反斯托克斯anti-stokes散射光子频率，α_as、α_s分别为反斯托克斯anti-stokes散射光和斯托克斯stokes散射光频率的光纤传输损耗，L为光纤待测局域处的长度，h为普朗克常量，k为波尔兹曼常量；

(5)根据式1得出当系统处于环境温度T₀时，其反斯托克斯anti-stokes和斯托克斯stokes散射光功率Pas(T₀)、P_s(T₀)之比为：

$F\left(T_0\right)=\frac{\mathrm{Pas}\left(T_0\right)}{\mathrm{Ps}\left(T_0\right)}=\frac{K_{\mathrm{as}}}{K_s}\frac{v_{\mathrm{as}}^4}{v_s^4}\exp (-({\mathrm{\&alpha;}}_{\mathrm{as}}-{\mathrm{\&alpha;}}_s)L)\exp (-\frac{\mathrm{h\&Delta;v}}{{\mathrm{kT}}_0})$   (式2)

(6)从光纤的起始点L＝0开始测量，根据式1和式2将得到温度T与光强比的关系：

$T=\frac{-\mathrm{hv}}{k\&CenterDot;\mathrm{In}(\frac{F\left(T\right)}{F\left(T_0\right)}\&CenterDot;\exp (-\frac{\mathrm{hv}}{{\mathrm{kT}}_0}))}$   (式3)

根据式3作出温度T与光强比的曲线关系图；

(7)通过测量不同温度T下F(T)/F(T₀)的值，根据曲线关系图可以拟合出一条实际系统的温度定标曲线，表达式为：

$T=m\&CenterDot;\frac{F\left(T\right)}{F\left(T_0\right)}+a$    (式4)

(8)根据式4分别计算出温度T＝T₁、T₂、T₃…T_n时的温度标定系数(m₁，a₁)，(m₂，a₂)，(m₃，a₃)…(m_n，a_n)，n≥3；

(9)根据依次相邻的两个温度标定系数(m₁，a₁)和(m₂，a₂)，(m₂，a₂)和(m₃，a₃)…(m_n-1，m_n-1)和(m_n，a_n)分别整合T₁～T₂，T₂～T₃…T_n-1～T_n范围的线型关系将得到n-1个温度随光强比变化的阶段线型曲线，然后根据光强比所处的阶段不同选择不同温区的温度定标系数，然后代入到式4中来计算非定标光纤的温度值。

2.根据权利要求1所述的一种基于内空型温控件的多温区定标方法，其特征在于所述铜柱铣槽和参考光纤上覆盖有隔热圈。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于内空型温控件的多温区定标方法，其特征在于所述n为3，权利要求步骤1中的参考光纤前端不同位置处的3段光纤分别缠绕在3个内空型铜柱上。

4.根据权利要求3所述的一种基于内空型温控件的多温区定标方法，其特征在于所述温度T₁的大小为-20℃～20℃，T₂的大小为20℃～80℃，T₃的大小为80℃～120℃。