CN105651417B - 一种基于分布式光纤的温度实时监控设备、系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于分布式光纤的温度实时监控设备、系统及方法，该设备包括：温度传感光纤，产生与水温相关的拉曼散射光；光路耦合器，将光发射器产生的激光耦合至该温度传感光纤，并将该温度传感光纤产生的拉曼散射光耦合至分光器；光发射器，产生激光至该光路耦合器；同步控制单元，在中央处理器的控制下控制光发射器的半导体激光器同步产生激光；分光器，将不同波长的拉曼散射光分开，并送至数据采集单元；数据采集单元，将不同波长的拉曼散射光进行数字化并传输至中央处理器；中央处理器，对接收到的数据进行分析处理以获得水温实时数据，本发明利用分布式光纤测温系统的原理实现了对浴池水温的实时监测，并实现了对浴池水温的实时控制。

Description

一种基于分布式光纤的温度实时监控设备、系统及方法
技术领域
本发明涉及一种实时监测控制浴池水温的方法及系统，特别是涉及一种基于分布式光纤的温度实时监控设备、系统及方法。
背景技术
浴池主要分为三大类，一类是家庭用的浴缸，一类是温泉用的泡池，一类则是洗浴中心或大型浴场用的浴池。在使用过程中，浴池中的水会逐渐降温，当环境温度较低时，降温的速度更快。为使洗浴者有舒适的洗浴环境，一般在水温低时要排掉一些浴池中的水，再补充一些热水，因此，往往需要对浴池的水温进行实时监控调节。目前，一般都是由工作人员每隔一段时间通过手感或温度计感知温度，然后手动控制水温，这种方式的缺点一是需要专人对水温情况进行监控，效率低下；二是对水温不能进行实时监控，无法保证水温的实时调节。
发明内容
为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种基于分布式光纤的温度实时监控设备、系统及方法，其利用分布式光纤测温系统的原理实现了对浴池水温的实时监测，并实现了对浴池水温的实时控制。
为达上述目的，本发明提出一种基于分布式光纤的温度实时监控设备，包括：
温度传感光纤，用于产生与水温相关的拉曼散射光；
光路耦合器，用于将光发射器产生的激光耦合至该温度传感光纤，同时将该温度传感光纤产生的拉曼散射光耦合至分光器；
光发射器，用于产生激光至该光路耦合器；
同步控制单元，用于在中央处理器的控制下控制光发射器的半导体激光器同步产生激光；
分光器，用于将不同波长的拉曼散射光分开，并送至数据采集单元；
数据采集单元，用于将不同波长的拉曼散射光进行数字化，并将数字化的拉曼散射光信息传输至中央处理器；
中央处理器，对接收到的拉曼散射光信息进行分析处理，获得当前浴池内水温的实时数据。
进一步地，该温度传感光纤设置在浴池内的四周和底部。
进一步地，该分光器至少包括两个不同中心波长的光滤波器，分别滤出Stokes光和Anti-Stokes光，然后经接收机送入该数据采集单元。
进一步地，该光发射器在该同步控制单元的触发下，产生一大电流脉冲，该脉冲驱动该光发射器的半导体激光器产生大功率的光脉冲，并注入激光器尾纤中。
进一步地，该激光器尾纤输出的光脉冲，经过该光路耦合器后再进入该温度传感光纤，该温度传感光纤基于浴池内水的温度将激光在光纤中发生散射后，携带有温度信息的拉曼后向散射光返回至该光路耦合器。
为达到上述目的，本发明还提供一种基于分布式光纤的温度实时监控系统，包括：
温度监控设备，利用温度传感光纤产生与水温相关的拉曼散射光，并通过分光器滤出不同波长的拉曼散射光后对其进行分析处理获得实时温度送至上位机；
上位机，接收获得的实时温度数据，根据预设阈值决定是否启动给排水模块进行给排水工作；
给排水模块，在该上位机的控制下对浴池进行给排水。
进一步地，该上位机将获得的实时温度数据与该预设阈值进行比较，于获得的实时温度数据低于该预设阈值时控制该给排水模块进行给排水。
为达到上述目的，本发明还提供一种基于分布式光纤的温度实时监控方法，包括如下步骤：
步骤一，于浴池内设置并连接温度传感光纤，开启温度实时监控设备；
步骤二，光发射器在同步控制单元的触发下产生激光；
步骤三，利用光路耦合器将光发射器产生的激光耦合至温度传感光纤，同时将温度传感光纤产生的拉曼散射光耦合至分光器；
步骤四，利用分光器将不同波长的拉曼散射光分开；
步骤五，将分开的拉曼散射光数字化后送至中央处理单元进行分析处理，获得当前浴池内水温的实时数据。
进一步地，该方法还包括：
将获得的实时温度数据送入上位机，自动进行温度分析，根据实时温度数据与预设的温度阈值范围的对比结果实时控制给排水模块。
进一步地，将该温度传感光纤固定在浴池内的四周和底部。
与现有技术相比，本发明一种基于分布式光纤的温度实时监控设备、系统及方法通过将温度传感光纤设置于浴池内，利用温度传感光纤产生与水温相关的拉曼散射光，并通过分光器滤出不同波长的拉曼散射光后利用分布式系统测温原理对其进行分析处理获得浴池的实时温度，实现了对浴池水温的实时监测，同时，本发明通过将获得的实时温度数据传送至上位机，根据实时温度数据与预设阈值范围的对比结果对给排水模块实时自动控制，实现了对浴池水温的实时控制。
附图说明
图1为本发明一种基于分布式光纤的温度实时监控设备的系统架构图；
图2为本发明一种基于分布式光纤的温度实时监控系统的系统架构图；
图3为本发明一种基于分布式光纤的温度实时监控方法的步骤流程图。
具体实施方式
以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。
在说明本发明之前，先介绍分布式光纤测温系统：分布式光纤测温系统是近年来发展起来的一种用于实时快速多点测温和测量空间温度场分布的传感系统。它是一种分布式的、连续的、功能型光纤温度测量系统。在系统中，光纤不仅起感光作用，而且起导光作用,利用光纤后向拉曼散射的温度效应，可以对光纤所在的温度场进行实时的测量；利用光时域反射技术(OTOR)可以对测量点进行精确定位。当光在光纤中传输时，与光纤中的分子、杂质等相互作用而发生散射。发生的散射有米氏散射、瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射等。其中拉曼散射是由于光纤中分子的热运动与光子相互作用发生能量交换而产生的。具体地说，当光子被光纤分子吸收后会再次发射出来。如果有一部分光能转换为热能，那么将发出一个比原来波长大的光，称为Stokes光。相反，如果一部分热能转换为光能，那么将发出一个比原来波长小的光，称为Anti-Stokes光。拉曼散射光就是由这两种不同波长的Stokes光和Anti-Stokes光组成的，其波长的偏移是由光纤组成元素的固有属性决定的，因此拉曼散射光的强度与温度有关。
本发明则是利用上述分布式光纤测温系统的原理，实时监测和控制浴池水温。科学研究表明，人体洗澡水的最佳温度在35℃～40℃为宜，运用本发明，可使浴池的水自动保持和控制在该温度范围内。
图1为本发明一种基于分布式光纤的温度实时监控设备的系统架构图。如图1所示，本发明一种基于分布式光纤的温度实时监控设备，包括温度传感光纤10、光路耦合器20、光发射器30、同步控制单元40、中央处理器50、分光器60、数据采集单元70。
其中，温度传感光纤10，与光路耦合器20相连，用于产生与水温相关的拉曼散射光，在本发明较佳实施例中，可将温度传感光纤10设置在浴池内的四周和底部；光路耦合器20，连接于光发射器30的输出端和分光器60的输入端，用于将光发射器30产生的激光耦合至温度传感光纤10，同时将温度传感光纤10产生的拉曼散射光耦合至分光器60；光发射器30由半导体激光器组成，用于产生激光，光发射器30的控制端连接同步控制单元40的输出端；同步控制单元40，其输入端连接中央处理器50，用于在中央处理器50的控制下控制光发射器30的半导体激光器同步产生激光；分光器60用于将不同波长的拉曼散射光分开，并送至数据采集单元70，具体地，分光器60至少包括两个不同中心波长的光滤波器，分别滤出Stokes光和Anti-Stokes光，然后经接收机送入数据采集单元70；数据采集单元70，其输出端连接中央处理器50，用于将不同波长的拉曼散射光(Stokes光和Anti-Stokes光)进行数字化，并将数字化的拉曼散射光信息传输至中央处理器50；中央处理器50对接收到的拉曼散射光信息进行分析处理，获得当前浴池内水温的实时数据。
图2为本发明一种基于分布式光纤的温度实时监控系统的系统架构图。如图2所示，本发明一种基于分布式光纤的温度实时监控系统，包括：温度监控设备100、上位机90以及给排水模块80。
其中，温度监控设备100，利用温度传感光纤产生与水温相关的拉曼散射光，并通过分光器滤出不同波长的拉曼散射光后对其进行分析处理获得实时温度送至上位机90，同时，温度监控设备100还可以接收上位机90的控制指令；上位机90，接收获得的实时温度，根据预设阈值决定是否启动给排水模块80进行给排水工作，在本发明较佳实施例中，该预设阈值为35℃～40℃,即当前的实时温度在该预设阈值范围内时，不启动给排水模块80，而于当前的实时温度低于该预设阈值范围时，启动给排水模块80，控制给排水模块80自动向浴池注入热水并排出冷水，以使水温达到35℃～40℃范围区间内。
以下将配合图1及图2进一步说明本发明的原理：首先需要先将温度监控设备的温度传感光纤10固定在浴池内的四周和底部，连接好温度传感光纤，开启温度监控设备；
在同步控制单元40的触发下，光发射器30产生一个大电流脉冲，该脉冲驱动光发射器30的半导体激光器产生大功率的光脉冲，并注入激光器尾纤中；
从光发射器30的激光器尾纤输出的光脉冲，经过光路耦合器20之后再进入固定在浴池内的四周和底部的温度传感光纤10，温度传感光纤10基于浴池内水的温度将激光在光纤中发生散射后，携带有温度信息的拉曼后向散射光返回到光路耦合器20中；
光路耦合器20将发射光直接耦合至温度传感光纤10的同时将散射回来的不同于发射波长的拉曼散射光耦合至分光器60。分光器60分别由两个不同中心波长的光滤波器组成，分别滤出Stokes光和Anti-Stokes光，然后经接收机送入数据采集单元70与中央处理单元50；
由中央处理单元50分析出当前浴池内水温的实时数据，最后将获得的实时温度数据送入上位机自动进行温度分析，首先预先设定好一个温度阀值范围:例如35℃～40℃范围区间，当监测获得的实时温度数据在35℃～40℃范围内时，上位机判定浴池内水温合适，便不进行任何操作；当监测获得的实时温度数据在35℃以下范围内时，上位机便判定浴池内水温偏低，然后控制给排水模块80自动向浴池注入热水并排出冷水，以使水温达到35℃～40℃范围区间内。
图3为本发明一种基于分布式光纤的温度实时监控方法的步骤流程图。如图3所示，本发明一种基于分布式光纤的温度实时监控方法，包括如下步骤：
步骤301，于浴池内设置并连接温度传感光纤，开启温度实时监控设备。在本发明较佳实施例中，将温度传感光纤固定在浴池内的四周和底部。
步骤302，光发射器在同步控制单元的触发下产生激光。具体地，在同步控制单元的触发下，光发射器产生一个大电流脉冲，该脉冲驱动光发射器的半导体激光器产生大功率的光脉冲，并注入激光器尾纤中。
步骤303，利用光路耦合器将光发射器产生的激光耦合至温度传感光纤，同时将温度传感光纤产生的拉曼散射光耦合至分光器。具体地，从光发射器激光器尾纤输出的光脉冲，经过光路耦合器之后再进入固定在浴池内的四周和底部的温度传感光纤，温度传感光纤基于浴池内水的温度将激光在光纤中发生散射后，将携带有温度信息的拉曼后向散射光返回到光路耦合器中，由光路耦合器将将散射回来的与发射激光不同波长的拉曼散射光耦合至分光器。
步骤304，利用分光器将不同波长的拉曼散射光分开，具体地说，分光器包含两个不同中心波长的光滤波器，分别滤出Stokes光和Anti-Stokes光。
步骤305，将滤出的Stokes光和Anti-Stokes光数字化后送至中央处理单元进行分析处理，获得当前浴池内水温的实时数据。具体地说，中央处理单元根据分布式光纤测温的原理，根据获得的Stokes光和Anti-Stokes光得出水温的实时数据。
较佳的，于步骤305后，还包括如下步骤：
将获得的实时温度数据送入上位机，自动进行温度分析，根据实时温度数据与预设的温度阈值范围的对比结果实时控制给排水模块。具体地说，本发明预先设定好一个温度阀值范围:即35℃～40℃范围区间，当上位机获得当前的实时温度数据在35℃～40℃范围内时，判定浴池内水温合适，便不进行任何操作，即不对给排水模块进行任何指令；而当上位机监测获得的实时温度数据在35℃以下范围内时，判定浴池内水温偏低，则会发出控制指令控制给排水模块自动向浴池注入热水并排出冷水，以使水温达到35℃～40℃范围区间内。
综上所述，本发明一种基于分布式光纤的温度实时监控设备、系统及方法通过将温度传感光纤设置于浴池内，利用温度传感光纤产生与水温相关的拉曼散射光，并通过分光器滤出不同波长的拉曼散射光后利用分布式系统测温原理对其进行分析处理获得浴池的实时温度，实现了对浴池水温的实时监测，同时，本发明通过将获得的实时温度数据传送至上位机，根据实时温度数据与预设阈值范围的对比结果对给排水模块实时自动控制，实现了对浴池水温的实时控制。
任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims (7)

1.一种基于分布式光纤的温度实时监控系统，包括：
温度监控设备，利用设置于浴池内的四周和底部的温度传感光纤产生与水温相关的拉曼散射光，并通过分光器滤出不同波长的拉曼散射光后对其进行分析处理获得实时温度送至上位机；
上位机，接收获得的实时温度数据，根据预设阈值决定是否启动给排水模块进行给排水工作；
给排水模块，在该上位机的控制下对浴池进行给排水。
2.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤的温度实时监控系统，其特征在于：该上位机将获得的实时温度数据与该预设阈值进行比较，于获得的实时温度数据低于该预设阈值时控制该给排水模块进行给排水。
3.如权利要求1所述的一种基于分布式光纤的温度实时监控系统，所述温度监控设备包括：
温度传感光纤，用于产生与水温相关的拉曼散射光；
光路耦合器，用于将光发射器产生的激光耦合至该温度传感光纤，同时将该温度传感光纤产生的拉曼散射光耦合至分光器；
光发射器，用于产生激光至该光路耦合器；
同步控制单元，用于在中央处理器的控制下控制光发射器的半导体激光器同步产生激光；
分光器，用于将不同波长的拉曼散射光分开，并送至数据采集单元；
数据采集单元，用于将不同波长的拉曼散射光进行数字化，并将数字化的拉曼散射光信息传输至中央处理器；
中央处理器，对接收到的拉曼散射光信息进行分析处理，获得当前水温的实时数据。
4.如权利要求3所述的一种基于分布式光纤的温度实时监控系统，其特征在于：该分光器至少包括两个不同中心波长的光滤波器，分别滤出Stokes光和Ant i-Stokes光，然后经接收机送入该数据采集单元。
5.如权利要求4所述的一种基于分布式光纤的温度实时监控系统，其特征在于：该光发射器在该同步控制单元的触发下，产生一大电流脉冲，该脉冲驱动该光发射器的半导体激光器产生大功率的光脉冲，并注入激光器尾纤中。
6.如权利要求5所述的一种基于分布式光纤的温度实时监控系统，其特征在于：该激光器尾纤输出的光脉冲，经过该光路耦合器后再进入该温度传感光纤，该温度传感光纤基于浴池内水的温度将激光在光纤中发生散射后，携带有温度信息的拉曼后向散射光返回至该光路耦合器。
7.一种基于分布式光纤的温度实时监控方法，包括如下步骤：
步骤一，于浴池内的四周和底部设置并连接温度传感光纤，开启温度实时监控设备；
步骤二，光发射器在同步控制单元的触发下产生激光；
步骤三，利用光路耦合器将光发射器产生的激光耦合至温度传感光纤，同时将温度传感光纤产生的拉曼散射光耦合至分光器；
步骤四，利用分光器将不同波长的拉曼散射光分开；
步骤五，将分开的拉曼散射光数字化后送至中央处理单元进行分析处理，获得当前浴池内水温的实时数据；
步骤六，将获得的实时温度数据送入上位机，自动进行温度分析，根据实时温度数据与预设的温度阈值范围的对比结果实时控制给排水模块。
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