CN106323500A

CN106323500A - 一种实现温度自校准的光纤拉曼测温系统及其校准方法

Info

Publication number: CN106323500A
Application number: CN201510397058.9A
Authority: CN
Inventors: 雷煜卿; 汪洋; 仝杰; 丁慧霞; 史振国; 张永臣
Original assignee: Northeast Part Of China Weihai Optoelectronic Information Technical Concern Co; State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Current assignee: Northeast Part Of China Weihai Optoelectronic Information Technical Concern Co; State Grid Corp of China SGCC; China Electric Power Research Institute Co Ltd CEPRI
Priority date: 2015-07-08
Filing date: 2015-07-08
Publication date: 2017-01-11
Anticipated expiration: 2035-07-08
Also published as: CN106323500B

Abstract

本发明涉及一种实现温度自校准的光纤拉曼测温系统及其校准方法，所述系统包括依次连接的脉冲光纤激光器、波分复用器、光电接收模块、数据采集卡、和数据处理单元；所述波分复用器通过定标光纤与光开关连接；所述光开关通过两条温度调整标定光纤与传感光纤首尾连接；所述脉冲光纤激光器与所述数据采集卡相连接。本发明的技术方案省略手动对光纤拉曼温度传感器温度校准的过程，使用更加方便，为工程使用带来了巨大便利。

Description

一种实现温度自校准的光纤拉曼测温系统及其校准方法

技术领域：

本发明涉及光纤拉曼温度传感技术领域，更具体涉及一种实现温度自校准的光纤拉曼测温系统及其校准方法。

背景技术：

光纤拉曼温度传感器是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场的光纤传感产品，该系统利用拉曼散射效应和OTDR技术实现对敏感光纤所处温度场的分布式测量，与传统的电温度传感器相比，光纤拉曼温度传感器具有灵敏度高、能够抗电磁干扰、重量轻、寿命长等优点，因此可以广泛应用于电力电缆、地铁隧道、煤矿巷道、石油储罐以及大型建筑的温度监控和火灾报警中。

虽然光纤拉曼温度传感器的研究已相对成熟，但仍存在一些实际问题，目前影响工程实际应用的问题是每一台光纤拉曼温度传感器都需要进行现场温度校准，部分应用场合现场进行温度校准十分不便，给现场施工带来了非常大的难度，光纤拉曼温度传感器温度校准问题亟待解决。

发明内容：

本发明的目的是提供一种实现温度自校准的光纤拉曼测温系统及其校准方法，省略手动对光纤拉曼温度传感器温度校准的过程，使用更加方便，为工程使用带来了巨大便利。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种实现温度自校准的光纤拉曼测温系统，包括依次连接的脉冲光纤激光器、波分复用器、光电接收模块、数据采集卡、和数据处理单元；所述波分复用器通过定标光纤与光开关连接；所述光开关通过两条温度调整标定光纤与传感光纤首尾连接；所述脉冲光纤激光器与所述数据采集卡相连接。

所述脉冲光纤激光器发出的光经所述波分复用器的com端再经所述定标光纤进入所述光开关；所述光开关经所述温度调整标定光纤进入传感光纤。所述光开关在数据采集卡的控制下完成通道切换；所述传感光纤中产生的后向拉曼散射光经所述波分复用器分成斯托克斯和反斯托克斯光；所述光电接收模块包括两个分别接收背向拉曼反斯托克斯和斯托克斯散射信号的光电接受模块。

所述光电接收模块的输出端与所述数据采集卡的两路输入端相连接；所述数据采集卡采集的数据通过PCI接口上传至数据处理单元。

所述定标光纤放置于温度为25℃的恒温装置内。

所述温度调整标定光纤分别放置于温度为45℃和60℃的恒温装置内。

一种实现温度自校准的光纤拉曼测温系统的校准方法，包括以下步骤：

(1)数据采集卡控制光开关选通光开关的通道一，同时数据采集卡触发脉冲激光器并开始采集数据，记录此时的定标光纤温度、温度调整标定光纤温度、定标光纤信号幅值和温度调整标定光纤信号幅值；

(2)数据采集卡控制所述光开关选通光开关的通道二，同时数据采集卡触发脉冲激光器并开始采集数据，记录此时的定标光纤温度、温度调整标定光纤温度、定标光纤信号幅值和温度调整标定光纤信号幅值；

(3)根据所述定标光纤温度、温度调整标定光纤温度、定标光纤信号幅值和温度调整标定光纤信号幅值，确定光纤拉曼温度传感器的噪声系数a和b。

在所述步骤(1)之前还包括：

选择长度小于10km的多模传感光纤接入光纤拉曼温度传感器；

判断所述定标光纤的温度值是否分别达到25℃；判断所述温度调整标定光纤的温度值是否分别达到45℃和60℃。

所述采集通道一的数据由采集卡上传至数据处理单元并进行暂存，采集卡停止采集；所述采集通道二的数据由采集卡上传至数据处理单元并进行暂存，采集卡停止采集。

在所述噪声系数a和b确定之后，该参数值被保存下来，且掉电不丢失，所述测温系统在每次重启运行之后都需要重新获取噪声系数a和b。

所述噪声系数a和b通过下式确定：

\{\begin{matrix} \frac{1}{T_{1}} = a * (\frac{1}{T_{0}} - \frac{k}{h Δ ν} \cdot \ln \frac{V_{A S R} (T_{1}) / V_{S R} (T_{1})}{V_{A S R} (T_{0}) / V_{S R} (T_{0})}) + b \\ \frac{1}{T_{2}} = a * (\frac{1}{T_{0}} - \frac{k}{h Δ ν} \cdot \ln \frac{V_{A S R} (T_{2}) / V_{S R} (T_{2})}{V_{A S R} (T_{0}) / V_{S R} (T_{0})}) + b \end{matrix}

其中，T₀为定标光纤温度、T₁为与光开关通道一相连的温度调整标定光纤温度、T₂为与光开关通道二相连的温度调整标定光纤温度、V_ASR(T₀)为定标光纤处反斯托克斯信号幅值、V_SR(T₀)为定标光纤处斯托克斯信号幅值、V_ASR(T₁)为与光开关通道一相连的温度调整标定光纤处反斯托克斯信号幅值、V_SR(T₁)为与光开关通道一相连的温度调整标定光纤处斯托克斯信号幅值、V_ASR(T₂)为与光开关通道二相连的温度调整标定光纤处反斯托克斯信号幅值、V_SR(T₂)为与光开关通道二相连的温度调整标定光纤处斯托克斯信号幅值、h是波朗克常数、Δν是一光纤分子的声子频率为13.2THz、k是波尔兹曼常数。

和最接近的现有技术比，本发明提供技术方案具有以下优异效果

1、本发明的技术方案解决因斯托克斯和反斯托克斯信号的噪声引起的传感光纤温度偏移；

2、本发明的技术方案实现温度自动校准的目的；

3、本发明的技术方案是结构合理、测量精度高、硬件成本低的温度自校准方案；

4、本发明的技术方案特别适用于应用现场不易进行温度校准的场合；

5、本发明的技术方案。

附图说明

图1为本发明实施例提供的系统结构示意图；

其中，1-脉冲光纤激光器、2-波分复用器、3-定标光纤、4-光开关、5-温度调整标定光纤、6-传感光纤、7-光电接收模块、8-数据采集卡、9-数据处理单元。

具体实施方式

下面结合实施例对发明作进一步的详细说明。

实施例1：

本例的发明提供一种实现温度自校准的光纤拉曼测温系统及其校准方法，所述系统包括脉冲光纤激光器1、波分复用器2、1*2光开关4、定标光纤3、温度调整标定光纤5、光电转换模块7、数据采集卡8、数据处理单元9和传感光纤6。所述脉冲光纤激光器1发出的脉冲光经波分复用器2的com端进入定标光纤3，经定标光纤3后进入1*2光开关4，1*2光开关4后进入温度调节标定光纤5，最后光脉冲进入传感光纤6。其中定标光纤3处在一个密封的恒温盒内，恒温盒温度为25℃；温度调整标定光纤放5置在另外的密封恒温盒内，恒温盒温度分别为45℃和60℃。光脉冲进入传感光纤6后产生自发拉曼散射，其中后向拉曼散射光返回传感器光路经波分复用器2分离出斯托克斯拉曼光和反斯托克斯拉曼光并进入光电转换模块7中，光电转换模块7经数据采集卡8实现模数转换并将采集的数据上传至数据处理单元9。

本发明中光开关4通道由采集卡进行控制，后向拉曼散射光信号经光电转换后经采集卡将数据上传数据处理单元9。测温系统通过采集卡切换光开关4控制激光脉冲从光开关不同通道进入传感光纤9。当光脉冲经光开关4的通道1进入温度调节标定光纤5时光脉冲从传感光纤9的首端发射至末端，当光脉冲经光开关4的通道二进入温度调节标定光纤5时光脉冲从传感光纤9的末端发射至首端。

其中所述脉冲光纤激光器1中心波长为1550nm，脉冲宽度10ns，重复频率5KHz，峰值功率25W，所述1*2光开关4中心波长1550nm，插入损耗<1dB，所述的波分复用器2由中心波长1450nm的后向拉曼反斯托克斯散射光宽带滤波片、中心波长1660nm的后向拉曼斯托克斯散射光宽带滤波片和瑞利散射光滤波片构成，所述的数据采集卡8采样率为100MSPS。

所述方法包括以下步骤：

步骤一：选择长度小于10km的50/125um多模传感光纤接入光纤拉曼温度传感器。

步骤二：读取定标光纤3的温度值是否分别达到25℃和读取温度调整标定光纤5的温度值是否分别达到45℃和60℃，一般的传感器正常开启10分钟以内相应温度值可以达到稳定状态。

步骤三：数据采集卡8控制1*2光开关4选通光开关的通道一，同时采集卡触发脉冲激光器1并开始采集数据，记录此时的定标光纤3温度、温度调整标定光纤5温度、定标光纤3信号幅值和温度调整标定光纤5信号幅值，采集通道一的数据由采集卡上传至数据处理单元9并进行暂存，采集卡停止采集。

步骤四：数据采集卡控制1*2光开关选通光开关的通道二，同时采集卡触发脉冲激光器并开始采集数据，记录此时的定标光纤3温度、温度调整标定光纤5温度、定标光纤3信号幅值和温度调整标定光纤5信号幅值，采集通道二的数据由采集卡上传至数据处理单元9并进行暂存，采集卡停止采集。

步骤五：调用步骤三和步骤四中定标光纤3温度、温度调整标定光纤5温度、定标光纤3信号幅值和温度调整标定光纤5信号幅值，并将相应的数据代入公式(3)确定噪声系数a和b。

步骤六：噪声系数a和b确定之后，该系数值被保存下来，且掉电不丢失，测温系统在每次重启运行之后都需要重新获取噪声系数a和b。

光纤拉曼温度传感器依靠斯托克斯拉曼光和反斯托克斯拉曼光的信号强度的比值计算传感光纤9的温度，反斯托克斯信号强度和斯托克斯信号强度分别记为V_ASR和V_SR，那么分别测定光纤处于温度为T₀(定标光纤3温度)和T(传感光纤9温度)两种温度状态时的强度比，由已知温度T₀确定传感光纤9的温度T。由此得到传感光纤9各段的温度信息，如公式(1)可以计算出传感光纤9的温度T。

\frac{1}{T} = \frac{1}{T_{0}} - \frac{k}{h Δ ν} \cdot l n \frac{V_{A S R} (T) / V_{S R} (T)}{V_{A S R} (T_{0}) / V_{S R} (T_{0})} - - - (1)

公式(1)为传感光纤9计算的理论公式，要保证传感光纤9温度T的准确性必须保证反斯托克斯信号和斯托克斯信号中不能参杂其它噪声，但实际使用的光学器件和电子器件都无法保证反斯托克斯和斯托克斯信号中不包含任何噪声成分。所以考虑到反斯托克斯和斯托克斯信号中噪声的存在需要对公式(1)进行优化，优化后的温度计算方法如公式(2)。

\frac{1}{T} = a * (\frac{1}{T_{0}} - \frac{k}{h Δ ν} \cdot \ln \frac{V_{A S R} (T) / V_{S R} (T)}{V_{A S R} (T_{0}) / V_{S R} (T_{0})}) + b - - - (2)

因为光纤拉曼温度传感器中反斯托克斯和斯托克斯信号中噪声的存在，在公式(1)的基础上增加了两个变量a和b，为了确定a和b两个参数的具体值需要根据实际数据推算两个变量的数值即温度校准。

并根据两路光开关4的不同通道数据构建方程组确定a和b的值，整个计算过程不再需要手动设置任何参数，传感光纤9即插即用，无需手动进行温度校准。本发明在工作时，脉冲激光器1输出的光信号经波分复用器2的com端经定标光纤3进入1*2光开关4，1*2光开关4在采集卡通道选择信号的控制下控制光脉冲通过哪一个通道进入传感光纤9，传感光纤9的两端分别经温度调整标定光纤5与1*2光开关4的两路输出端相连，传感光纤9中产生的后向拉曼散射光经波分复用器2分成斯托克斯和反斯托克斯光，分别与接收后向拉曼反斯托克斯和斯托克斯散射信号的光电接收模块7相连，光电接收模块7的输出端与数据采集卡8的输入端相连接。当光脉冲经1*2光开关4的通道一时，定标光纤3温度T₀为25℃，温度调整标定光纤5分别为45℃和60℃，采集卡获取定标光纤3、温度调整标定光纤5和传感光纤9的拉曼散射信号强度值，按照公式(2)建立方程组：

\{\begin{matrix} \frac{1}{T_{1}} = a * (\frac{1}{T_{0}} - \frac{k}{h Δ ν} \cdot \ln \frac{V_{A S R} (T_{1}) / V_{S R} (T_{1})}{V_{A S R} (T_{0}) / V_{S R} (T_{0})}) + b \\ \frac{1}{T_{2}} = a * (\frac{1}{T_{0}} - \frac{k}{h Δ ν} \cdot \ln \frac{V_{A S R} (T_{2}) / V_{S R} (T_{2})}{V_{A S R} (T_{0}) / V_{S R} (T_{0})}) + b \end{matrix} - - - (3)

T₀为定标光纤3温度、T₁为与光开关4通道一相连的温度调整标定光纤温度、T₂为与光开关4通道二相连的温度调整标定光纤5温度、V_ASR(T₀)为定标光纤3处反斯托克斯信号幅值、V_SR(T₀)为定标光纤3处斯托克斯信号幅值、V_ASR(T₁)为与光开关4通道一相连的温度调整标定光纤5处反斯托克斯信号幅值、V_SR(T₁)为与光开关4通道一相连的温度调整标定光纤5处斯托克斯信号幅值、V_ASR(T₂)为与光开关4通道二相连的温度调整标定光纤5处反斯托克斯信号幅值、V_SR(T₂)为与光开关4通道二相连的温度调整标定光纤5处斯托克斯信号幅值。

根据公式(3)可以确定每一台光纤拉曼温度传感器的噪声系数a和b。光纤拉曼温度传感器主机、传感光纤一旦确定之后，噪声系数a和b也随之确定，每一台光纤拉曼温度传感器针对某一根传感光纤只需要做一次温度自校准即可。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，所属领域的普通技术人员尽管参照上述实施例应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，这些未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，均在申请待批的本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种实现温度自校准的光纤拉曼测温系统，其特征在于：包括依次连接的脉冲光纤激光器、波分复用器、光电接收模块、数据采集卡、和数据处理单元；所述波分复用器通过定标光纤与光开关连接；所述光开关通过两条温度调整标定光纤与传感光纤首尾连接；所述脉冲光纤激光器与所述数据采集卡相连接。

2.如权利要求1所述的一种实现温度自校准的光纤拉曼测温系统，其特征在于：所述脉冲光纤激光器发出的光经所述波分复用器的com端再经所述定标光纤进入所述光开关；所述光开关经所述温度调整标定光纤进入传感光纤；所述光开关在数据采集卡的控制下完成通道切换；所述传感光纤中产生的后向拉曼散射光经所述波分复用器分成斯托克斯和反斯托克斯光；所述光电接收模块包括两个分别接收背向拉曼反斯托克斯和斯托克斯散射信号的光电接受模块。

3.如权利要求1或2所述的一种实现温度自校准的光纤拉曼测温系统，其特征在于：所述光电接收模块的输出端与所述数据采集卡的两路输入端相连接；所述数据采集卡采集的数据通过PCI接口上传至数据处理单元。

4.如权利要求1所述的一种实现温度自校准的光纤拉曼测温系统，其特征在于：所述定标光纤放置于温度为25℃的恒温装置内。

5.如权利要求1所述的一种实现温度自校准的光纤拉曼测温系统，其特征在于：所述温度调整标定光纤分别放置于温度为45℃和60℃的恒温装置内。

6.一种实现温度自校准的光纤拉曼测温系统的校准方法，其特征在于：包括以下步骤：

(3)根据所述步骤(1)和步骤(2)记录的定标光纤温度、温度调整标定光纤温度、定标光纤信号幅值和温度调整标定光纤信号幅值，确定光纤拉曼温度传感器的噪声系数a和b。

7.如权利要求6所述的一种实现温度自校准的光纤拉曼测温系统的校准方法，其特征在于：在所述步骤(1)之前还包括：

选择长度小于10km的多模传感光纤接入光纤拉曼温度传感器；

8.如权利要求6所述的一种实现温度自校准的光纤拉曼测温系统的校准方法，其特征在于：所述采集通道一的数据由采集卡上传至数据处理单元并进行暂存，采集卡停止采集；所述采集通道二的数据也由采集卡上传至数据处理单元并进行暂存，采集卡停止采集。

9.如权利要求6所述的一种实现温度自校准的光纤拉曼测温系统的校准方法，其特征在于：在所述噪声系数a和b确定之后，该系数值被保存下来，且掉电不丢失，在所述测温系统每次重启运行之后都需要重新获取噪声系数a和b。

10.如权利要求6所述的一种实现温度自校准的光纤拉曼测温系统的校准方法，其特征在于：所述噪声系数a和b通过下式确定：

\{\begin{matrix} \frac{1}{T_{1}} = a * (\frac{1}{T_{0}} - \frac{k}{h Δ v} \cdot \ln \frac{V_{A S R} (T_{1}) / V_{S R} (T_{1})}{V_{A S R} (T_{0}) / V_{S R} (T_{0})}) + b \\ \frac{1}{T_{2}} = a * (\frac{1}{T_{0}} - \frac{k}{h Δ v} \cdot \ln \frac{V_{A S R} (T_{2}) / V_{S R} (T_{2})}{V_{A S R} (T_{0}) / V_{S R} (T_{0})}) + b \end{matrix}