CN109000822A - 分布式光纤测温装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤测温装置，包括光路部分和电路部分；光路部分包括脉冲激光器、波分复用器、探测光缆；电路部分包括雪崩二极管、高速采集卡；脉冲激光器的输出端与波分复用器相连接，波分复用器的输出端与探测光缆相连接；探测光缆与波分复用器输出端相接的一端为开始段，开始段的一段置于恒温槽内的定标区；雪崩二极管设置有两个，波分复用器的另一输出端分别与两个雪崩二极管相连接，雪崩二极管的输出端与高速采集卡相连接；探测光缆由光纤和包裹光纤的外部屏蔽层组成。本装置能够对电力系统进行现场实时的温度监控并进行预警，测量精度高，有利于提高工作人员对现场的维护以及把控。

Description

分布式光纤测温装置

技术领域

本发明涉及电力系统火灾预警技术领域，尤其涉及一种用于温度探测及温度告警的分布式光纤测温装置。

背景技术

智能电网属于电力系统，其中包括发电厂、高压电网、变电站、配电站等，具体的有发电机、变压器、电力电缆、开关等电力设备。这些设备通常在高电压、强电场、热负荷等环境下工作，且工作环境无人值守也无人为监控。电网作为工程基础设施系统，涉及千家万户的用电需求，电力设施设备的运行温度是保障电网安全运行的一个重要因素。无论是电力电缆、变压器还是其他电气设备，作为电力系统的重要环节都可能因为一些电路问题或者外界因素而导致局部过热或者产生电弧火花而导致火灾从而造成巨大的经济损失。因此为了避免这样的恶性事件，急需对电力设备进行全方位的温度监测。

目前传统的温度探测器均采用点探测工作方式，这样的工作方式不仅不适合强电磁的工作环境，并且对于长距离多点探测有着相当大的困难。针对传统探测方式的不足，近年来出现的分布式光纤测温方式结合后向拉曼散射效应和光时域分析(OTDR)技术利用传感光纤实现对温度场的一个分布式测量，与传统的温度测量方式相比，分布式光纤测温传感器具有灵敏度高、抗电磁干扰、长距离多点探测等优点，因此可以广泛地应用在电力系统，轨道交通、煤矿巷道以及大型建筑的温度监控和火灾报警当中。

然而，在现有的分布式光纤测温传感装置当中，存在着温度分辨率较低、定位不够准确等问题，无法真正地将火灾进行提前预警，并且许多装置体积较大，安装不便。

发明内容

本发明的目的是克服上述现有技术的不足，提供一种分布式光纤测温装置，该装置能够及时有效地监测电力系统中的温度变化，及时发现电力系统中温度异常发生点并预警，确保电网设施以及电网工作人员的安全。

本发明是通过以下技术方案来实现的：分布式光纤测温装置，包括光路部分和电路部分；所述光路部分包括脉冲激光器、波分复用器、探测光缆；所述电路部分包括雪崩二极管、高速采集卡；所述脉冲激光器的输出端与所述波分复用器相连接，所述波分复用器的输出端与所述探测光缆相连接；所述探测光缆与所述波分复用器输出端相接的一端为开始段，所述开始段的一段置于恒温槽内的定标区；所述雪崩二极管设置有两个，所述波分复用器的另一输出端分别与两个所述雪崩二极管相连接，所述雪崩二极管的输出端与所述高速采集卡相连接；所述探测光缆由光纤和包裹光纤的外部屏蔽层组成；所述脉冲激光器产生的高功率短脉冲激光通过所述波分复用器后进入所述探测光缆内并在所述光纤中发生后向拉曼散射光，所述后向拉曼散射光原路返回所述波分复用器内并将所述后向拉曼散射光当中的斯托克斯光与反斯托克斯光提取出来，并将两种信号光分别通过两个所述雪崩二极管吸收转换为电信号并传输到所述高速采集卡；所述高速采集卡通过采集两种信号光数据并通过计算这两种信号光的光强度进而调出所述光纤中各个点的温度值。

所述高功率短脉冲激光的中心波长为1550nm；所述脉冲激光器内部内置有用于对所述脉冲激光器进行恒温控制的半导体制冷器。中心波长为1550nm的短脉冲激光在光纤中的损耗最小，因此能够在光纤中长距离传输，得以光纤测温的长度得到提升；半导体制冷器可以控制电流的流经方向并产生制冷或制热效果，将脉冲激光器控制在恒温范围内。

所述波分复用器具有四个通道，四个通道分别为：中心波长为1450nm的反斯托克斯出射光通道；中心波长为1660nm的斯托克斯出射光通道；中心波长为1550nm的入射光通道；包括1450nm、1550nm、1660nm三种中心波长的混合光通道。中心波长为1550nm的入射光通道，其拉曼散射光的斯托克斯光和反斯托克斯光的中心波长分别为1660nm和1450nm，散射光的中心波长波段与入射光波段相差较远，因此波分复用器可以更好地将不同波段的光提取出来。

所述雪崩二极管具有两个光探测通道，分别为：中心波长为1450nm的反斯托克斯光通道、以及中心波长为1660nm的斯托克斯光通道；所述雪崩二极管内部内置有用于对所述雪崩二极管进行恒温控制的半导体制冷器。半导体制冷器可以控制电流的流经方向并产生制冷或制热效果，将雪崩二极管控制在恒温范围内。

位于恒温槽内的定标区的所述探测光缆开始段的一段距离为200m。该定标区可以标定斯托克斯光和反斯托克斯光的比值，大幅度降低了由于斯托克斯光和反斯托克斯光波长差异在光纤中传播的不同对光强的影响。

所述高速采集卡设置有将所述雪崩二极管转换并传输而来的电信号进行采样及数据处理的FPGA。

所述探测光缆为采用直径为62.5μm的高导热型多模光纤。直径为62.5μm的高导热型多模光纤，可以更快速地反应光纤所在场所的温度场。

所述雪崩二极管响应的波长范围为900nm～1700nm，其响应带宽为150MHz。雪崩二极管的波长范围以及响应带宽的设定，可集成了信号调理和放大电路。

与现有技术对比，本发明的优点在于：本装置能够对电力电网设施进行长距离分布式温度监测并预警，与现有技术相比具有如下的有益效果：

1.对电力设备现场进行实时监控并对可能存在火灾发生的地点进行提前预警，提高了火灾报警的及时性，减小了火灾的发生及其带来的损害；

2.该装置采用了自主设计的计算方式，使用定标区减小了光纤传感中产生的误差，提高了温度的测量精度，提高了火灾预警的准确性；

对于工作时会升温的脉冲激光源和雪崩二极管，内置了半导体制冷器，控制了器件的温度，提高了整套系统工作时的稳定性。

附图说明

图1为本发明实施例的结构示意图。

图中附图标记含义：1、脉冲激光器；2、波分复用器；3、探测光缆；4、雪崩二极管；5、高速采集卡；6、短脉冲激光；7、后向拉曼散射光；8、定标区。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明的内容做进一步详细说明。

实施例

参阅图1，为一种分布式光纤测温装置，包括光路部分和电路部分；光路部分包括脉冲激光器1、波分复用器2、探测光缆3；电路部分包括雪崩二极管4、高速采集卡5；脉冲激光器1的输出端与波分复用器2相连接，波分复用器2的输出端与探测光缆3相连接；探测光缆3与波分复用器2输出端相接的一端为开始段，开始段的一段置于恒温槽内的定标区8；雪崩二极管4设置有两个，波分复用器2的另一输出端分别与两个雪崩二极管4相连接，雪崩二极管4的输出端与高速采集卡5相连接；探测光缆3由光纤和包裹光纤的外部屏蔽层组成；脉冲激光器1产生的高功率短脉冲激光6通过波分复用器2后进入探测光缆3内并在光纤中发生后向拉曼散射光7，后向拉曼散射光7原路返回波分复用器2内并将后向拉曼散射光7当中的斯托克斯光与反斯托克斯光提取出来，并将两种信号光分别通过两个雪崩二极管4吸收转换为电信号并传输到高速采集卡5；高速采集卡5通过采集两种信号光数据并通过计算这两种信号光的光强度进而调出光纤中各个点的温度值。

高功率短脉冲激光6的中心波长为1550nm；脉冲激光器1内部内置有用于对脉冲激光器1进行恒温控制的半导体制冷器。中心波长为1550nm的短脉冲激光在光纤中的损耗最小，因此能够在光纤中长距离传输，得以光纤测温的长度得到提升；半导体制冷器可以控制电流的流经方向并产生制冷或制热效果，将脉冲激光器1控制在恒温范围内，减小了器件因温度变化对信号的影响。

波分复用器2具有四个通道，四个通道分别为：中心波长为1450nm的反斯托克斯出射光通道；中心波长为1660nm的斯托克斯出射光通道；中心波长为1550nm的入射光通道；包括1450nm、1550nm、1660nm三种中心波长的混合光通道。中心波长为1550nm的入射光通道，其拉曼散射光的斯托克斯光和反斯托克斯光的中心波长分别为1660nm和1450nm，散射光的中心波长波段与入射光波段相差较远，因此波分复用器2可以更好地将不同波段的光提取出来。

雪崩二极管4具有两个光探测通道，分别为：中心波长为1450nm的反斯托克斯光通道、以及中心波长为1660nm的斯托克斯光通道；雪崩二极管4内部内置有用于对雪崩二极管4进行恒温控制的半导体制冷器。半导体制冷器可以控制电流的流经方向并产生制冷或制热效果，将雪崩二极管4控制在恒温范围内，减小了器件因温度变化对信号的影响。

位于恒温槽内的定标区8的探测光缆3开始段的一段距离为200m。该定标区8可以标定斯托克斯光和反斯托克斯光的比值，大幅度降低了由于斯托克斯光和反斯托克斯光波长差异在光纤中传播的不同对光强的影响。

高速采集卡5设置有将雪崩二极管4转换并传输而来的电信号进行采样及数据处理的FPGA。

探测光缆3为采用直径为62.5μm的高导热型多模光纤。直径为62.5μm的高导热型多模光纤，可以更快速地反应光纤所在场所的温度场。

雪崩二极管4响应的波长范围为900nm～1700nm，其响应带宽为150MHz。雪崩二极管4的波长范围以及响应带宽的设定，可集成了信号调理和放大电路。

本实施例中，高功率短脉冲激光6的峰值功率、脉冲宽度、脉冲频率根据实际工况进行分别调整以适应各种种类、长度的探测光纤光缆。

为了消除斯托克斯光和反斯托克斯光由于波长的差异而导致在返回光纤中的衰减差异以及探测器对两种光的响应差异，通过设定定标区8来消除这些影响所带来的误差，光纤中的计算公式为：

其中，T为探测点出的绝对温度值(K)，T₀为定标区的绝对温度值(K)，k为玻尔兹曼常数(J/K)，R(T)为探测点处反斯托克斯光与斯托克斯光强度的比值，R(T₀)定标区处的反斯托克斯光与斯托克斯光强度的比值，h为普朗克常量(J·S)，c为光速(m/s)，μ为拉曼频移波数(m^-1)。

高速采集卡5中数据的采集由FPGA进行高速采样及数据处理，其最小系统由振荡电路、电源电路及调试电路组成。

本实施例中，应用到如下几个原理：

1.DTS测温原理：利用的是拉曼光在光纤中的后向散射，实质上测量的是拉曼光在光纤中的传输损耗，因此需要减少系统中除了测温光纤中其他部分的损耗来尽可能的增大系统的稳定性和温度的可靠性。而光模块之间的连接插损等会对其造成较大影响，且受外界环境影响，光学模块集成一体化，最大限度地减少外界环境对光学模块以及模块之间连接对测温系统造成的影响。

2.DTS光源在工作的时候会产生较大的热量，且DTS光源和APD(即雪崩二极管4)需要工作在适宜且温度较为稳定的环境，因此需要对光源和APD(即雪崩二极管4)进行温控，现在大部分的温控措施是将光源与机箱用导热胶接触，将光源的热量通过机箱散发，这种散热方式不仅效率低，而且机箱所处的环境将很大程度上影响光源的温度，况且导热胶随着时间的推移会固化，变脆，导热效果减小甚至消失反而影响散热，从而对光源的正常工作带来很大的不稳定因素。我们的DTS系统的测温模块拥有半导体制冷器(TEC)控温，该器件不仅能够制冷，也能制热，不依靠外界环境，且集成一体化不受外界环境影响，控温效果不会随着时间推移而产生效果退化现象，能够将光源和APD控制在最佳的工作温度。

3.系统中测量的拉曼光中含斯托克斯光和反斯托克斯光，两者在光纤中有一定的传输差异，因此在本测温系统中有200m长的温度定标区8来消除差异来增强温度测量的稳定性和可靠性。

本实施例涉及的名词：

FPGA，为(Field－Programmable Gate Array)的简称，即现场可编程门阵列，它是在PAL、GAL、CPLD等可编程器件的基础上进一步发展的产物。它是作为专用集成电路(ASIC)领域中的一种半定制电路而出现的，既解决了定制电路的不足，又克服了原有可编程器件门电路数有限的缺点。

DTS，为(Distributed Temperature Sensing)的简称，用光源模块已经广泛应用于DTS分布式光纤测温系统、激光测距、光纤传感等领域的应用。设计纳秒级脉冲驱动电路，脉冲稳定，变形小；优化设计的低噪声掺铒光纤光路放大，实现高峰值、纳秒级脉冲激光输出，通过上位机软件，用户可以轻松操控。模块内部集成脉冲信号发生器，另外也可通过外触发信号实现脉冲输出。所有的模块经过严格的环境测试，保证了光源的长期可靠性和稳定性，非常适合系统集成。

本发明的具体实施流程如下：

信号控制脉冲激光器1发射出1kHz频率、10n宽、中心波长为1550nm的短脉冲激光6，该脉冲激光由波分复用器2的1550nm端口进入，由COM端口(即波分复用器2的输出端)出射到探测光缆3，光缆的初始200m长度放置在20℃的恒温槽中进行先温度定标；

经过温度定标后的探测光缆3分布铺设在所需探测的场所中，可以在重点观察点进行多圈缠绕以便获得更加准确的测量效果；

脉冲光在探测光缆3中发生拉曼散射现象，其中一部分沿光纤原路返回至波分复用器2的COM端口(即波分复用器2的输出端)，这一部分散射光中包含了中心波长为1450nm的反斯托克斯光和中心波长为1660nm的斯托克斯光；

反射光进入波分复用器2后，1450nm端口和1660nm端口分别出射中心波长为1450nm的反斯托克斯光和中心波长为1660nm的斯托克斯光；

反斯托克斯光和斯托克斯光分别进入雪崩二极管4进行信号放大进行信号采样并将信号传递给FPGA处理，高速采集卡5(本实施例中高速采集卡5为高速ADC采样卡)采样频率为100MHz；

FPGA获得信号后对信号进行累加取平均降噪处理，将湮没在噪声中的拉曼信号提取出后；

温度解调公式如下：

其中，T为探测点出的绝对温度值(K)，T₀为定标区的绝对温度值(K)，k为玻尔兹曼常数(J/K)，R(T)为探测点处反斯托克斯光与斯托克斯光强度的比值，R(T₀)定标区处的反斯托克斯光与斯托克斯光强度的比值，h为普朗克常量(J·S)，c为光速(m/s)，μ为拉曼频移波数(m^-1)；

通过解调反斯托克光和斯托克斯光的比值与温度的对应关系，即可获得传感光缆上的温度值；

通过200m长的恒温定标区8，消除了两种不同波长的光在光纤中不同损耗带来的影响，提高了测温精度；

通过给脉冲激光光源、雪崩二极管4内置半导体制冷器，给器件恒温的工作环境，提高了系统的工作稳定性。

上列详细说明是针对本发明可行实施例的具体说明，该实施例并非用以限制本发明的专利范围，凡未脱离本发明所为的等效实施或变更，均应包含于本案的专利范围中。

Claims (8)

1.分布式光纤测温装置，其特征在于：包括光路部分和电路部分；所述光路部分包括脉冲激光器、波分复用器、探测光缆；所述电路部分包括雪崩二极管、高速采集卡；所述脉冲激光器的输出端与所述波分复用器相连接，所述波分复用器的输出端与所述探测光缆相连接；所述探测光缆与所述波分复用器输出端相接的一端为开始段，所述开始段的一段置于恒温槽内的定标区；所述雪崩二极管设置有两个，所述波分复用器的另一输出端分别与两个所述雪崩二极管相连接，所述雪崩二极管的输出端与所述高速采集卡相连接；所述探测光缆由光纤和包裹光纤的外部屏蔽层组成；所述脉冲激光器产生的高功率短脉冲激光通过所述波分复用器后进入所述探测光缆内并在所述光纤中发生后向拉曼散射光，所述后向拉曼散射光原路返回所述波分复用器内并将所述后向拉曼散射光当中的斯托克斯光与反斯托克斯光提取出来，并将两种信号光分别通过两个所述雪崩二极管吸收转换为电信号并传输到所述高速采集卡；所述高速采集卡通过采集两种信号光数据并通过计算这两种信号光的光强度进而调出所述光纤中各个点的温度值。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤测温装置，其特征在于：所述高功率短脉冲激光的中心波长为1550nm；所述脉冲激光器内部内置有用于对所述脉冲激光器进行恒温控制的半导体制冷器。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤测温装置，其特征在于：所述波分复用器具有四个通道，四个通道分别为：中心波长为1450nm的反斯托克斯出射光通道；中心波长为1660nm的斯托克斯出射光通道；中心波长为1550nm的入射光通道；包括1450nm、1550nm、1660nm三种中心波长的混合光通道。

4.根据权利要求1所述的分布式光纤测温装置，其特征在于：所述雪崩二极管具有两个光探测通道，分别为：中心波长为1450nm的反斯托克斯光通道、以及中心波长为1660nm的斯托克斯光通道；所述雪崩二极管内部内置有用于对所述雪崩二极管进行恒温控制的半导体制冷器。

5.根据权利要求1所述的分布式光纤测温装置，其特征在于：位于恒温槽内的定标区的所述探测光缆开始段的一段距离为200m。

6.根据权利要求1所述的分布式光纤测温装置，其特征在于：所述高速采集卡设置有将所述雪崩二极管转换并传输而来的电信号进行采样及数据处理的FPGA。

7.根据权利要求1所述的分布式光纤测温装置，其特征在于：所述探测光缆为采用直径为62.5μm的高导热型多模光纤。

8.根据权利要求1所述的分布式光纤测温装置，其特征在于：所述雪崩二极管响应的波长范围为900nm～1700nm，其响应带宽为150MHz。