CN110987231A - 一种分布式光纤快速监测超导体温度系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种分布式光纤快速监测超导体温度系统，包括分布式单模光纤拉曼测温设备、超导体、聚酰亚胺单模光纤、液氮槽、函数发生器和示波器，所述的超导体表面进行开槽，所述的聚酰亚胺单模光纤安装在超导体的表面槽内，本发明的有益效果是：1、分布式光纤快速检测超导体温度系统，可以实现液氮环境中，对超导体进行状态监测。2、分布式光纤快速检测超导体温度系统，可以高空间分辨率和高精度的测量出超导体的温度。在液氮环境中，温度测量精度±2℃。3、分布式光纤快速检测超导体温度系统，可以超快速的对温度变化进行响应，响应速度为0.1s。4、分布式单模光纤拉曼测温设备稳定，便于携带。

Description

一种分布式光纤快速监测超导体温度系统
技术领域
本发明涉及光纤技术领域，具体是一种分布式光纤快速监测超导体温度系统。
背景技术
特殊金属在液氮环境中表现为超导状态，理想条件下，导体不会发热，可以通过很大的电流。但是当超导体的材料出现问题时，在液氮中就不能表现为超导状态，就有较大的电阻存在，造成导体发热，甚至烧断。如果可以测量超导体的温度，在升温初期就可以切断电流，保护超导体不被烧断，所以实时测量超导体各个点的温度是非常有必要的。
在一个大气压下，液氮的温度为-196℃。如果对超导体进行温度监测，需要采用一种测温传感器可以在液氮的环境下工作。由于光纤是光导纤维，其工作温度范围比较宽。所以仅需要一根单模光纤作为感知的介质，再利用分布式单模光纤拉曼测温传感技术可以实现超导体各个温度点的连续监测。
目前在液氮环境下进行测量物理量的专利有，在2017年3月24日申请的、申请号为201710182354.6的中国专利“一种利用光纤光栅在超低温下测量材料应变的方法”。和在2017年1月19日申请的，申请号为201710043179.2的中国专利“一种嵌入式低温光纤温度传感器及其制备方法”。但是目前在超低温下这些系统只能给出被测物体某一点的应变和温度信息，都不能实现空间上连续地对超导体进行温度监测。如果要测到超导体的过流温度变化，需要测量系统对温度有非常快的响应速度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分布式光纤快速监测超导体温度系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种分布式光纤快速监测超导体温度系统，包括分布式单模光纤拉曼测温设备、超导体、聚酰亚胺单模光纤、液氮槽、函数发生器和示波器，所述的超导体表面进行开槽，所述的聚酰亚胺单模光纤安装在超导体的表面槽内，所述的聚酰亚胺单模光纤接入到所述的分布式单模光纤拉曼测温设备上，所述的超导体会放置进入到所述的液氮槽中，所述的函数发生器接入到所述超导体的一端，所述的示波器接入到超导体的另一端。
作为本发明的进一步方案：所述的聚酰亚胺单模光纤通过胶灌封装的工艺封入超导体2的表面槽内。
作为本发明的进一步方案：所述分布式单模光纤拉曼测温设备包括窄线宽激光器LD、声光调制器AOM、声光调制器驱动、任意波形发生器AWG、掺饵光纤放大器EDFA、光纤光栅滤波器、拉曼二阶放大器、波分复用器WDM1、环形器、波分复用器WDM2、波分复用器WDM3、探测器APD、双路放大电路、两通道采集卡、计算机。
作为本发明的进一步方案：所述窄线宽激光器LD的输出端与声光调制器AOM输入端连接，用于窄线宽激光器输出的连续激光进入声光调制器AOM中，任意波形发生器AWG位于声光调制器驱动上方，用于任意波形发生器AWG输出的电脉冲信号加载到声光调制器驱动上，声光调制器驱动将脉冲射频信号加载在声光调制器AOM上，用于将连续激光调制成脉冲光，声光调制器AOM的输出端与掺饵光纤放大器EDFA的输入端连接，用于脉冲光功率的放大，掺饵光纤放大器EDFA的输出端与光纤光栅滤波器的输入端连接，用于滤除滤波器带宽外的噪声，以提高信噪比，光纤光栅滤波器的输出端与波分复用WDM1的输入端口1连接，拉曼二阶放大器输出与波分复用WDM1的输入端口2连接，波分复用WDM1输出端与环形器1端口连接，通过环形器第2端口输出，将脉冲光注入单模光纤，背向拉曼散射光通过环形器第2端口输入，环形器第3输出端口与波分复用器WDM2的输入端口连接，波分复用器WDM2的输出1端口和探测器APD的1通道连接，波分复用器WDM2的输出端口2与波分复用器WDM3的输入端口连接，用于将去掉波长其余的光通过，波分复用器WDM3的输出端口2与探测器APD的通道2连接，用于将波长为的光去掉，其余的光通过探测器进行光电转化，波分复用器WDM3的输出端口1进行打结，探测器APD两个输出端口，分别与双路放大电路连接，用于微弱的电信号的放大，双路放大电路的输出端与两通道采集卡的输入端连接，用于两路电信号的采集，两通道采集卡与计算机通过网线连接，用于数据的传输，任意波形发生器AWG，会产生脉冲对采集卡进行信号的触发，使信号采集同步，聚酰亚胺光纤可以换成聚酰亚胺小弯半径光纤，增强光纤在液氮中的强度，利用胶灌封装的方式将光纤固定于超导体上，也可以利用焊接的方式进行固定，任意波形发生器AWG的两个通道，产生两个同步的电脉冲信号，通过采集卡产生触发信号，也可以控制任意波形发生器AWG，波分复用器WDM和波分复用器WDM的后级可以增加光纤滤波器和光纤滤波器，可以起到提高信噪比的作用。
作为本发明的进一步方案：所述波分复用器WDM1为1380nm的波分复用器。
作为本发明的进一步方案：所述波分复用器WDM2为1450nm的波分复用器。
作为本发明的进一步方案：所述波分复用器WDM3为1663nm的波分复用器。
一种分布式光纤快速检测超导体温度系统的测温方法，包括以下步骤：步骤一、将聚酰亚胺光纤封装到超导体中，然后将超导体放置于液氮槽中。步骤二、将聚酰亚胺光纤的一端接入到分布式单模光纤拉曼测温设备，进行温度的监测。步骤三、通过函数发生器产生脉冲，同时利用分布式单模光纤拉曼测温设备进行温度监测，并用示波器对函数发生器产生的脉冲信号进行监测。
一种分布式单模光纤拉曼测温设备的测温方法，包括以下步骤：步骤一、窄线宽激光器的光进入到声光调制器AOM中，调制成了高消光比的脉冲光。步骤二、脉冲光经过掺饵光纤放大器EDFA进行放大。步骤三、将放大的脉冲光经过光纤光栅滤波器进行带宽外噪声滤波。步骤四、通过WDM1将1380nm的拉曼二阶放大器的光注入到光纤中，为了放大光纤中1450nm波长的光。步骤五、再通过环形器的第1输出端口进入单模传感光纤；步骤六、背向的拉曼散射信号通过环形器的第2端口输入，通过第3端口进行输出。步骤七、通过光纤波分复用器WDM1和光纤波分复用器WDM2，将瑞利散射光和anti-stokes光进行分离。步骤八、分别用探测器APD的两个通道，将光信号转化成电信号。步骤九、需要通过双路放大电路进行拉曼电信号的放大。步骤十、通过双通道采集卡，进行信号的采集。步骤十一、通过网线将采集卡采集到的数据传输到计算机中进行数据的处理。步骤十二、通过任意函数发生器AWG给采集卡提供触发信号。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、分布式光纤快速检测超导体温度系统，可以实现液氮环境中，对超导体进行状态监测。2、分布式光纤快速检测超导体温度系统，可以高空间分辨率和高精度的测量出超导体的温度。在液氮环境中，温度测量精度±2℃。3、分布式光纤快速检测超导体温度系统，可以超快速的对温度变化进行响应，响应速度为0.1s。4、分布式单模光纤拉曼测温设备稳定，便于携带。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是分布式单模光纤拉曼测温设备结构示意图。
图1中：分布式单模光纤拉曼测温设备-1、聚酰亚胺单模光纤-2，液氮槽-3，超导体-4，函数发生器-5，示波器-6。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例1：请参阅图1，本发明实施例中，一种分布式光纤快速监测超导体温度系统，包括分布式单模光纤拉曼测温设备1，聚酰亚胺单模光纤2，液氮槽3，超导体4，函数发生器5，示波器6等。
所述超导体4表面进行开槽，将所述的聚酰亚胺单模2光纤通过胶灌封的工艺封入超导体的表面槽内。
所述聚酰亚胺单模光纤2接入到所述的分布式单模光纤拉曼测温设备1上。
所述超导体4会放置进入到所述的液氮槽3中。
所述函数发生器5接入到所述超导体4的一端，所述的示波器6接入到超导体4的另一端。所述的示波器6用于观测函数发生器5经过超导体4后的波形。
所述分布式单模光纤拉曼测温设备，包括窄线宽激光器LD、声光调制器AOM、声光调制器驱动、任意波形发生器AWG、掺饵光纤放大器EDFA、光纤光栅滤波器、1380nm的拉曼二阶放大器、1380nm的波分复用器WDM1、环形器、1450nm波分复用器WDM2、1663nm波分复用器WDM3、探测器APD、双路放大电路、两通道采集卡、计算机。
所述窄线宽激光器LD的输出端与所述声光调制器AOM输入端连接，用于窄线宽激光器输出的连续激光进入声光调制器AOM中。
所述任意波形发生器AWG位于所述声光调制器驱动上方，用于任意波形发生器AWG输出的电脉冲信号加载到声光调制器驱动上。
所述声光调制器驱动将脉冲射频信号加载在声光调制器AOM上，用于将连续激光调制成脉冲光。
所述声光调制器AOM的输出端与所述的掺饵光纤放大器EDFA的输入端连接，用于脉冲光功率的放大。
所述掺饵光纤放大器EDFA的输出端与所述光纤光栅滤波器的输入端连接，用于滤除滤波器带宽外的噪声，以提高信噪比。
所述光纤光栅滤波器的输出端与所述的1380nm波分复用WDM1的输入端口1连接，所述的1380nm的拉曼二阶放大器输出与1380nm波分复用WDM1的输入端口2连接，1380nm波长的光注入到光纤中，是为了放大光纤中传输的1450nm波长的光信号。
所述的1380nm波分复用WDM1输出端与环形器第1端口连接，通过所述环形器第2端口输出，将脉冲光注入所述单模光纤，背向拉曼散射光通过环形器第2端口输入。
所述环形器第3输出端口与所述1450nm波分复用器WDM2的输入端口连接。所述1450nm波分复用器WDM2的输出1端口和所述探测器APD的1通道连接，用于将波长为1450nm的光分离，并通过探测器进行光电转化。
所述1450nm波分复用器WDM2的输出端口2与所述1663nm波分复用器WDM3的输入端口连接，用于将去掉1450nm波长其余的光通过。
所述1663nm波分复用器WDM3的输出端口2与所述的探测器APD的通道2连接，用于将波长为1663nm的光去掉，其余的通过探测器进行光电转化。1663nm波分复用器WDM3的输出端口1进行打结。
所述探测器APD两个输出端口，分别与所述双路放大电路连接，用于微弱的电信号的放大。
所述双路放大电路的输出端与所述两通道采集卡的输入端连接，用于两路电信号的采集，所述两通道采集卡与所述计算机通过网线连接，用于数据的传输。
所述任意波形发生器AWG，会产生脉冲对所述的采集卡进行信号的触发，使信号采集同步。
具体地：所述聚酰亚胺光纤可以换成聚酰亚胺小弯半径光纤，增强光纤在液氮中的强度。
具体地：所述利用胶灌封的方式将光纤固定于超导体上，也可以利用焊接的方式进行固定。
具体地：所述任意波形发生器AWG的两个通道，产生两个同步的电脉冲信号，通过采集卡产生触发信号，也可以控制任意波形发生器AWG。
具体地：所述1450nm的波分复用器WDM-10和1663nm的波分复用器WDM-11的后级可以增加1450nm光纤滤波器和1663nm光纤滤波器，可以起到提高信噪比的作用。
实施例2：在实施例1的基础上，
分布式单模光纤拉曼测温设备的对温度进行解算的算法如下：
Anti-Stokes拉曼背向散射光子数：
Figure BDA0002331297330000071
Rayleigh背向散射光子数：
Figure BDA0002331297330000072
以上各式中，Ne为入射进光纤的每个激光脉冲所包含的光子数；KS,KAS,KR分别为与光纤Stokes和Anti-Stokes拉曼散射截面、瑞利散射截面等有关的系数；S为光纤的背向散射因子；vS,vaS,v0分别为Stokes和Anti-Stokes拉曼光子频率，入射光子频率。αS,αAS,α0为光纤中Stokes和Anti-Stokes拉曼散射光子，入射光子的平均传输损耗；L为光纤的长度；RS(T),RAS(T)分别与光纤分子拉曼散射相关的分子上、下能级的布居数有关，分子能级上的布居数与温度有关，它们为
Rs(T)＝[1-exp(-hΔv/kT)]-1
RAS(T)＝[exp(hΔv/kT)-1]-1
其中Δv为拉曼声子频率；h为普朗克常数，k为玻尔兹曼常数。当光纤局域位置处的温度变化时，调制了光纤拉曼散射的光子数，也就是光纤拉曼背向散射的温度调制机理。
Anti-Stokes拉曼散射与Rayleigh散射光子数的比值为
Figure BDA0002331297330000081
在实际测量中，用已知起始温度T＝T0时的上式来确定光纤各点的温度，即
Figure BDA0002331297330000082
实测中也不是直接测量光子数的比值而是经光电变换后的信号电平的比值。上式中与光子数比值相应的信号电平的比值可由实验测得，起始温度T0为已知，则从上式中可确定光纤上各点的温度T。
分布式单模光纤拉曼测温设备温度标定方法
只有理想的分布式光纤温度传感器的Anti-Stokes和Rayleigh光信号通道才有相同的散射系数、相同的响应度和相同的滤波因子。因此，通过在光纤上设置定标区，可以消除Anti-Stokes和Rayleigh信号处理通道的散射系数、响应度和光滤波因子等灵敏度不同对温度测量带来的误差，解决温度传感的温度基准问题，为分布式光纤温度传感器的标准测量打下良好的基础。
(一)在机箱内放置350m的参考光纤，假设温度恒定，把该段光纤设定为定标区，定标区的温度为恒定值Tc。
(二)消除两通道灵敏度不同对温度测量的影响
激光器发出峰值功率为P0，持续时间为ΔT的矩形脉冲光，并耦合进光纤中。根据推导可得出APD探测器中产生的Rayleigh/Anti-Stokes光电流分别为：
Rayleigh光：
Figure BDA0002331297330000091
Anti-Stokes光:
Figure BDA0002331297330000092
式中KR,Kas---Rayleigh和Anti-Stokes光信号的响应度
S-----------光纤的后向散射因子
n01---------光源和光纤的耦合系数
n02----------耦合器反向分光比和光纤-光检测耦合因子的乘积
fR,fas-----------Rayleigh和Anti-Stokes光滤波因子
α0R,α0as-------Rayleigh和Anti-Stokes光信号的后项散射系数
αR,αas----------Rayleigh和Anti-Stokes光信号的损耗系数
则比值为
Figure BDA0002331297330000093
在温度标定区域Anti-Stokes和Rayleigh后向散射信号测量的比值是
Figure BDA0002331297330000094
由于在常温下，光纤上任意两点的散射系数和传感器的响应度不会发生变化，将上诉两式相比得，式中包含了温度测量区光纤上空间点的温度
Figure BDA0002331297330000101
由此可得，这个比值消除了Anti-Stokes和Rayleigh的信号通道中灵敏度不同对温度测量结果的影响。由上式得温度测量的公式
Figure BDA0002331297330000102
设置定标区的方法可以消除Rayleigh和Anti-Stokes光信号传输过程中散射系数、光滤波因子和APD响应度差异对测量结果的影响。
(三)消除Rayleigh和Anti-Stokes损耗系数对温度测量结果的影响
Raman信号的损耗系数与光纤上对应空间点的温度有关。假设整根光纤的温度恒定，选取两个空间点L1,L2。Raman后项散射光的幅值为I(L1),I(L2)。
Figure BDA0002331297330000103
根据上式可以求出Rayleigh和Anti-Stokes信号损耗系数αR(T),αas(T):
Figure BDA0002331297330000104
Figure BDA0002331297330000105
光纤上与温度有关的拉曼散射信号损耗系数差异是αd(T)是
αd(T)＝2αas(T)-2αR(T)
这样，就可以得出APD探测的光纤上L处的Rayleigh和Anti-Stokes信号的光强度由以下两式表示
Figure BDA0002331297330000111
Figure BDA0002331297330000112
两式相比可以得到除去损耗系数差的Anti-Stokes和Rayleigh的信号比值Rc
Figure BDA0002331297330000113
将Rc(T)代入上式中，可得到光纤上L处的温度T(传感光纤定标区的温度为Tc)。光纤上的测量区温度T(L)可用下式来表示
Figure BDA0002331297330000114
该公式包含了光纤上与温度有关的Raman信号的损耗系数差的积分，因为这一公式两边都包含了未知的温度分布，所以这个公式是不可解的。为了解出这一方程，可以用连续求和或者叠代收敛的方法，从而得到T(L)。连续求和方法是当计算第N个点的温度时，把上式的积分用第0点-第N-1点的Raman信号的损耗系数差αd(T)的和来表示，这样易于软件编程处理，其公式是
Figure BDA0002331297330000115
采用连续求和的方法可以较好的解决光纤中存在的Raman信号损耗系数差异的问题。
对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (7)

1.一种分布式光纤快速监测超导体温度系统，包括分布式单模光纤拉曼测温设备（1）、超导体（2）、聚酰亚胺单模光纤（3）、液氮槽（4）、函数发生器（5）和示波器（6），其特征在于，所述的超导体（2）表面进行开槽，所述的聚酰亚胺单模光纤（3）安装在超导体（2）的表面槽内，所述的聚酰亚胺单模光纤（3）接入到所述的分布式单模光纤拉曼测温设备（1）上，所述的超导体（2）会放置进入到所述的液氮槽（4）中，所述的函数发生器（5）接入到所述超导体（2）的一端，所述的示波器（6）接入到超导体（2）的另一端。
2.根据权利要求3所述的一种分布式光纤快速监测超导体温度系统，其特征在于，所述的聚酰亚胺单模光纤（3）通过胶灌封装的工艺封入超导体2的表面槽内。
3.根据权利要求1所述的一种分布式光纤快速监测超导体温度系统，其特征在于，所述分布式单模光纤拉曼测温设备包括窄线宽激光器LD、声光调制器AOM、声光调制器驱动、任意波形发生器AWG、掺饵光纤放大器EDFA、光纤光栅滤波器、拉曼二阶放大器、波分复用器WDM1、环形器、波分复用器WDM2、波分复用器WDM3、探测器APD、双路放大电路、两通道采集卡、计算机。
4.根据权利要求3所述的一种分布式光纤快速监测超导体温度系统，其特征在于，所述窄线宽激光器LD的输出端与声光调制器AOM输入端连接，用于窄线宽激光器输出的连续激光进入声光调制器AOM中，任意波形发生器AWG位于声光调制器驱动上方，用于任意波形发生器AWG输出的电脉冲信号加载到声光调制器驱动上，声光调制器驱动将脉冲射频信号加载在声光调制器AOM上，用于将连续激光调制成脉冲光，声光调制器AOM的输出端与掺饵光纤放大器EDFA的输入端连接，用于脉冲光功率的放大，掺饵光纤放大器EDFA的输出端与光纤光栅滤波器的输入端连接，用于滤除滤波器带宽外的噪声，以提高信噪比，光纤光栅滤波器的输出端与波分复用WDM1的输入端口1连接，拉曼二阶放大器输出与波分复用WDM1的输入端口2连接，波分复用WDM1输出端与环形器1端口连接，通过环形器第2端口输出，将脉冲光注入单模光纤，背向拉曼散射光通过环形器第2端口输入，环形器第3输出端口与波分复用器WDM2的输入端口连接，波分复用器WDM2的输出1端口和探测器APD的1通道连接，波分复用器WDM2的输出端口2与波分复用器WDM3的输入端口连接，用于将去掉波长其余的光通过，波分复用器WDM3的输出端口2与探测器APD的通道2连接，用于将波长为的光去掉，其余的光通过探测器进行光电转化，波分复用器WDM3的输出端口1进行打结，探测器APD两个输出端口，分别与双路放大电路连接，用于微弱的电信号的放大，双路放大电路的输出端与两通道采集卡的输入端连接，用于两路电信号的采集，两通道采集卡与计算机通过网线连接，用于数据的传输，任意波形发生器AWG，会产生脉冲对采集卡进行信号的触发，使信号采集同步，聚酰亚胺光纤可以换成聚酰亚胺小弯半径光纤，增强光纤在液氮中的强度，利用胶灌封装的方式将光纤固定于超导体上，也可以利用焊接的方式进行固定，任意波形发生器AWG的两个通道，产生两个同步的电脉冲信号，通过采集卡产生触发信号，也可以控制任意波形发生器AWG，波分复用器WDM和波分复用器WDM的后级可以增加光纤滤波器和光纤滤波器，可以起到提高信噪比的作用。
5.根据权利要求4所述的一种分布式光纤快速监测超导体温度系统，其特征在于，所述波分复用器WDM1为1380nm的波分复用器。
6.根据权利要求4所述的一种分布式光纤快速监测超导体温度系统，其特征在于，所述波分复用器WDM2为1450nm的波分复用器。
7.根据权利要求4所述的一种分布式光纤快速监测超导体温度系统，其特征在于，所述波分复用器WDM3为1663nm的波分复用器。
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