CN111060215A - 一种分布式光纤温度传感器空间分辨率的检测方法 - Google Patents

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陈跃华
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Abstract

本发明涉及一种分布式光纤温度传感器空间分辨率的检测方法，包括构建温度突变环境：构建两个独立的密封腔，将光纤放置在密封腔内及室温环境下，并通过加热电缆对密封腔内的光纤加热；获取温度跳变区域：对光纤的温度进行采集得到温度曲线，并分别得到低温区域、高温区域和温度突变区域；求取空间分辨率：分别计算低温区域、高温区域的平均温度TL和TH，其温度差ΔT＝TH‑TL，取10％～90％ΔT所对应的光纤长度为空间分辨率δ。本发明通过构建温度突变环境、获取温度跳变区域进而求得空间分辨率，计算流程简单，对于由于软硬件变化或者外部环境变化的响应非常明显，同时利用加热电缆和温控表对密封腔内光纤的温度进行控制，加热速度快、灵敏且测试时间短。

Description

一种分布式光纤温度传感器空间分辨率的检测方法
技术领域
本发明涉及光纤传感技术领域，特别涉及一种分布式光纤温度传感器空间分辨率的检测方法。
背景技术
分布式光纤温度传感器技术主要依据光纤的光时域反射和光纤的背向喇曼散射温度效应，测量沿光纤每一点的温度。其中空间分辨率是分布式光纤温度传感器中一项重要的指标参数，是指能够实现温度准确测量的最小光纤长度，该参数决定了分布式光纤温度传感器对光纤线路上温度变化识别能力，有助于检验硬件设计或者软件算法是否合理。但是，现有空间分辨率的检测方法测试时间长、速度慢且响应不明显，不利于空间分辨率的测量。因此，现有技术有待发展。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中存在的缺点，提供一种测试时间短、速度快且响应明显的分布式光纤温度传感器空间分辨率的检测方法。
为了实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
本发明提供了一种分布式光纤温度传感器空间分辨率的检测方法，包括以下步骤：
构建温度突变环境：构建两个独立的密封腔，将光纤先后放置在其中一个密封腔、室温环境以及另外一个密封腔内，所述光纤的两端与分布式光纤温度传感器的端口连接形成闭环，所述密封腔内设置有加热电缆和温控表，用于对所述光纤进行加热；
获取温度跳变区域：分布式光纤温度传感器对光纤的温度进行采集得到温度曲线，并在温度曲线上分别得到低温区域、高温区域和温度突变区域，其中低温区域为室温环境下的光纤温度，高温区域为密封腔内的光纤温度，温度突变区域为室温环境与密封腔交界处的光纤温度；
求取空间分辨率：分别计算低温区域、高温区域的平均温度TL和TH，其温度差ΔT＝TH-TL，取10％～90％ΔT所对应的这段光纤长度为所述分布式光纤温度传感器的空间分辨率δ。
进一步地，求取空间分辨率还包括：在温度突变区域中选择多个节点并利用最小二乘法进行曲线拟合，得到温度突变区域的表达方程为T＝a*L3+b*L2+c*L+d，其中T为光纤温度，L为光纤长度，a、b、c、d为最小二乘法拟合出来的3次曲线各项系数；
计算10％ΔT对应的光纤温度Tl＝TL+ΔT*0.1、以及90％ΔT对应的光纤温度Th＝TH-ΔT*0.1，将Tl、Th代入温度突变区域的表达方程中分别得到对应的光纤位置Ltl和Lth，所述分布式光纤温度传感器的空间分辨率为δ＝Lth-Ltl。
进一步地，所述密封腔内光纤的温度至少比室温环境光纤的温度高30℃。
进一步地，分别求取两个所述密封腔与室温环境交界处对应的空间分辨率δ1和δ2，且δ1＝δ2。
进一步地，所述加热电缆呈螺旋状。
本发明技术方案具有的有益效果：
本发明通过构建温度突变环境、获取温度跳变区域进而求得分布式光纤温度传感器的空间分辨率，计算流程简单，对于由于软硬件变化或者外部环境变化的响应非常明显，同时利用加热电缆和温控表对密封腔内光纤的温度进行控制，加热速度快、灵敏且测试时间短。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明光纤温度分布的曲线图；
图3是本发明求取空间分辨率的示意图；
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，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作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。
需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。
请参考图1-3，本发明提供了一种分布式光纤温度传感器空间分辨率的检测方法，包括以下步骤：
构建温度突变环境：构建两个独立的密封腔，将光纤先后放置在其中一个密封腔、室温环境以及另外一个密封腔内，也就是说将所述光纤分为三个部分，其中两端部分分别容置于所述密封腔内，中间部分容置于所述室温环境下，从而使得所述光纤处于三个不同的温度环境下，而且所述光纤的两端与分布式光纤温度传感器的端口连接形成闭环，所述分布式光纤温度传感器对所述光纤上每个点的温度进行采集，所述密封腔内设置有加热电缆和温控表，用于对所述光纤进行加热，使得处于所述密封腔内光纤的温度高于处于室温环境下光纤的温度，即处于室温环境下光纤与处于所述密封腔内光纤的交界处有一个温度跳变，从而完成温度突变环境的构建；
获取温度跳变区域：分布式光纤温度传感器对光纤的温度进行采集得到温度曲线，并在温度曲线上分别得到低温区域、高温区域和温度突变区域。初始时所述密封腔的内部跟室温环境温度相同，当加热后所述密封腔的内部温度逐渐上升，待内部温度稳定后，所述密封腔内部的光纤和所述室温环境下的光纤之间有个温度跳变，即温度跳变区域。其中低温区域为室温环境下的光纤温度，高温区域为密封腔内的光纤温度，温度突变区域为室温环境与密封腔交界处的光纤温度；
求取空间分辨率：分别计算低温区域、高温区域的平均温度TL和TH，其温度差ΔT＝TH-TL，取10％～90％ΔT所对应的这段光纤长度为所述分布式光纤温度传感器的空间分辨率δ。
在本实施方式中，分布式光纤温度传感器在光纤中发射激光，光纤在每个位置的后向散射信号，分布式光纤温度传感器根据采集到的信号强弱并经过内部算法处理计算出来光纤各个点的温度。本发明由加热电缆和温控表组成的加热结构便携小巧，可携带到各种试验现场进行标定和测量，而且加温速度快、提供的高低温环境稳定。
本发明通过构建温度突变环境、获取温度跳变区域进而求得分布式光纤温度传感器的空间分辨率，计算流程简单，对于由于软硬件变化或者外部环境变化的响应非常明显，同时利用加热电缆和温控表对密封腔内光纤的温度进行控制，加热速度快、灵敏且测试时间短，有助于检验硬件设计或者软件算法是否合理。
进一步地，求取空间分辨率还包括：在温度突变区域中选择多个节点并利用最小二乘法进行曲线拟合，得到温度突变区域的表达方程为T＝a*L3+b*L2+c*L+d，其中T为光纤温度，L为光纤长度，a、b、c、d为最小二乘法拟合出来的3次曲线各项系数；其中，节点的个数多少取决于分布式光纤温度传感器数据采集的速率和空间分辨率的大小，在本发明中只需要选择4个节点即可。本发明通过最小二乘法进行曲线拟合，确定了温度突变区域中光纤长度与光纤温度的关系，可以通过拟合函数与观测数据的误差分析干扰因素，进而确定优化策略。
计算10％ΔT对应的光纤温度Tl＝TL+ΔT*0.1、以及90％ΔT对应的光纤温度Th＝TH-ΔT*0.1，将Tl、Th代入温度突变区域的表达方程中分别得到对应的光纤位置Ltl和Lth，所述分布式光纤温度传感器的空间分辨率为δ＝Lth-Ltl。上述计算过程容易通过计算机的简单程序实现，对于由于软硬件变化或者外部环境变化的响应非常明显。
在本实施方式中，为了制造一个温度跳变的台阶，所述密封腔内光纤的温度至少比室温环境下光纤的温度高30℃，保证处于室温环境下与所述密封腔交界处的光纤温度跳变明显，有利于实验者观察，同时便于下一步骤的进行，方便获取所述温度突变区域的曲线方程，进而求得空间分辨率。在实际应用中，根据测试光纤的类型来确定所需要设置的温度范围，对于普通光纤温度不高于℃、对于高温光纤不高于200℃。
进一步地，分别求取两个所述密封腔与室温环境交界处对应的空间分辨率δ1和δ2，且δ1＝δ2。本发明设置两个所述密封腔，可同时测得空间分辨率δ1和δ2，当δ1＝δ2时，确保所测得的空间分辨率是正确无误的，进而可以用来确定硬件设计或者软件算法的合理性。
进一步地，所述加热电缆呈螺旋状，将所述光纤盘旋收容，能够充分利用所述密封腔内的空间，最大限度容纳所述光纤，同时防止所述密封腔内的光纤杂乱无章、摆放混乱。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无法对所有的实施方式予以穷举。凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种分布式光纤温度传感器空间分辨率的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
构建温度突变环境：构建两个独立的密封腔，将光纤先后放置在其中一个密封腔、室温环境以及另外一个密封腔内，所述光纤的两端与分布式光纤温度传感器的端口连接形成闭环，所述密封腔内设置有加热电缆和温控表，用于对所述光纤进行加热；
获取温度跳变区域：分布式光纤温度传感器对光纤的温度进行采集得到温度曲线，并在温度曲线上分别得到低温区域、高温区域和温度突变区域，其中低温区域为室温环境下的光纤温度，高温区域为密封腔内的光纤温度，温度突变区域为室温环境与密封腔交界处的光纤温度；
求取空间分辨率：分别计算低温区域、高温区域的平均温度TL和TH，其温度差ΔT＝TH-TL，取10％～90％ΔT所对应的这段光纤长度为所述分布式光纤温度传感器的空间分辨率δ。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器空间分辨率的检测方法，其特征在于，求取空间分辨率还包括：在温度突变区域中选择多个节点并利用最小二乘法进行曲线拟合，得到温度突变区域的表达方程为T＝a*L3+b*L2+c*L+d，其中T为光纤温度，L为光纤长度，a、b、c、d为最小二乘法拟合出来的3次曲线各项系数；
计算10％ΔT对应的光纤温度Tl＝TL+ΔT*0.1、以及90％ΔT对应的光纤温度Th＝TH-ΔT*0.1，将Tl、Th代入温度突变区域的表达方程中分别得到对应的光纤位置Ltl和Lth，所述分布式光纤温度传感器的空间分辨率为δ＝Lth-Ltl。
3.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器空间分辨率的检测方法，其特征在于，所述密封腔内光纤的温度至少比室温环境光纤的温度高30℃。
4.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器空间分辨率的检测方法，其特征在于，分别求取两个所述密封腔与室温环境交界处对应的空间分辨率δ1和δ2，且δ1＝δ2。
5.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器空间分辨率的检测方法，其特征在于，所述加热电缆呈螺旋状。
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