CN111060216A - 光纤测温系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光纤测温系统，包括：单线光纤与嵌入式解调仪，嵌入式解调仪适于对单线光纤发射激光，以及接收单线光纤所反射的激光，且嵌入式解调仪适于对所反射的激光进行建模、计算，以测量出多点的实时温度。光纤测温系统的嵌入式解调仪中集成了发射激光、分离反射激光并接收，且可以对所接收激光进行建模与计算等功能，因此，仅通过将单线光纤与嵌入式解调仪相连，并将单线光纤分布在所需检测温度的场地中，嵌入式解调仪便可直接将光纤所反射回来的光信号解调成可呈现温度数值的电信号，从而无需使用PC等电脑终端，不仅方便了对温度的检测以及缩小了成本，还可以实现对场地进行分布式的温度检测，保证了场地检测温度的可靠。

Description

光纤测温系统

技术领域

本发明涉及测温系统领域领域，具体而言，涉及一种光纤测温系统。

背景技术

目前的光纤测温系统一般只能做到单点测温，而对矿井等范围较大，且地形复杂、危险系数高的场地来说，需要对场地进行分布式温度进行实时测量，而使用单点测温的成本高，且检测覆盖范围无法保证，从而无法实现分布式测温，即便有些光纤测温系统可实现分布式测温，但是，需要PC等电脑终端设备的协同工作，而光纤测温系统需要长时间地对其进行检测，而PC等电脑终端设备无法保证长时间工作的稳定性。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决现有技术中的上述技术问题之一。为此，本发明提出一种光纤测温系统，该光纤测温系统可以实现分布式测温，且无需PC等电脑终端设备。

根据本发明实施例的光纤测温系统为分布式测温系统，可同时测量多点温度，所述光纤测温系统包括：单线光纤与嵌入式解调仪，所述单线光纤分布在多点位置处，所述单线光纤与所述嵌入式解调仪相连，所述嵌入式解调仪适于对所述单线光纤发射激光，以及接收所述单线光纤所反射的激光，且所述嵌入式解调仪适于对所反射的激光进行建模、计算，以测量出多点的实时温度。

根据本发明实施例的光纤测温系统，光纤测温系统的嵌入式解调仪中集成了发射激光、分离反射激光并接收，且可以对所接收激光进行建模与计算等功能，因此，仅通过将单线光纤与嵌入式解调仪相连，并将单线光纤分布在所需检测温度的场地中，嵌入式解调仪便可直接将光纤所反射回来的光信号解调成可呈现温度数值的电信号，从而无需使用PC等电脑终端，不仅方便了对温度的检测以及缩小了成本，还可以实现对场地进行分布式的温度检测，保证了场地检测温度的可靠。

根据本发明的一些实施例，所述嵌入式解调仪包括：逻辑阵列与光纤解调模组，所述光纤解调模组与所述单线光纤相连，且所述光纤解调模组适于对所述单线光纤发射激光，并对所述单线光纤所反射的激光进行分离、接收、模数转换以及计算数据；

所述逻辑阵列与所述光纤解调模组电连接，所述逻辑阵列适于对所述光纤解调模组所发射的激光以及信号的采集进行控制。

进一步地，所述光纤解调模组包括：光路模块、信号采集模块以及数据处理模块，所述光路模块用于对所述单线光纤发射激光，以及分离并接收所述单线光纤所反射的激光，所述逻辑阵列控制所述光路模块所发射激光的脉冲宽带，以及控制所述信号采集模块的信号采样率。

进一步地，所述光路模块包括：激光发生器、波分复用器以及光电接收器，所述激光发生器与所述单线光纤相连，且所述激光发生器适于对所述单线光纤发射激光，所述逻辑阵列适于控制所述激光发生器所发射激光的脉冲宽带；

所述波分复用器适于对所述单线光纤所反射的激光进行分离成瑞利波、斯托克斯和反斯托克斯波；

所述光电接收器适于接收被分离后的斯托克斯和反斯托克斯波。

进一步地，所述光纤解调模组还包括：数模转换器，所述数模转换器与所述激光发生器以及所述逻辑阵列电连接，所述逻辑阵列控制所述数模转换器产生所述激光发生器的脉冲光源。

进一步地，所述信号采集器包括：模数转换器，所述模数转换器与所述逻辑阵列电连接，且所述逻辑阵列适于控制所述模数转换器对所述单线光纤所反射的激光信号采样率。

进一步地，所述数据处理模块形成为DSP处理器，所述数据处理模块处理所述模数转换器送来的光波数据，通过建模统计光纤上各点温度变化与波长变化的对应关系，并计算光纤神经网络上各点位温度值。

具体地，所述光纤测温系统还包括：可编程控制器，所述可编程控制器与所述光纤解调模组电连接，所述光纤解调模组将计算所得数据传递给所述可编程控制器。

进一步地，所述可编程控制器形成为PLC或DCS系统，所述可编程控制器与所述光纤解调模组之间通过Modbus-RTU协议RS48口电路相连。

具体地，所述逻辑阵列形成为FPGA芯片。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1是光纤测温系统的示意图。

附图标记：

光纤测温系统10、单线光纤1、嵌入式解调仪2、逻辑阵列21、光纤解调模组22、光路模块23、模数转换器24、数据处理模块25、可编程控制器3。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，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，也可以是电连接或可以互相通讯；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。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。

下面结合图1详细描述根据本发明实施例的光纤测温系统10。

参照图1所示，根据本发明实施例的光纤测温系统10为分布式测温系统，可同时测量多点温度，光纤测温系统10包括：单线光纤1与嵌入式解调仪2，单线光纤1分布在多点位置处，单线光纤1与嵌入式解调仪2相连，嵌入式解调仪2适于对单线光纤1发射激光，以及接收单线光纤1所反射的激光，且嵌入式解调仪2适于对所反射的激光进行建模、计算，以测量出多点的实时温度。

也就是说，嵌入式解调仪2中集成了发射激光、分离反射激光并接收，且可以对所接收激光进行建模与计算等功能，因此，仅通过将单线光纤1与嵌入式解调仪2相连，并将单线光纤1分布在所需检测温度的场地中，嵌入式解调仪2便可直接将光纤所反射回来的光信号解调成可呈现温度数值的电信号，从而无需使用PC等电脑终端，不仅方便了对温度的检测以及缩小了成本，还可以实现对场地进行分布式的温度检测，保证了场地检测温度的可靠。

在具体实施例中，当嵌入式解调仪2对单线光纤1输出激光脉冲时，激光脉冲会沿着单线光纤1向前传播，其中，在传播过程中激光脉冲会和单线光纤1的内部分子(单线光纤1的本身缺陷和掺杂成分不均匀)发生碰撞，进而在这个分子处产生反射，其中的一部分反射光正好和入射光的方向相反，这部分反射光因此为后向反射光，后向反射光的强度与反射点的温度存在相关的关系，其温度越高，则强度越大，并且，后向光包括对温度不敏感的斯托克斯光以及对温度敏感的和反斯托克斯光，其中，这两者的波长不一样，嵌入式解调仪2可以对其进行分离、接收，并对两者的光强比值进行计算便可计算出温度，以及利用光的时域反射OTDR技术，嵌入式解调仪2对其高速数据采集测量信号的回波时间，从而算出测温点的位置，进而可以得出场地的连续、实时的温度信息。

并且，单线光纤1的灵敏度高，不受电磁噪声的干扰，从而可以保证光纤传递信号的可靠性，因此，光纤测温系统10可以防止电磁信号对传感信号进行干扰，导致检测的结果不够准确，或出现延迟等情况。

根据本发明实施例的光纤测温系统10，光纤测温系统10的嵌入式解调仪2中集成了发射激光、分离反射激光并接收，且可以对所接收激光进行建模与计算等功能，因此，仅通过将单线光纤1与嵌入式解调仪2相连，并将单线光纤1分布在所需检测温度的场地中，嵌入式解调仪2便可直接将光纤所反射回来的光信号解调成可呈现温度数值的电信号，从而无需使用PC等电脑终端，不仅方便了对温度的检测以及缩小了成本，还可以实现对场地进行分布式的温度检测，保证了场地检测温度的可靠。

进一步地，如图1所示，嵌入式解调仪2包括：逻辑阵列21与光纤解调模组22，光纤解调模组22与单线光纤1相连，且光纤解调模组22适于对单线光纤1发射激光，并对单线光纤1所反射的激光进行分离、接收、模数转换以及计算数据；

逻辑阵列21与光纤解调模组22电连接，逻辑阵列21适于对光纤解调模组22所发射的激光以及信号的采集进行控制，也就是说，通过逻辑列陈对光纤解调模组22的工作进行控制，可以得到单线光纤1所检测到的具体温度数值以及位置信息。

进一步地，如图1所示，光纤解调模组22可以包括：光路模块23、信号采集模块以及数据处理模块25，光路模块23用于对单线光纤1发射激光，以及分离并接收单线光纤1所反射的激光，逻辑阵列21控制光路模块23所发射激光的脉冲宽带，以及控制信号采集模块的信号采样率，即在逻辑列陈的控制下，产生可调脉冲宽带光源以及信号采集模块的信号采样率，其中，单路采样率250Msps，多路级联可达1Gsps。

进一步地，光路模块23可以包括：激光发生器、波分复用器以及光电接收器，激光发生器与单线光纤1相连，且激光发生器适于对单线光纤1发射激光，逻辑阵列21适于控制激光发生器所发射激光的脉冲宽带；

波分复用器适于对单线光纤1所反射的激光进行分离成瑞利波、斯托克斯和反斯托克斯波；

光电接收器适于接收被分离后的斯托克斯和反斯托克斯波。

在具体实施例中，首先在逻辑阵列21的控制下，激光发生器对单线光纤1发射可调脉冲宽带的激光，随后波分复用器将所反射的激光进行分离成瑞利波、斯托克斯和反斯托克斯波，最后，光电接收器对斯托克斯波和反斯托克斯波进行接收，从而完成单次的激光脉冲的发射与回收。

进一步地，如图1所示，光纤解调模组22还包括：数模转换器，数模转换器与激光发生器以及逻辑阵列21电连接，逻辑阵列21控制数模转换器产生激光发生器的脉冲光源。

进一步地，信号采集器包括：模数转换器24，模数转换器24与逻辑阵列21电连接，且逻辑阵列21适于控制模数转换器24对单线光纤1所反射的激光信号采样率。

其中，系统空间分辨率是光纤测温系统10的重要性能指标，决定系统空间分辨率大小的主要因素有三个：激光器的光脉冲宽度，光电转换模块的带宽及信号采集器的采样频率，因此，在逻辑列陈的控制下，激光器的光脉冲宽度，光电转换模块的带宽及信号采集器的采样频率均可以进行应对性调整，从而保证系统空间分辨率较高，进而保证光纤测温系统10的测温准确性高。

进一步地，数据处理模块25形成为DSP处理器，数据处理模块25处理模数转换器24送来的光波数据，通过建模统计光纤上各点温度变化与波长变化的对应关系，并计算光纤神经网络上各点位温度值。

具体地，光纤测温系统10还包括：可编程控制器3，可编程控制器3与光纤解调模组22电连接，光纤解调模组22将计算所得数据传递给可编程控制器3，在具体实施例中，可编程控制器3与数据处理模块25电连接，从而使嵌入式解调仪2可以将所检测到的温度数据传递至其他电器件中，即在嵌入式解调仪2上留有可实现数据交互的连接口。

进一步地，可编程控制器3形成为PLC或DCS系统，可编程控制器3与光纤解调模组22之间通过Modbus-RTU协议RS48口电路相连。PLC或DCS系统为可编程的存储器，在其内部存储执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，可以通过数字式或模拟式的输入输出来控制光纤解调模组22。

具体地，光纤解调模组22与可编程控制器3可以通过以太网RJ45端口实现连接。

具体地，逻辑阵列21形成为FPGA芯片，FPGA芯片为可编程门阵列形，可以保证编程加载速度较快，并且FPGA芯片的工作频率较快，保证对传感器信号接收的频率较快。

在具体实施例中，光纤测温系统10可采用西门子SMART200-SR40控制器，且光纤测温系统10可应用在建筑系统、电力系统、冶炼系统、化工系统等在内的温度测量。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组合。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (10)

1.一种光纤测温系统(10)，所述光纤测温系统(10)为分布式测温系统，可同时测量多点温度，其特征在于，包括：

单线光纤(1)，所述单线光纤(1)分布在多点位置处；

嵌入式解调仪(2)，所述单线光纤(1)与所述嵌入式解调仪(2)相连，所述嵌入式解调仪(2)适于对所述单线光纤(1)发射激光，以及接收所述单线光纤(1)所反射的激光，且所述嵌入式解调仪(2)适于对所反射的激光进行建模、计算，以测量出多点的实时温度。

2.根据权利要求1所述的光纤测温系统(10)，其特征在于，所述嵌入式解调仪(2)包括：逻辑阵列(21)与光纤解调模组(22)，所述光纤解调模组(22)与所述单线光纤(1)相连，且所述光纤解调模组(22)适于对所述单线光纤(1)发射激光，并对所述单线光纤(1)所反射的激光进行分离、接收、模数转换以及计算数据；

所述逻辑阵列(21)与所述光纤解调模组(22)电连接，所述逻辑阵列(21)适于对所述光纤解调模组(22)所发射的激光以及信号的采集进行控制。

3.根据权利要求2所述的光纤测温系统(10)，其特征在于，所述光纤解调模组(22)包括：光路模块(23)、信号采集模块以及数据处理模块(25)，所述光路模块(23)用于对所述单线光纤(1)发射激光，以及分离并接收所述单线光纤(1)所反射的激光，所述逻辑阵列(21)控制所述光路模块(23)所发射激光的脉冲宽带，以及控制所述信号采集模块的信号采样率。

4.根据权利要求3所述的光纤测温系统(10)，其特征在于，所述光路模块(23)包括：激光发生器、波分复用器以及光电接收器，所述激光发生器与所述单线光纤(1)相连，且所述激光发生器适于对所述单线光纤(1)发射激光，所述逻辑阵列(21)适于控制所述激光发生器所发射激光的脉冲宽带；

所述波分复用器适于对所述单线光纤(1)所反射的激光进行分离成瑞利波、斯托克斯和反斯托克斯波；

所述光电接收器适于接收被分离后的斯托克斯和反斯托克斯波。

5.根据权利要求4所述的光纤测温系统(10)，其特征在于，所述光纤解调模组(22)还包括：数模转换器，所述数模转换器与所述激光发生器以及所述逻辑阵列(21)电连接，所述逻辑阵列(21)控制所述数模转换器产生所述激光发生器的脉冲光源。

6.根据权利要求5所述的光纤测温系统(10)，其特征在于，所述信号采集器包括：模数转换器(24)，所述模数转换器(24)与所述逻辑阵列(21)电连接，且所述逻辑阵列(21)适于控制所述模数转换器(24)对所述单线光纤(1)所反射的激光信号采样率。

7.根据权利要求6所述的光纤测温系统(10)，其特征在于，所述数据处理模块(25)形成为DSP处理器，所述数据处理模块(25)处理所述模数转换器(24)送来的光波数据，通过建模统计光纤上各点温度变化与波长变化的对应关系，并计算光纤神经网络上各点位温度值。

8.根据权利要求2所述的光纤测温系统(10)，其特征在于，所述光纤测温系统(10)还包括：可编程控制器(3)，所述可编程控制器(3)与所述光纤解调模组(22)电连接，所述光纤解调模组(22)将计算所得数据传递给所述可编程控制器(3)。

9.根据权利要求8所述的光纤测温系统(10)，其特征在于，所述可编程控制器(3)形成为PLC或DCS系统，所述可编程控制器(3)与所述光纤解调模组(22)之间通过Modbus-RTU协议RS48口电路相连。

10.根据权利要求2-9中任一项所述的光纤测温系统(10)，其特征在于，所述逻辑阵列(21)形成为FPGA芯片。

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