CN1400453A

CN1400453A - 分布式光纤温度传感器系统

Info

Publication number: CN1400453A
Application number: CN 01124438
Authority: CN
Inventors: 张在宣; 郭宁; 余向东; 吴孝彪
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: National Institute of Metrology; China Jiliang University
Priority date: 2001-07-27
Filing date: 2001-07-27
Publication date: 2003-03-05

Abstract

分布式光纤温度传感器系统是测量温度的装置。它包括激光发生器、带双向耦合器的光纤、光波分复用器，二个光雪崩管，二个放大器，信号采集卡和计算机，激光发生器发出的光脉冲进入带双向耦合器的光纤，光纤输出的背向散射光的回波通道分二路，其一路经光波分复用器分离出喇曼背向散射光再进入光雪崩管，另一路作为瑞利背向散射光进入光雪崩管，上述两个光雪崩管各自对喇曼散射光和瑞利散射光进行光电转换后的输出信号分别输入放大器，放大器的输出端与信号采集卡的输入端相连，信号采集卡的输出端与计算机相连。本发明能同时测量多点的温度，并可以对空间的每个测温点进行定位，安全性高，应用范围广。

Description

分布式光纤温度传感器系统

技术领域

本发明涉及利用光纤背向散射光测量温度的装置。

背景技术

目前用于测量温度的仪器主要有温度计、热电偶、热电阻和红外测温仪等。这些仪器虽然能精确测量某一点的温度值，但是不能同时监测和测量多点的温度而且不能定位；在危险和有害的环境中某些温度测量仪器由于自身存在不安全的因素而不能正常运行。

发明内容

本发明是要提供应用范围广，能同时测量多点温度的分布式光纤温度传感器系统。

分布式光纤温度传感器系统是利用光纤背向拉曼散射的温度效应，光纤所处空间各点的温度场调制光纤中的背向拉曼散射的光强度，通过检测光纤上每一点的光强度变化实现连续监测光纤上任意一点的温度变化，并对温度场进行定位的。

发明的分布式光纤温度传感器系统包括激光发生器、带双向耦合器的光纤、光波分复用器，二个光雪崩管，二个放大器，信号采集卡和计算机，激光发生器发出的光脉冲进入带双向耦合器的光纤，光纤输出的背向散射光的回波通道分二路，其一路经光波分复用器分离出喇曼背向散射光再进入光雪崩管，另一路作为瑞利背向散射光进入光雪崩管，上述两个光雪崩管各自对喇曼散射光和瑞利散射光进行光电转换后的输出信号分别输入放大器，放大器的输出端与信号采集卡的输入端相连，信号采集卡的输出端与计算机相连。

工作时，激光发生器发出的激光脉冲进入带双向耦合器的光纤，沿测温光纤向前传播，光纤输出的背向散射光的回波通道分二路，其一路经光波分复用器光学滤波，分离出带有温度信息的反斯托克斯喇曼背向散射光，再经光雪崩管将光信号转换成电信号，该电信号又由放大器放大后输入信号采集卡，这是喇曼通道，另一路作为瑞利背向散射光，进入另一个光雪崩管将光信号转换成电信号，再经放大器放大后输入信号采集卡，这是瑞利通道，信号采集卡对来自二个通道的喇曼和瑞利信号进行采集累加后传送给计算机，由计算机软件对采集到的数据进行运算处理，即可得到光纤上任一点的温度和空间温度场的分布。

本发明具有以下优点：

1)同时测量多点的温度，并可以对空间的每个测温点进行定位。例如，在10km长的测温光纤上可以同时测量10000个点的温度，提高了测量的效率。

2)安全性高。由于系统工作时光纤不带电，系统本身携带的光能量非常微弱，不存在安全隐患，属于本质安全型，即使在油库、军火库和危险品库也能安全使用。

3)应用范围广。由于系统的自身特点，可应用于工业过程的监控，大型变压器和发电机组的温度分布测量，大型堤坝的渗水、漏水监视，地下电力电缆的热保护和温度检测报警系统，煤矿、隧道的火灾报警系统，油库、危险品库和军火库的温度报警系统等。

附图说明

图1是本发明构成方框图；

图2是激光发生器电路实例；

图3是喇曼通道一种具体电路图；

图4是瑞利通道一种具体电路图；

图5是信号采集卡构成实例框图。

参照图1，发明的分布式光纤温度传感系统包括激光发生器1、带1×3双向耦合器的光纤2、光波分复用器3，二个光雪崩管4、5，二个放大器6、7，信号采集卡8和计算机9，激光发生器1发出的光脉冲进入带双向耦合器的光纤2，光纤输出的背向散射光的回波通道分二路，其一路经光波分复用器3光学滤波，分离出喇曼背向散射光再进入光雪崩管4，另一路作为瑞利背向散射光进入光雪崩管5，上述两个光雪崩管4和5各自对喇曼散射光和瑞利散射光进行光电转换后的输出信号分别输入放大器6、7，放大器6、7的输出端与信号采集卡的输入端相连，信号采集卡的输出端与计算机相连。

具体实施方式

图2所示的激光发生器包括由555定时器IC1、电阻R1、R2、R3、二极管D3、D4、电容C1组成的脉冲发生器，产生频率为1KHz左右的脉冲波，作为发射部分的驱动信号源。由电阻R4、R5、R6，晶体管TR1、电容C7组成的驱动电路，以加大脉冲信号的驱动能力，并加快信号脉冲的上升速度。由二极管D1、电阻R7、R8、R9、电容C2、组成的整形和微分电路。由晶体管TR2、TR3、二极管D2、电阻R11、R12、R13、电容C3、激光模块LDM组成的激光发射电路。

当驱动脉冲处于低电平时，晶体管TR2、TR3关闭，此时高压源经HV端通过由电阻R13、电容C3，二极管D2组成的回路对电容C3充电。当驱动脉冲为高电平时，晶体管TR2、TR3导通，电容C3经TR3、TR2、LDM、C3组成的回路放电，此时激发模块LDM中的半导体激光器流过峰值电流大约为20A的脉冲电流，从而使激光器发出光脉冲，该光脉冲经耦合送入光纤作为分布光纤传感器系统的光源信号。

由于喇曼散射信号极其微弱，因此要求喇曼光电放大器具有极强的光电转换能力和极低的噪声。图3所示的喇曼通道的光雪崩管和放大器是由带光雪崩管的光电跨阻前置放大器APDM、放大集成芯片IC5、IC6、IC7及其外围电阻、电容组成第二级、第三级、第四级放大器构成。

图4所示是瑞利通道电路，它包括光电雪崩二极管P1和由跨阻放大模块IC2及外围器件电容C16组成的光电跨阻低噪声前置放大器，宽带放大集成芯片IC3及电阻R17、R18、R19、电容C27组成的第二级放大器，IC4及电阻R15、R16、R24、电容C30组成的第三级放大器。光电雪崩二极管P1输出的光电流经光电跨组低噪声前置放大器转换成电压信号，该电压信号又经第二、第三级放大器放大，供信号采集卡进行数据采集。

图5所示的信号采集卡具有由程控增益、A/D转换器、RAM、高速累加器依次相连构成的两个通道及控制电路，两通道的高速累加器通过接口I/O与计算机9相连，控制电路受控于计算机，其输入端与计算机相连，输出端与两通道的A/D转换器和RAM相连，这里程控增益可采用单级运行放大器，输入信号采集卡的喇曼信号V_m和瑞利信号V_m′分别经程控增益放大，A/D转换，存于RAM 中，在计算机控制下，二个高速累加器根据软件设定分别对喇曼信号和瑞利信号进行累加，送入计算机中，经计算得到温度和温度的空间分布结果。

Claims

1.分布式光纤温度传感器系统，其特征是它包括激光发生器[1]、带双向耦合器的光纤[2]、光波分复用器[3]，二个光雪崩管[4]、[5]，二个放大器[6]、[7]，信号采集卡[8]和计算机[9]，激光发生器[1]发出的光脉冲进入带双向耦合器的光纤[2]，光纤输出的背向散射光的回波通道分二路，其一路经光波分复用器[3]分离出喇曼背向散射光再进入光雪崩管[4]，另一路作为瑞利背向散射光进入光雪崩管[5]，上述两个光雪崩管[4]和[5]各自对喇曼散射光和瑞利散射光进行光电转换后的输出信号分别输入放大器[6]、[7]，放大器[6]、[7]的输出端与信号采集卡的输入端相连，信号采集卡的输出端与计算机相连。

2.按权利要求1所述的分布式光纤温度传感器系统，其特征是所说的激光发生器包括由555定时器IC1、电阻R1、R2、R3、二极管D3、D4、电容C1组成的脉冲发生器，由电阻R4、R5、R6，晶体管TR1、电容C7组成的驱动电路，由二极管D1、电阻R7、R8、R9、电容C2组成的整形和微分电路，由晶体管TR2、TR3、二极管D2、电阻R11、R12、R13、电容C3、激光模块LDM组成的激光发射电路。

3.按权利要求1所述的分布式光纤温度传感器系统，其特征是喇曼通道的光雪崩管[4]和放大器[6]是由带光雪崩管的光电跨阻前置放大器APDM、放大集成芯片IC5、IC6、IC7及其外围电阻、电容组成第二级、第三级、第四级放大器构成。

4.按权利要求1所述的分布式光纤温度传感器系统，其特征是瑞利通道的放大器[7]包括由跨阻放大模块IC2及电容C16组成的光电跨阻低噪声前置放大器，宽带放大集成芯片IC3及电阻R17、R18、R19、电容C27组成的第二级放大器，IC4及电阻R15、R16、R24、电容C30组成的第三级放大器。