CN201757685U

CN201757685U - 分布式光纤传感器的温度漂移补偿系统

Info

Publication number: CN201757685U
Application number: CN2010202453889U
Authority: CN
Inventors: 李伟良
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2011-03-09
Anticipated expiration: 2020-06-30

Abstract

本实用新型公开了一种分布式光纤传感器的温度漂移补偿系统，包括接收光信号的光纤传感器和信号处理系统，两者通过光纤连接，信号处理系统包括激光器、滤波器、探测器、放大器、信号采集器、驱动控制装置和计算机。本实用新型在系统的温度敏感元件上加设加热控温模块，采用闭环温度控制的方法，其原理是以信号采集模块输出的信号幅度作为判据，利用激光器的波长和功率、探测器的增益对环境温度的敏感性，动态调节激光器和探测器的温度，使信号幅度始终保持在恒定的水平。

Description

分布式光纤传感器的温度漂移补偿系统

技术领域

本实用新型涉及分布式光纤传感器的结构改进，具体为分布式光纤传感器的温度漂移补偿系统。

背景技术

基于光纤喇曼反射效应的分布式光纤温度传感器系统能够用普通光纤连续测量数千米长的光纤沿线的温度分布，正在被日益广泛地应用于电力、石油、化工、交通等行业，成为工况监测、事故预警、火灾报警等应用不可替代的有效手段。

以上应用要求分布式光纤温度传感器系统能够在大幅度变化的温度环境中保持良好的长期稳定性。另一方面，分布式光纤温度传感器系统的信号处理器含有激光器、滤波器、探测器和放大器等极其容易受到温度变化影响的模拟器件(如图1所示)，因此信号处理器的波长、功率、增益对温度的变化非常灵敏，如果不采取必要的措施，分布式光纤温度传感器系统的性能必然受到环境温度变化的影响，难以满足在工业环境长期运行的要求。

到目前为止，解决分布式光纤温度传感器系统测量精度漂移问题的方法是把温度敏感的模拟器件置于温度固定恒定的恒温箱29中，以保持模拟器件处于恒定的温度下(如图1所示)。这是一种开环温度控制方法，其适用的前提是：

(1)恒温箱的恒温精度不会漂移；

(2)置于恒温箱内的模拟器件没有非温度因素的漂移；

(3)置于恒温箱外部的器件或模块不会产生漂移。

实际上，以上开环温度控制方法适用的三个前提是不可能满足的。

首先，分布式光纤温度传感器系统在工业环境下的长期不间断运行过程中，恒温箱的恒温精度会变化，一旦发生这种情况，恒温箱内部的模拟器件的性能会随之而变，从而影响系统的性能。

其次，任何电子元件或光电子元件都有使用寿命的限制，对于模拟器件来说尤其突出，在模拟器件的使用寿命周期内，其性能是在逐渐变化的，开环的温度恒定并不能补偿模拟器件性能的退化，因此，系统的性能也随之而变。另外，把模拟器件置于恒温箱内的开环温度控制方法也不能补偿恒温箱外的器件和模块的长期漂移，如探测器偏压的漂移、激光器驱动电压的漂移、信号采集模块参考电压的漂移等。而这些参数的漂移都会对系统的性能产生明显的影响。

实际上，把模拟器件置于恒温箱中，不仅增加信号处理器的体积，还会增加信号处理器的功耗，由此带来系统的散热问题，也不利于系统在工业环境中的保持长期稳定。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，克服现有技术中开环温度控制方法的不足，提出一种分布式光纤传感器的温度漂移补偿系统，采用闭环温度控制的方法，在不明显增加信号处理器体积和功耗的前提下，解决了分布式光纤温度传感器系统长期稳定性问题。

本实用新型采用的技术方案如下：

分布式光纤传感器的温度漂移补偿系统，包括接收光信号的光纤传感器和信号处理系统，两者通过光纤连接，信号处理系统包括激光器、滤波器、探测器、放大器、信号采集器、驱动控制装置和计算机，激光器和滤波器通过光纤连接，两者均与驱动控制装置连接，滤波器通过光纤连接有探测器和放大器，探测器和放大器还与信号采集器连接，信号采集器和驱动控制装置均与计算机连接，在激光器上设有加热控温装置，加热控温模块与驱动控制装置连接。

优选的，在探测器上设有加热控温装置，加热控温模块与驱动控制装置连接。

优选的，在放大器上设有加热控温装置，加热控温模块与驱动控制装置连接。

优选的，所述计算机为嵌入式计算机、台式计算机或手提式计算机。

本实用新型的有益效果在于，在系统的温度敏感元件上加设加热控温模块，采用闭环温度控制的方法，其原理是以信号采集模块输出的信号幅度作为判据，利用激光器的波长和功率、探测器的增益对环境温度的敏感性，动态调节激光器和探测器的温度，使信号幅度始终保持在恒定的水平。

附图说明

图1为采用开环温度控制的分布式光纤温度传感器系统的结构框图

图2为本发明实施例中分布式光纤温度传感器系统的结构框图

图3为本发明实施例中分布式光纤温度传感器系统的闭环加热控温流程图

图4、图5、图6为本发明实施例中光纤温度传感器系统信号处理器处于常温30°、高温43°和低温2°三个环境温度下测量的温度分布曲线。

图7a为本发明实施例中系统连续运行45小时的信号处理器所在环境温度

图7b为本发明实施例中感温光纤在4129米处的实际测量的高温恒温箱内温度

具体实施方式

下面以测量距离为4公里的分布式光纤温度传感器系统为例，闭环温度控制的分布式光纤温度传感器系统的结构如图2所示，包括有接受光信号的光纤传感器1和信号处理系统2，信号处理系统2又包括滤波器21、激光器22、探测器23、放大器24、信号采集器25、驱动控制装置26和嵌入式计算机27。其中，激光器和探测器两个元件上设有加热控温装置28。

使用时，如图3所示，嵌入式计算机首先向激光器和探测器两个元件上的温度控制装置输入信号幅度基准值I₀。工作时，激光器发射光脉冲，光脉冲通过滤波器过滤后，进入光纤，光脉冲会沿着光纤向前传播，在播中的每一点都会产生反射，反射之中有一小部分的反射光的方向正好与入射光的方向相反(亦可称为“背向”)。这些背向反射光返回信号处理器，由滤波器进入探测器和放大器，而后进入信号采集器。信号采集器会采集光信号的振幅信息，传送至驱动与控制装置和激光器和探测器上的温度控制装置，温度控制装置会比较返回光信号的幅度I与基准值I₀，如果在误差范围内I≠I₀，则温度控制装置根据I和I₀的差别，以比例-积分-微分控制方式(PID)方式调节激光器和探测器的温度，直到在误差范围内I和I₀相等；而后计算机才接收信号并进行后续的信号处理。

如果在误差范围内I和I₀相等，则由计算机直接接收信号并进行后续的信号处理。

在采用闭环温度控制的分布式光纤温度传感器系统的信号处理器中，激光器和探测器的温度控制采用加热控温方式，这种方式的优点是用纯加热方法把激光器和探测器的温度控制在环境温度以上，从而避免了采用半导体制冷器控温需要专门的散热措施的弊端。

以下测试结果证明了采用闭环温度控制的4公里分布式光纤温度传感器系统的性能稳定性。图4、5、6分别给出了4公里分布式光纤温度传感器系统信号处理器处于常温、高温和低温三个环境温度下测量的温度分布曲线。在测试过程中，高低温恒温箱的温度在常温、低温和高温三种状态之间循环；信号处理器放置在高低温恒温箱中连续运行，每隔4分钟自动记录一次温度数据；在4公里感温光纤的末端4129米处出取出一段放置在高温恒温箱中，其恒温温度为52oC。

可见在三个环境温度下，所测量的温度分布曲线能够保持良好的一致性。其中，信号处理器内的参考光纤位于70-120米的位置，这个距离段的温度反映信号处理器的环境温度。

图7a，7b分别给出连续运行45小时的信号处理器所在环境温度，和对应的感温光纤在4129米处的实际测量的高温恒温箱内温度。可见即使在感温光纤末端，其测量精度几乎不受环境温度的影响。

Claims

1.分布式光纤传感器的温度漂移补偿系统，包括接收光信号的光纤传感器和信号处理系统，两者通过光纤连接，信号处理系统包括激光器、滤波器、探测器、放大器、信号采集器、驱动控制装置和计算机，激光器和滤波器通过光纤连接，两者均与驱动控制装置连接，滤波器通过光纤连接有探测器和放大器，探测器和放大器还与信号采集器连接，信号采集器和驱动控制装置均与计算机连接，其特征在于，在激光器上设有加热控温装置，加热控温模块与驱动控制装置连接。

2.如权利要求1所述的分布式光纤传感器的温度漂移补偿系统，其特征在于，在探测器上设有加热控温装置，加热控温模块与驱动控制装置连接。

3.如权利要求1所述的分布式光纤传感器的温度漂移补偿系统，其特征在于，在放大器上设有加热控温装置，加热控温模块与驱动控制装置连接。

4.如权利要求1所述的分布式光纤传感器的温度漂移补偿系统，其特征在于，所述计算机为嵌入式计算机、台式计算机或手提式计算机。