CN201909686U - 一种分布式光纤温度传感测量装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种分布式光纤温度传感测量装置，包括测量主机、传感光缆，所述测量主机包括激光器、分光模块、探测模块和分析单元，其特征在于：在所述传感光缆上设置温度传感器；所述分光模块，用于将沿传感光缆传输的散射光和温度传感器的反射光/透射光分别滤出，并通过探测模块传递给分析单元；所述分析单元，用于根据所述散射光的信息得出分布式温度测量数据；根据所述反射光/透射光的信息得出点式温度测量数据。本实用新型将分布式测量功能与点式测量功能相结合，还能进行在线温度校准，具有结构简单、成本低等优点。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种光纤温度传感测量装置，尤其是一种具有点式测温功能的分布式光纤温度传感测量装置。
背景技术
分布式光纤温度传感系统是一种基于OTDR技术和拉曼散射技术的新型的实时、分布式测量系统。分布式光纤温度传感装置目前已经广泛应用于公路交通隧道、高压电缆沟、地铁等领域。
目前，一种广泛使用的分布式光纤温度传感装置，包括光源模块、分光模块、探测模块、参考单元和传感光缆。其中参考单元包含一段参考光纤，参考光纤的温度可以是恒定的，也可以是实时测量的；参考单元置于装置内部，为温度测量提供一个参考值，进而对温度实际测量信号进行标定，可消除光源功率波动的影响。
由于传感光缆安装于户外，工作环境比较恶劣，其光学衰减特性会随时间缓慢变化，从而影响分布式温度测量的准确性。另外，分光模块和光源模块长期可靠性也会影响温度测量的准确性。因此，分布式光纤温度传感装置需要一种简单的、可经常性的校准装置，以保证测量的准确性。一般的，分布式光纤温度传感装置每隔一定周期(2～3年)进行一次校准。校准时需要将一部分传感光缆置于已知温度的水浴箱内加热。
如申请号为CN200810042196.5的专利，参考光纤设置在恒温箱内，当需要标定装置的温度时，数据处理器控制温度控制模块把恒温箱内的温度调整到标定的温度，计算机显示的在恒温箱内参考光纤的对应温度值即被调整为恒温箱内温度的值。但由于传感光缆均安装在户外，比如在交通隧道应用的分布式光纤温度传感装置，其传感光缆敷设在距隧道拱顶约100mm处，距离地面的高度接近7m，不容易对其加热校准。而且常规的水浴箱校准方式不能进行实时在线校准，影响分布式光纤温度传感装置的可靠性。
另外，对于某些应用场合，如，一些特殊或者关键部位需要更高的温度测量精度(短受热区域)，或需要提高温度测量的响应时间，仅有分布式测温功能无法满足应用需求：
比如，在电力应用领域，需要对高压电缆和开关柜同时监测；对于线型的高压电缆进行过热监测时，采用分布式测温能够有效避免测量盲区，从而实现对高压电缆的完全监测；而对于高压开关柜的温度监测，主要是监测开关柜内部的母排、触点处的温度，待测区域比较小，在该待测区域敷设传感光缆不方便，且传统的分布式光纤温度传感系统的温度测量准确性受空间分辨率的限制，对于待测区域较小的监测点的温度监测不准确；
又如，对于长距离的公路交通隧道，采用分布式光纤温度传感系统能够实现对测量区域火情的全面监测；但若隧道内某处着火，由于纵向风速的影响，传感光缆的受热点会发生漂移，传感光缆的温度响应时间会滞后，导致系统得到的是受热点漂移后的着火点位置；使系统对着火点位置的定位不准确，不能及时反映监测区域的温度变化，延迟了对火灾的响应时间，影响了温度测量的准确性和及时性。
实用新型内容
为了解决现有技术中的上述不足，本实用新型提供了一种能够在线实时修正测量结果的分布式光纤传感测量装置。
为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
一种分布式光纤温度传感测量装置，包括测量主机、传感光缆，所述测量主机包括激光器、分光模块、探测模块和分析单元，其特点是：
在所述传感光缆上设置温度传感器；
所述分光模块，用于分别将沿传感光缆传输的散射光和温度传感器的反射光/透射光滤出，并通过探测模块传递给单元；
所述分析单元，用于根据所述散射光的信息得出分布式温度测量数据；根据所述反射光/透射光的信息得出点式温度测量数据。
进一步，所述分析单元包括校准模块，用于根据分布式温度测量数据及点式温度测量数据对分布式温度测量数据进行校准。
进一步，所述激光器的波长调谐范围覆盖温度传感器反射峰的漂移范围。
或所述激光器的波长在温度传感器吸收谱变化范围内。
作为优选，所述反射光/透射光与所述散射光的测量光路相同，所述散射光为斯托克斯光或反斯托克斯光或瑞利光或布里渊散射光。
作为优选，所述温度传感器为光纤光栅。
进一步，所述温度传感器的反射/透射波长相同或不同。
作为优选，所述温度传感器设置在传感光缆的尾端。
作为优选，所述测量主机还包括对激光器波长进行标定的标定模块，所述标定模块分别与分光模块和探测模块相连。
作为优选，所述标定模块为气体吸收盒或法布里-珀罗标准具或参考光纤光栅。
本实用新型还提供了一种采用上述测量装置进行分布式光纤温度传感测量的方法，包括以下步骤：
激光器发出的光沿传感光缆传输，探测模块接收沿传感光缆传输的散射光和温度传感器的反射光/透射光；
根据所述散射光，得出分布式温度测量数据；
根据所述反射光/透射光，得出点式温度测量数据。
进一步，所述测量方法还包括校准分布式温度测量数据的步骤。
作为优选，所述校准分布式温度测量数据的步骤具体为：
C1、根据分布式温度测量数据和点式温度测量数据得出修正参数；
C2、根据分布式温度测量数据及修正参数，得到沿传感光缆敷设区内各测量点的温度。
进一步，实现分布式温度测量是基于：拉曼散射效应和光时域反射OTDR技术、光频域反射OFDR技术；或布里渊散射效应和光频域反射OFDR技术。
进一步，在步骤B中，扫描激光器波长，根据温度传感器的反射谱/透射谱，得到点式温度测量数据。
进一步，分布式温度测量与点式温度测量同时或分时进行。
本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果：
1、分布式测量功能与点式测量功能相结合
在传感光缆上设置温度传感器，除了能够获得传感光缆的分布式温度测量数据外，还能够提供温度传感器位置处的较精确的点式温度测量数据，满足一些特殊或者关键部位高温度测量精度或者快速温度测量需求；
2、在线温度校准，提高分布式温度测量的可靠性
由于温度传感器与传感光缆连接在一起，能够提供一种在线温度校准功能，不需要水浴箱等装置来加热传感光缆，使得温度校准简单、方便；
而且通过点式精确温度测量，可实时校准分布式温度测量数据，提高了分布式光纤测温装置的可靠性；
同时，对激光器的波长进行标定，使在线温度测量更加精确，同时，提高了分布式光纤测温装置的可靠性；
3、结构简单，成本经济
温度传感器的温度测量利用原有分布式光纤温度传感装置的光源和探测器，结构简单，基本不增加温度传感装置的成本。
附图说明
图1为实施例1中测量装置的示意图；
图2为实施例1中测量主机结构示意图；
图3为实施例1中激光器波长与温度传感器吸收谱的关系图；
图4为实施例3中测量主机结构示意图；
图5为实施例，3中H13CN气体吸收盒的气体吸收谱图；
图6为实施例6中尾端光纤光栅反射信号与激光波长的关系图；
图7为实施例8中测量主机结构示意图；
图8为实施例10中测量装置的示意图；
图9为实施例14中温度传感器的吸收谱与激光波长的关系；
图10为实施例15中测量装置的示意图；
图11为实施例15中与传感光缆尾端相连的测量主机结构示意图。
具体实施方式
实施例1
请参阅图1，一种分布式光纤温度传感测量装置，包括测量主机201、传感光缆和一个温度传感器11；本实施例中，分布式温度测量基于自发拉曼散射效应和光时域反射OTDR技术，传感光缆的长度为2km；点式温度传感器11为光纤光栅温度传感器，安装在传感光缆上；
请参阅图2，所述测量主机201包括激光器21、分光模块22、探测模块、分析单元24和参考光纤盒25；
所述激光器21为波长扫描激光器；激光器的中心波长在800mA驱动电流时为1549.5nm；通过调节激光器的驱动电流或激光器的工作温度可实现对激光器中心波长的扫描；在本实施例中，调节激光器的驱动电流对激光器的中心波长进行扫描；
激光器的中心波长随驱动电流的漂移系数为0.01nm/mA，激光器的驱动电流从800mA以1mA的步长线性增加到920mA时，激光器的中心波长从1549.5nm以步长0.01nm线性增加到1550.7nm；
所述分光模块22包括滤光片F1、滤光片F2和滤光片F3；所述分光模块22将沿传感光缆传输的反斯托克斯光、斯托克斯光和温度传感器的反射光滤出并传递给探测模块，其中滤光片F1用于滤出温度敏感的背向反斯托克斯光信号，滤光片F2用于滤出温度不敏感的背向斯托克斯光信号。本实施例中，所述滤光片F1、滤光片F2、滤光片F3的通带中心分别对应背向反斯托克斯光的峰值波长(1446nm)、背向斯托克斯光的峰值波长(1660nm)和温度传感器11的中心反射波长(1550nm)；
探测模块包括探测器231、探测器232和探测器233，分别与滤光片F1、滤光片F2和滤光片F3相连；所述探测器231、探测器232和探测器233均为InGaAsAPD探测器；所有探测器均与分析单元24相连；
所述分析单元24根据温度传感器的反射光得到点式温度测量数据；根据由斯托克斯光和反斯托克斯光获得的分布式温度测量数据及所述点式温度测量数据得到修正参数；
所述分析单元24还包括校准模块241；所述校准模块241根据所述分布式温度测量数据及修正参数校准分布式温度测量数据，得到沿传感光缆敷设区内各测量点的温度；
所述参考光纤盒25内包括参考光纤和温度探测器，所述参考光纤为裸光纤，所述温度探测器为铂电阻，所述裸光纤的长度为150m；由于将参考光纤封装在参考光纤盒25内，参考光纤盒25内的温度均匀分布；通过铂电阻实时测量参考光纤盒25的温度；用于标定分布式温度测量时沿传感光缆传输的背向散射信号，可避免激光器光源功率波动等因素对测量结果带来的影响；
在进行分布式温度测量时，得到150m裸光纤上每一测量点对应的斯托克斯和反斯托克斯光强，为避免电路固有噪声，将150m裸光纤上所有测量点的斯托克斯和反斯托克斯光强进行平均，作为参考光纤盒的斯托克斯和反斯托克斯光强；
所述温度传感器11为光纤光栅FBG，设置在传感光缆尾端并与传感光缆相连；所述光纤光栅FBG采用金属管封装，所述光纤光栅FBG在20℃的中心反射波长为1550.2nm；当光纤光栅FBG所处的外界环境温度发生变化时，其反射峰的位置会发生线性漂移，即外界1℃的温度变化对应光纤光栅中心反射波长0.01nm的漂移，则外界温度在-40℃～50℃之间变化时，光纤光栅反射峰漂移范围为1549.6nm～1550.5nm；
激光器的驱动电流从800mA以1mA的步长线性增加到920mA时，激光器的中心波长从1549.5nm以步长0.01nm线性增加到1550.7nm，覆盖了温度传感器11的工作波段范围；
激光器的波长随驱动电流调谐时，光纤光栅FBG的反射信号是激光光谱与光纤光栅反射谱的卷积，光纤光栅FBG反射信号与激光波长(或者激光器的驱动电流)一一对应，如图3所示，即每个设定驱动电流对应一个激光波长，若激光波长与光纤光栅反射峰不重合，则反射信号为零；若激光波长与光纤光栅反射峰恰好完全重合时，光纤光栅FBG反射信号最强；在本实施例中，激光器中心波长的扫描范围覆盖了光纤光栅的反射峰漂移范围，如图3所示，能够保证系统根据激光波长推得光纤光栅FBG反射峰的漂移量。
本实施例还提供了一种分布式光纤温度传感测量方法，包括以下步骤：
A、提供上述测量装置；在传感光缆上设置温度传感器11；
B、温度测量：
以10min为一个基本测量周期，其中，9min用于分布式温度测量，1min用于点式温度测量；对分布式温度测量与点式温度测量的先后顺序不加限定：如可以先进行分布式温度测量，再进行点式温度测量，也可以先进行点式温度测量，再进行分布式温度测量；本实施例是先进行分布式温度测量，再进行点式温度测量；
温度测量具体步骤如下：
B1、在时间0～9min内，进行分布式温度测量：
激光器21为脉冲驱动工作，驱动电流恒定为800mA，激光器21中心波长固定为1549.5nm；激光器21发出的光经过分光模块22以后经参考光纤盒25直接入射到传感光缆上；
从参考光纤盒以及传感光缆传输的背向散射信号被滤光片F1和滤光片F2滤出，分别得到不同位置处温度敏感的反斯托克斯光和温度不敏感的斯托克斯光，并分别被探测器231和探测器232接收，得到沿参考光纤盒以及传感光缆敷设区内各测量点对应的斯托克斯光和反斯托克斯光光强；
分布式温度测量的单次测量时间为30s，9min内可进行18次分布式温度测量，即对于沿传感光缆敷设区域内的每一测量点，都对应18组斯托克斯和反斯托克斯光强；将每一测量点对应的斯托克斯和反斯托克斯光强进行平均或取测得的最近一组即第18组斯托克斯和反斯托克斯光强，得到相应测量点对应的实测斯托克斯和反斯托克斯光强Is(z)、Ia(z)，z∈[0，L]，L为传感光缆总长度2km；其中，传感光缆尾端对应的斯托克斯和反斯托克斯光强分别为Is(L)、Ia(L)；本实施例的Is(z)、Ia(z)为每一测量点对应的第18组斯托克斯和反斯托克斯光强；
将用铂电阻测得的参考光纤盒25的18组温度值进行平均或者取最近一次即第18次温度测量值，得到参考光纤盒的实测温度值，记为T0，本实施例T0为第18次温度测量值；将18组参考光纤盒的斯托克斯和反斯托克斯光强进行平均或者取最近一次即第18次测量值，得到参考光纤(即传感光缆始端)的斯托克斯和反斯托克斯光强Is0和Ia0，本实施例Is0和Ia0为参考光纤盒对应的第18次斯托克斯和反斯托克斯光强；
B2、在时间9～10min，进行点式温度测量：
激光器的驱动电流从800mA线性增加到920mA，步长1mA，则激光器中心波长的调节范围为1549.5nm～1550.7nm，步长为0.01nm；根据加载到激光器上的驱动电流可以获得激光器的波长值；
激光器21发出的光经分光模块22后，直接入射到传感光缆上，并传输到设置在传感光缆尾端的温度传感器11，温度传感器11对特定波长的激光反射，反射光沿传感光缆反向传输，经分光模块22的滤光片F3滤出后被探测器233接收，进而由分析单元24得到温度传感器11的反射谱；根据温度传感器11反射峰的漂移量，可以得到温度传感器11所在位置处(即传感光缆尾端2000m处)的精确环境温度T(L)，作为点式温度精确测量值；
点式温度精确测量值可直接用于关键待测区域温度的测量，或者用于校准传感光缆的损耗系数或者分布式温度测量值，即修正分布式温度测量数据；本实施例，点式温度用于修正分布式温度测量数据；
本实施例中，温度传感器11直接与传感光缆连接，其温度测量值即为传感光缆尾端所处的环境温度，此时修正分布式温度测量数据的步骤具体为：
C1、沿传感光缆敷设区内各测量点的修正参数Δα：
分析单元24将上述测得的Is(0)、Ia(0)、Is(L)、Ia(L)、T(0)和T(L)传递给计算模块241，得出温度单位损耗系数差为：将Δα作为系统修正参数；
C2、计算模块根据所述Is(z)、Ia(z)及修正参数Δα，校准分布式温度测量数据，得到沿传感光缆敷设区内各测量点的温度：
或，采用上述修正参数Δα，校准新测得的分布式测量数据，得到沿传感光缆敷设区内各测量点的温度。
在传感光缆上设置温度传感器，除了能够获得传感光缆的分布式温度测量数据外，还能够提供温度传感器位置处的较精确的点式温度测量数据，满足一些特殊或者关键部位高温度测量精度或者快速温度测量需求；
由于温度传感器与传感光缆连接在一起，能够实现在线温度校准功能，不需要水浴箱等装置来加热传感光缆，提高了分布式光纤测温装置的可靠性，使得温度校准简单、方便；
同时，温度传感器的温度测量利用原有分布式光纤温度传感装置的光源和探测器，结构简单，基本不增加温度传感装置的成本。
实施例2
一种分布式光纤温度传感测量装置，与实施例1所述的测量装置不同的是：
1、本实施例的测量装置不包括参考光纤盒25。
2、分光模块中滤光片F2将沿传感光缆传输的瑞利光滤出被探测器232接收。
本实施例还提供了一种分布式光纤温度传感测量方法，与实施例1所述的测量方法不同的是：
1、在步骤B1中，进行点式温度测量，得到光纤光栅所在位置处的精确环境温度T(L)；
2、在步骤B2中，进行分布式温度测量，得到沿传感光缆敷设区内各测量点斯托克斯光和瑞利光信号，这两路信号的比值与光纤温度有关；分析单元根据该比值可计算得到整根传感光缆的温度分布情况；
分布式温度测量的单次测量时间为30s，9min内可进行18次分布式温度测量，即对于沿传感光缆敷设区域的每一测量点，都对应18组温度测量数据；将每一测量点对应的温度值进行平均，得到相应测量点对应的实测温度T′(z)，z∈[0，L]，L为传感光缆的总长度2km；在温度传感器11所在位置处的温度实测值表示为T′(L)；
3、修正分布式温度测量数据的步骤，具体为：
C1、沿传感光缆敷设区内各点的修正参数ΔT(z)：
分析单元将上述测得的T′(L)、T(L)传递给计算模块，得到传感光缆尾端2Km处的温度偏差为ΔT(L)＝T′(L)-T(L)；
传感光缆其它位置的温度偏差值表示为
z∈[0，L]；计算模块保存传感光缆每个测量点的温度偏差值，并将ΔT(z)作为系统修正参数；
C2、计算模块根据所述T′(z)及修正参数ΔT(z)，校准分布式温度测量数据，得到沿传感光缆敷设区内各测量点的温度：T(z)＝T′(z)+ΔT(z)；
或采用上述修正参数Δα，校准新测得的分布式测量数据，得到校准后沿传感光缆敷设区内各测量点的温度。
实施例3
请参阅图4，一种分布式光纤温度传感测量装置，与实施例1所述的测量装置不同的是：
所述测量装置还包括标定模块26，探测模块还包括探测器234，所述标定模块26分别与分光模块22和探测器234相连，用于标定激光器21的波长，进而精确标定温度传感器11中心波长的漂移量；所述探测器234为InGaAs PIN探测器，与标定模块26及分析单元24相连；
所述标定模块26可以是气体吸收盒或法布里-珀罗标准具或已知波长的参考光纤光栅或其组合；本实施例采用H13CN气体吸收盒；
H13CN气体在1550nm附近有不同的特征吸收峰，其中，激光器中心波长调谐范围覆盖的两个特征吸收峰波长分别为1549.7302nm和1550.5149nm，如图5所示，并且这两个吸收峰的波长只与气体分子外层电子的能级跃迁有关，不受外界环境温度、压强等因素的干扰；
当扫描激光器波长，不同波长的激光穿过标定模块26中的H13CN气体吸收盒得到气体吸收谱时，根据1549.7302nm和1550.5149nm特征吸收峰得到与之相对应的激光器的驱动电流；根据两个特征吸收峰对应的波长及驱动电流值，建立激光器的波长与驱动电流之间的精确对应关系；当激光波长与H13CN气体的特征吸收峰相同时，H13CN气体对激光的吸收率最大，则探测器234接收到的光强最低；在同一时刻，温度传感器11的反射信号与H13CN气体的吸收信号均对应同一激光器驱动电流，即对应同一激光波长，因此利用H13CN气体的特征吸收峰可以实现对激光波长的绝对标定，从而精确标定温度传感器11反射峰的漂移量，进而精确得到温度传感器11所在位置处的环境温度。
本实施例还提供了一种分布式光纤温度传感测量方法，与实施例1所述测量方法不同的是：
1、在步骤A中，提供本实施例所述测量装置；
2、在步骤B2中，激光器21发出的光经分光模块22后，一路直接入射到传感光缆上，根据温度传感器11反射峰的漂移量，可以得到温度传感器11所在位置处(即传感光缆尾端2000m处)的环境温度T′(L)；
另一路经标定模块26H13CN气体吸收盒吸收后被探测器234所接收，由分析单元24得到气体吸收谱；
通过H13CN气体吸收谱标定激光波长，从而精确标定温度传感器11反射峰的漂移量，进而得到温度传感器11所在位置处(即传感光缆尾端2000m处)的精确环境温度T(L)。
实施例4
一种分布式光纤温度传感测量装置，与实施例3所述测量装置不同的是：
1、所述测量装置不包括校准模块；
2、标定模块26为标准法布里-珀罗标准具，所述标准法布里-珀罗标准具是一个等间隔的梳状滤波器，其自由光谱范围FSR(两个透射峰的间隔)为0.5～0.7nm；根据标准法布里-珀罗标准具的透射谱得到其透射峰的波长，再根据透射峰波长及与之相对应的激光器的驱动电流，建立激光波长与驱动电流之间的关系，实现对激光器波长的标定，从而精确标定温度传感器11反射峰的漂移量，进而精确得到温度传感器11所在位置处的环境温度。
本实施例还提供了一种分布式光纤温度传感测量方法，与实施例3所述测量方法不同的是：
1、在步骤A中，提供本实施例所述测量装置；
2、在步骤B2中，采用标准法布里-珀罗标准具对激光器的中心波长进行标定；根据温度传感器11的反射谱中的峰值波长与激光波长的对应关系，得到温度传感器11反射峰的漂移量，进而得到温度传感器11所在位置处的精确外界温度T(L)；
3、不包括校准步骤。
实施例5
一种分布式光纤温度传感测量装置，与实施例3所述测量装置不同的是：标定模块26为波长已知的参考光纤光栅，所述探测器234接收参考光纤光栅的反射光；
所述参考光纤光栅中心波长为1550.0nm，为避免外界温度的影响，所述参考光纤光栅安装于聚四氟乙烯盒中，盒内安装有高精度的热敏电阻，用于实时测量参考光纤光栅周围温度，从而实时校准参考光纤光栅的中心波长；
激光波长随驱动电流调谐时，参考光纤光栅的反射信号是激光光谱与光纤光栅反射谱的卷积，参考光纤光栅反射信号与激光波长(或者激光器的驱动电流)一一对应，实现对激光波长的标定，从而可精确测量设置在传感光缆尾端的温度传感器11的波长漂移量，实现温度测量。
本实施例还提供了一种分布式光纤温度传感测量方法，与实施例3所述测量方法不同的是：
1、在步骤A中，提供本实施例所述测量装置；
2、在步骤B2中，采用参考光纤光栅对激光器的中心波长进行标定；根据设置在传感光缆尾端的温度传感器11的反射谱中的峰值波长与激光波长的对应的关系，得到设置在传感光缆尾端的温度传感器11反射峰的漂移量，进而得到传感光缆尾端的精确温度T(L)。
实施例6
一种分布式光纤温度传感测量装置，与实施例1所述测量装置相同。
本实施例还提供了一种分布式光纤温度传感测量方法，与实施例1所述测量方法不同的是：
1、在步骤A中，提供本实施例所述测量装置；
2、在步骤B2中，进行点式温度测量：
本实施例通过调谐激光器的驱动电流实现对激光器中心波长的扫描，同时根据激光器对应的驱动电流来实现对激光器中心波长的标定；
根据加载到激光器上的驱动电流可以获得激光器的波长值；请参阅图6，根据温度传感器11的反射谱中的峰值波长与激光波长的对应关系，得到温度传感器11反射峰的漂移量，进而得到温度传感器11所在位置处的精确外界温度T(L)。
实施例7
一种分布式光纤温度传感测量装置，与实施例6所述测量装置相同。
本实施例还提供了一种分布式光纤温度传感测量方法，与实施例6所述测量方法不同的是：
1、在步骤A中，提供本实施例所述测量装置；
2、在步骤B1中，进行分布式温度测量，得到沿传感光缆敷设区内各测量点对应的斯托克斯和反斯托克斯光强Is(z)、Ia(z)，z∈[0，L]，其中，传感光缆始端和尾端对应的斯托克斯和反斯托克斯光强分别为：Is0、Ia0、和Is(L)、Ia(L)；用铂电阻测得的参考光纤盒26的实测温度为T(0)；其中，分布式测量数据均为测量周期内的平均值；
3、在步骤B2中，进行点式温度测量：
通过调节激光器的工作温度对激光器的中心波长进行扫描；
激光器的中心波长随工作温度的漂移系数为0.1nm/℃，激光器的工作温度从10℃以0.1℃的步长线性增加到22℃时，激光器的中心波长从1549.5nm以步长0.01nm线性增加到1550.7nm；此时，激光器中心波长的扫描范围也覆盖了光纤光栅的反射峰漂移范围，能够保证系统根据光纤光栅反射峰的变化量推得外界温度信息；
根据激光器的工作温度可以获得激光器的波长值；根据温度传感器11的反射谱中的峰值波长与激光波长的对应关系，得到温度传感器11反射峰的漂移量，进而得到温度传感器11所在位置处的精确外界温度T(L)。
实施例8
请参阅图7，一种分布式光纤温度传感测量装置，与实施例1所述测量装置不同的是：
1、测量主机203中的分光模块82仅包括滤光片F1和滤光片F2；
2、探测模块仅包括探测器231和探测器232；
3、温度传感器在20℃的中心反射波长为1660.0nm，在斯托克斯光的峰值波长附近；当外界温度在-40℃～40℃之间变化时，温度传感器反射峰漂移范围为1659.4nm～1660.2nm；
当激光在传感光缆中传输时，激光与传感光缆散射介质相互作用，在激光中心波长长波和短波方向分别产生斯托克斯光和反斯托克斯光；斯托克斯光和反斯托克斯光的中心波长会随激光器中心波长的漂移而漂移，且漂移量相等；通过扫描激光器的中心波长可以实现对斯托克斯光和反斯托克斯光中心波长的扫描；则可以利用斯托克斯光或反斯托克斯光作为传感光缆的入射光源，只要斯托克斯光或反斯托克斯光的扫描范围覆盖了光纤光栅的反射峰漂移范围即可；
在本实施例中，激光器的中心波长扫描范围为：1549.3nm～1550.3nm，则在15℃时相应中心波长为1660nm的斯托克斯光的扫描范围为：1659.3nm～1660.3nm，且斯托克斯光的波长扫描范围覆盖了光纤光栅的反射峰漂移范围；
此时，经过温度传感器反射的光与斯托克斯光共用一个滤光片F2及探测器232；这样使测量主机的结构更加简洁。
本实施例还提供了一种分布式光纤温度传感测量方法，与实施例1所述测量方法不同的是：
1、在步骤A中，提供本实施例所述测量装置；
2、在步骤B2中，进行点式温度测量，调节激光器的驱动电流，扫描所述激光器波长，扫描范围为1549.3nm～1550.3nm，激光器发出的不同波长的光沿传感光缆传输，在传输过程中产生拉曼散射光，拉曼散射光中的斯托克斯光随激光波长的扫描范围为1659.3nm～1660.3nm，斯托克斯光沿传感光缆传输并被设置在传感光缆尾端的温度传感器光纤光栅FBG反射；反射光沿传感光缆传回测量主机并被分光模块中的F2滤光片滤出，并传递给探测器232，分析单元根据光纤光栅FBG反射峰的变化量得出温度传感器所在位置处的精确外界温度T(L)。
实施例9
一种分布式光纤温度传感测量装置，与实施例3所述测量装置不同的是：
1、测量主机203中的分光模块仅包括滤光片F1和滤光片F2；
2、探测模块仅包括探测器231和探测器232；
3、温度传感器在20℃的中心反射波长为1446.0nm，在反斯托克斯光的峰值波长附近；当外界温度在-40℃～40℃之间变化时，光纤光栅反射峰漂移范围为1445.4nm～1446.2nm；
在本实施例中，激光器的中心波长扫描范围为：1549.3nm～1550.3nm，则在15℃时相应中心波长为1446nm的反斯托克斯光的扫描范围为：1445.3nm～1446.3nm，且斯托克斯光的波长扫描范围覆盖了光纤光栅的反射峰漂移范围；
此时，经过温度传感器反射的光与斯托克斯光共用一个滤光片F1及探测器231；这样使测量主机的结构更加简洁。
本实施例还提供了一种分布式光纤温度传感测量方法，与实施例3所述测量方法不同的是：
1、在步骤A中，提供本实施例所述测量装置；
2、在步骤B2中，进行点式温度测量，激光在传感光缆中传输时，产生的拉曼散射光中的反斯托克斯光随激光波长的扫描范围为1445.3nm～1446.3nm，反斯托克斯光沿传感光缆传输并被设置在传感光缆尾端的温度传感器光纤光栅FBG反射；反射光沿传感光缆传回测量主机并被分光模块中的F1滤光片滤出，并传递给探测器231，分析单元根据光纤光栅FBG反射峰的位置变化得出温度传感器所在位置处的精确外界温度T(L)。
实施例10
请参阅图8，一种分布式光纤温度传感测量装置，与实施例1所述测量装置不同的是：
1、在传感光缆的中点处再设置一个温度传感器12，所述温度传感器12也为光纤光栅，其在20℃时的中心反射波长为1551nm，当环境温度在-40℃～40℃之间变化时，所述温度传感器12的反射峰漂移范围为1550.4nm～1551.2nm；
2、调节激光器的工作温度对激光器的中心波长进行扫描；
激光器的中心波长随工作温度的漂移系数为0.1nm/℃，激光器的工作温度从10℃以0.1℃的步长线性增加到30℃时，激光器的中心波长从1549.5nm以步长0.01nm线性增加到1551.5nm；此时，激光器中心波长的扫描范围覆盖了温度传感器11和温度传感器12的反射峰漂移范围。
上述测量装置也可以包括多个温度传感器，且温度传感器可以根据需要设置在传感光缆的不同位置。
本实施例还提供了一种分布式光纤温度传感测量方法，与实施例1所述测量方法不同的是：
1、在步骤A中，提供本实施例所述测量装置；
2、在步骤B1中，进行分布式温度测量，得到沿传感光缆敷设区内各测量点斯托克斯光和反斯托克斯光对应的光强Is(z)、Ia(z)，z∈[0，L]，其中，传感光缆始端、中点和尾端对应的斯托克斯和反斯托克斯光强分别为：Is0、Ia0、Is(L/2)、Ia(L/2)和Is(L)、Ia(L)；用铂电阻测得参考光纤盒26的温度记为T0；
3、在步骤B2中，进行点式温度测量，激光器的工作温度从10℃线性增加到30℃，步长为0.1℃，则激光器中心波长的调节范围为1549.5nm～1551.5nm，步长为0.01nm；
激光器21发出的不同波长的光沿传感光缆传输并被设置在传感光缆中点及尾端的温度传感器12和温度传感器11反射；
反射光沿传感光缆传回测量主机并被分光模块中的F3滤光片滤出，并传递给探测器233；
分析单元24根据反射信号反射峰的位置变化分别确定出温度传感器12和温度传感器11反射峰的变化量，进而确定出温度传感器12和温度传感器11所在位置处的精确环境温度T(L/2)和T(L)；
4、在步骤C1中，沿传感光缆敷设区内各点的修正参数Δα：
分析单元24将上述测得的Is0、Ia0、Is(L/2)、Ia(L/2)、Is(L)、Ia(L)、T(0)和T(L)传递给校准模块241，得出两个温度单位损耗系数差：
为了减小温度传感器12和温度传感器11的测量误差给最终测量结果带来的影响，系统的单位损耗系数Δα取上述Δα1和Δα2的平均值，即Δα＝(Δα1+Δα2)/2，并将Δα作为系统修正参数。
实施例11
一种分布式光纤温度传感测量装置，与实施例4所述测量装置不同的是：
在传感光缆的不同位置安装有多个中心波长相同的点式温度传感器11，所述点式温度传感器11为光纤光栅FBG温度传感器；
温度传感器11的工作波段范围为1549.6nm～1550.5nm，激光器波长的调谐范围为1549.5nm～1550.7nm，因此对于上述具有相同反射峰的温度传感器11，激光器的调谐范围只需要覆盖1.2nm左右，即可实现温度测量要求，此时激光器驱动电流调谐或者温度调谐范围较小，提高了点式温度的测量速度。
本实施例还提供了一种分布式光纤温度传感测量方法，与实施例4所述测量方法不同的是：
1、在步骤A中，提供本实施例所述测量装置；
2、在步骤B2中，进行点式温度测量：
根据反射光传输回探测器的时间对温度传感器11的位置定位，从而实现点式温度测量。
同样，传感光缆上可以安装多个具有相同或不同中心波长的温度传感器，实现更多位置的点式温度精确测量。此时，可按照一定编码方式将温度传感器布设在传感光缆上，进而实现对温度传感器的位置定位。
实施例12
一种分布式光纤温度传感测量装置，与实施例1所述测量装置不同的是：
1、本实施例分布式温度测量基于自发拉曼散射效应和光频域反射OFDR技术；
2、激光器为单模半导体激光器；激光器在10℃时的中心波长为1480.0nm，最大输出功率为300mW；
本实施例中激光器为连续输出工作模式，利用正弦变化的驱动电流调谐激光器的频率，频率最大调谐范围50MHz，频率调谐步长10kHz，根据不同频率下测得的反斯托克斯光强和斯托克斯光强之比，并经反傅里叶变化IFFT，可以实现分布式温度测量；本实施例可实现最小的空间分辨率1m、最大测量长度为4km的分布式温度测量；
本实施例通过调节激光器的工作温度对激光器的中心波长进行扫描，实现点式温度测量：
激光器的中心波长随工作温度的漂移系数为0.1nm/℃，激光器的工作温度从10℃以0.1℃的步长线性增加到30℃时，激光器的中心波长从1480.0nm以步长0.01nm线性增加到1482.0nm；此时，激光器中心波长的扫描范围也覆盖了光纤光栅的反射峰漂移范围，能够保证系统根据光纤光栅反射峰的变化量推得外界温度信息。
本实施例还提供了一种分布式光纤温度传感测量方法，与实施例1所述测量方法不同的是：
1、提供本实施例所述的测量装置；
2、在步骤B1中，分布式温度测量：
激光器为连续输出工作模式，利用正弦变化的驱动电流调谐激光器的频率，频率最大调谐范围50MHz，频率调谐步长10kHz，根据不同频率下测得的反斯托克斯光强和斯托克斯光强之比，并经反傅里叶变化IFFT，可以实现分布式温度测量；本实施例可实现最小的空间分辨率1m、最大测量长度为4km的分布式温度测量；
3、在步骤B2中，点式温度测量：
本实施例通过调节激光器的工作温度对激光器的中心波长进行扫描；
激光器的中心波长随工作温度的漂移系数为0.1nm/℃，激光器的工作温度从10℃以0.1℃的步长线性增加到30℃时，激光器的中心波长从1480.0nm以步长0.01nm线性增加到1482.0nm；此时，激光器中心波长的扫描范围也覆盖了光纤光栅的反射峰漂移范围，能够保证系统根据光纤光栅反射峰的变化量推得外界温度信息。
实施例13
一种分布式光纤温度传感测量装置，与实施例1所述测量装置不同的是：
1、本实施例中，分布式温度测量基于自发布里渊散射效应；
2、本实施例中，所述激光器21为窄线宽单频激光器；
激光器发出的单频激光沿传感光缆传输，沿传感光缆传输的布里渊散射光的频移量随外界温度变化而变化，经分光模块滤出布里渊散射光由探测模块所接收，根据布里渊散射光的频移量的变化量计算得到温度大小。
本实施例还提供了一种分布式光纤温度传感测量方法，与实施例1所述测量方法不同的是：
1、提供本实施例所述的测量装置；
2、在步骤B1中，分布式温度测量：
激光器发出的单频激光沿传感光缆传输，沿传感光缆传输的布里渊散射光的频移量随外界温度变化而变化，经分光模块滤出布里渊散射光由探测模块所接收，根据布里渊散射光的频移量的变化量计算得到温度大小。
实施例14
一种分布式光纤温度传感测量装置，与实施例1所述测量装置不同的是，
所述温度传感器11为半导体温度传感器，是基于半导体吸收原理，以GaAs半导体薄膜为温度敏感元件，其厚度约为100μm，两边抛光并镀增透膜；所述温度传感器11设置在传感光缆尾端并与传感光缆相连；
所述激光器21的波长为915nm，且激光器21的波长在上述温度传感器11半导体吸收谱的变化范围内，如图9所示；
所述温度传感器11在温度升高时，其吸收谱向长波方向漂移，此时GaAs半导体薄膜对915nm激光的吸收率降低，使温度传感器11的反射光强增加；根据GaAs半导体薄膜的反射光强可以计算出外界温度；
在本实施例中，滤光片F1、滤光片F2、滤光片F3的通带中心分别对应背向反斯托克斯光的峰值波长(879nm)、背向斯托克斯光的峰值波长(953nm)和温度传感器11的反射波长(915nm)；
在本实施例中，由于无需扫描激光器的波长，分布式温度测量与点式温度测量同时进行。
本实施例还提供了一种分布式光纤温度传感测量方法，与实施例1所述测量方法不同的是：
1、在步骤A中，提供本实施例所述测量装置；
2、在步骤B中，分布式温度测量和点式温度测量同时进行：
激光器21发出915nm的光沿传感光缆传输；沿传感光缆传输的光经滤光片滤出；
分析单元24根据滤光片F1和F2滤出的光得到分布式温度测量数据，即沿传感光缆敷设区域内各测量点的温度实测值为T′(z)，其中，z∈[0，L]，L为传感光缆的总长度2000m；在光纤光栅FBG所在位置处的温度实测值表示为T′(L)；
分析单元24根据滤光片F3滤出的温度传感器11的反射信号，得出温度传感器11所在位置处的精确环境温度T(L)。
利用本实施例的方法可实现±0.5℃的测温精度。
实施例15
请参阅图10，一种分布式光纤温度传感测量装置，与实施例14所述测量装置不同的是，
1、分光模块仅包括滤光片F1和滤光片F2；探测模块仅包括探测器231和探测器232；
2、请参阅图11，所述装置还包括测量主机202，所述测量主机202与传感光缆尾端相连；所述测量主机202包括滤光片F5、探测器235和分析模块242；滤光片F5将温度传感器11的透射光滤出，并传递给探测器235，分析模块242根据探测器235传来的温度传感器11的透射光信息，得出点式温度测量数据。
在本实施例中，由于无需扫描激光器的波长，分布式温度测量与点式温度测量同时进行。
本实施例还提供了一种分布式光纤温度传感测量方法，与实施例14所述测量方法不同的是：
1、在步骤A中，提供本实施例所述测量装置；
2、在步骤B中，分析单元242根据滤光片F5滤出的温度传感器11的透射信号，得出温度传感器11所在位置处的精确环境温度T(L)。
利用本实施例的方法可实现±0.5℃的测温精度。
采用温度传感器的透射光进行点式温度测量时，可以采用多种方式对透射光信号进行分析，并对分布式测量数据进行校准，只要能够将温度传感器的透射光滤出并分析即可；如：
可以在传感光缆的末端设置反射镜，将温度传感器的透射光反射回去，并被测量主机分光、探测并分析，得到点式温度测量数据，并可以利用点式温度测量数据对分布式温度测量数据进行校准；
或在温度传感器的后面再设置与传感光缆相连的第二传感光缆，第二传感光缆将温度传感器的透射光传输给测量主机，被分光、探测和分析，得到点式温度测量数据，并可以利用点式温度测量数据对分布式温度测量数据进行校准；
或与本实施例的方式相似，在传感光缆的尾端温度传感器的后面再设置第二测量主机，第二测量主机包括第二分光模块、第二探测模块和第二分析模块，第二分光模块将透过温度传感器的光信号滤出并传递给第二探测模块，并进一步传递给第二分析模块，得到点式温度测量数据；若进行校准步骤，则第二分析模块将点式温度测量数据以无线方式传递给测量主机的分析单元，以进行分布式温度测量数据校准；或测量主机的分析单元将分布式测量数据传递给第二分析单元，以进行分布式温度测量数据校准。
上述实施方式不应理解为对本实用新型保护范围的限制。本实用新型的关键是：在传感光缆上设置温度传感器，分布式温度测量与点式温度测量可以同时进行；并可以利用点式温度测量数据对分布式光纤传感系统测量数据进行在线校准。在不脱离本实用新型精神的情况下，对本实用新型做出的任何形式的改变均应落入本实用新型的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种分布式光纤温度传感测量装置，包括测量主机、传感光缆，所述测量主机包括激光器、分光模块、探测模块和分析单元，其特征在于：
在所述传感光缆上设置温度传感器；
所述分光模块，用于将沿传感光缆传输的散射光和温度传感器的反射光/透射光分别滤出，并通过探测模块传递给分析单元；
所述分析单元，用于根据所述散射光的信息得出分布式温度测量数据；根据所述反射光/透射光的信息得出点式温度测量数据。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述分析单元包括校准模块，用于根据点式温度测量数据校准分布式温度测量数据。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：
所述激光器的波长调谐范围覆盖温度传感器反射峰的漂移范围；
或所述激光器的波长在温度传感器吸收谱变化范围内。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述反射光/透射光与所述散射光的测量光路相同，所述散射光为斯托克斯光或反斯托克斯光或瑞利光或布里渊散射光。
5.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述温度传感器为光纤光栅。
6.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述温度传感器的反射/透射波长相同。
7.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述温度传感器的反射/透射波长不同。
8.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述温度传感器设置在传感光缆的尾端。
9.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于：所述测量主机还包括对激光器波长进行标定的标定模块，所述标定模块分别与分光模块和探测模块相连。
10.根据权利要求9所述的测量装置，其特征在于：所述标定模块为气体吸收盒或法布里-珀罗标准具或参考光纤光栅。
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