CN203365019U

CN203365019U - 一种高稳定性的分布式光纤测温装置

Info

Publication number: CN203365019U
Application number: CN201320334405.XU
Authority: CN
Inventors: 蒋俊; 丘栋荣; 余俊云; 卢海洋; 肖棽柏; 张健
Original assignee: HANGZHOU SENSYS PHOTOELECTRIC CO Ltd
Current assignee: HANGZHOU SENSYS PHOTOELECTRIC CO Ltd
Priority date: 2013-06-12
Filing date: 2013-06-12
Publication date: 2013-12-25
Anticipated expiration: 2023-06-12

Abstract

本实用新型公开了一种高稳定性的分布式光纤测温装置，包括脉冲激光源、分光器、参考光纤盒、测量光纤、2×2光开关、第一探测器、第二探测器和电路模块。脉冲激光源的输出端与分光器的输入端相连，分光器的第一输出端依次与参考光纤盒以及测量光纤相连，分光器的第二和第三输出端分别以与2×2光开关的两个输入端相连，2×2光开关的两个输出端分别与第一探测器以及第二探测器的输入端相连，第一探测器和第二探测器的输出端以及2×2光开关切换控制端与电路模块相连。通过电路模块控制让2×2光开关选择工作于直通模式或者交叉模式，使得测温装置选择进入测量模式或者校准模式，实现测量性能和稳定性之间的平衡，提高装置的长期测量稳定性。

Description

一种高稳定性的分布式光纤测温装置

技术领域

本实用新型涉及一种分布式光纤传感技术，特别涉及一种高稳定性的分布式光纤测温装置。

背景技术

稳定性是指测量仪器保持其测量特性随时间不变化的能力，是测量仪器的核心性能指标。分布式光纤测温装置（DTS）是一种新兴的线型温度测量系统，它利用自发拉曼散射效应中温度敏感的反斯托克斯Anti-stokes信号与温度不敏感的斯托克斯信号Stokes的强度之比即可光纤各点的温度值，并且还利用光时域反射技术精确定位火灾位置，具有测量距离长、无测量盲区、抗电磁干扰、适合易燃易爆等恶劣环境下工作等优点，在公路交通隧道、高压电缆沟、输煤皮带、油井、大坝等领域有较广泛应用。分布式光纤测温装置的应用场合均属于重大关键基础设施，对温度测量准确性的要求较高，并且需要保持长期的稳定性，尤其是大坝渗漏监测以及稠油热采井井下温度测量等应用对温度长期测量稳定性的要求更高。

测量仪器产生不稳定的因素很多，包括元器件的老化、零部件的磨损、以及使用、贮存、维护工作不仔细等。如已有不少论文报道（叶宗顺, 刘艳平, 刘果等. 分布式光纤测温系统的研制及其应用, 水电厂自动化, 2012, Vol. 33, No. 1, pp. 43-45, 68），对于分布式光纤测温装置，光纤背向散射信号极为微弱，需要采用两只雪崩光电二极管APD作为光电探测器分别探测反斯托克斯Anti-stokes和斯托克斯Stokes信号。但是，雪崩光电二极管APD光电探测响应有较大离散性，长时间运行后探测器老化导致温度测量出现漂移。申请号为201220589677.X的中国专利公告了一种单一探测器的分布式光纤测温装置，该装置在分光器与探测器之间设有1×2光开关，分光器的两个信号输出端（反斯托克斯Anti-stokes和斯托克斯Stokes信号）分别与1×2光开关的两个输入端相连，1×2光开关的输出端与探测器的输入端相连；通过控制1×2光开关，可以选择性地使反斯托克斯Anti-stokes光或者斯托克斯Stokes光进入探测器，即通过分时探测的方式实现单一探测器对温度敏感的反斯托克斯光Anti-Stokes和温度不敏感的斯托克斯光Stokes的探测，减小探测器一致性的问题，提高长期测温精度。由于该装置是利用分时切换的方式分别实现反斯托克斯Anti-stokes和斯托克斯Stokes信号探测的，这样就造成装置的总测量时间增加，换言之在单位时间内反斯托克斯Anti-stokes以及斯托克斯Stokes的累加平均次数就减少了，对于测量时间要求较高的应用场合，累加平均次数减少意味着信噪比降低，温度测量的噪声加大，有可能导致误报警，降低装置的可靠性。

发明内容

为了解决现有技术中的上述不足，本实用新型提供了一种结构简单并且不牺牲测量时间的高稳定性的分布式光纤测温装置。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：一种高稳定性的分布式光纤测温装置，包括脉冲激光源、分光器、参考光纤盒、测量光纤、2×2光开关、第一探测器、第二探测器和电路模块。脉冲激光源的输出端与分光器的输入端相连，分光器的第一输出端依次与参考光纤盒、测量光纤相连，分光器的第二输出端和第三输出端分别以与2×2光开关的两个输入端相连，2×2光开关的两个输出端分别与第一探测器、第二探测器的输入端相连，第一探测器、第二探测器的输出端以及2×2光开关切换控制端与电路模块相连。

所述的2×2光开关具有两种工作模式：直通模式和交叉模式，通过所述的电路模块控制，让所述的2×2光开关选择工作于直通模式或者交叉模式，使得测温装置选择进入测量模式或者校准模式。

所述的脉冲激光源为窄脉冲宽度、高峰值功率的半导体激光光源或者光纤激光光源。

所述的第一探测器和第二探测器均为雪崩光电二极管APD，分别用于探测微弱的光纤散射信号：反斯托克斯Anti-stokes和斯托克斯Stokes。

本实用新型通过控制2×2光开关的工作模式，可以实现两种光路结构，即分布式光纤测温装置具有两种运行状态：测量模式和校准模式。当2×2光开关处于直通模式时，分布式光纤测温装置处于测量模式，此时利用第一探测器和第二探测器分别探测从参考光纤盒以及测量光纤返回的背向反斯托克斯光和斯托克斯光，由于采用两个探测器同时探测信号，可以在较短的测量时间内获得更多的累加平均次数，信噪比高，测温性能较好；当2×2光开关处于交叉模式时，分布式光纤测温装置处于校准模式，此时第一探测器将从探测背向反斯托克斯光变成背向斯托克斯光、第二探测器将从探测背向斯托克斯光变成背向反斯托克斯光，即利用同一探测器可以分别实现背向反斯托克斯光和斯托克斯光的测量，减小探测器一致性以及长期老化的问题，测温精度和稳定性高，可实现分布式光纤测温装置的在线校准。由于探测器的老化属于缓慢的行为，为在测量性能和测量稳定性之间平衡，可根据实际需要每隔一定周期（如每天）进入一次校准模式，其余大部分时间用于测量模式。

与现有技术相比，本实用新型的优点在于：

（1）本实用新型的分布式光纤测温装置利用2×2光开关的两种工作模式获得测量模式和校准模式，在不牺牲测量时间的前提下减小探测器一致性以及长期老化的问题，实现测量性能和测量稳定性之间的平衡。

（2）本实用新型的分布式光纤测温装置结构简单，增加成本少。

（3）本实用新型的分布式光纤测温装置为在线自动校准方法，无需人工操作，简单可行。

附图说明

图1是本实用新型的一种高稳定性的分布式光纤测温装置。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本实用新型作进一步详尽描述。

实施例1：

如图1所示，一种高稳定性的分布式光纤测温装置，包括脉冲激光源1、分光器2、参考光纤盒3、测量光纤4、2×2光开关5、第一探测器6、第二探测器7和电路模块8。脉冲激光源1的输出端与分光器2的输入端21相连，分光器的第一输出端22依次与参考光纤盒3、测量光纤4相连，分光器2的第二输出端23和第三输出端24分别以与2×2光开关5的两个输入端51和52相连，2×2光开关5的两个输出端53和54分别与第一探测器6、第二探测器7的输入端相连，第一探测器6、第二探测器7的输出端以及2×2光开关5切换控制端与电路模块8相连。

脉冲激光源1为窄脉冲宽度、高峰值功率的半导体激光光源或者光纤激光光源。本实施例优选中心波长为1550nm的光纤激光光源，脉冲宽度2~100ns可调，峰值功率0.5~100W可调。

分光器2用于分离光纤背向散射信号，本实施例采用1×3拉曼WDM分光器，其中输入端21为1550nm光透射，第一输出端22为公共端，第二输出端23为1450nm光透射，第三输出端24为1660nm光透射。

参考光纤盒3盘绕有一段光纤，根据测量需要盘绕的光纤长度为数十米至数百米。所述的参考光纤盒3可以采用恒温控制的方式，也可以铂电阻等测温元件实时测量的方式。

测量光纤4可根据需要选择不同芯径和护套的光纤，光纤既是测温元件，也是信号传输介质。本实施例为增加背向散射信号强度，优选GI62.5/125的通信多模光纤，护套为低烟无卤材质。

2×2光开关5具有两种工作模式：直通模式和交叉模式，工作模式通过电路模块8控制。当2×2光开关5处于直通模式时，2×2光开关5的输入端51和输出端53相连通、2×2光开关5的输入端52和输出端54相连通，此时所述的分光器2的第二输出端23的光信号（本实施例为中心波长为1450nm的反斯托克斯光信号）经2×2光开关5后被第一探测器6所探测，所述的分光器2的第三输出端24的光信号（本实施例为中心波长为1660nm的斯托克斯光信号）经2×2光开关5后被第二探测器7所探测。类似的，当2×2光开关5处于交叉模式时，2×2光开关5的输入端51和输出端54相连通、2×2光开关5的输入端52和输出端53相连通，此时所述的分光器2的第二输出端23的光信号（本实施例为中心波长为1450nm的反斯托克斯光信号）经2×2光开关5后被第二探测器7所探测，所述的分光器2的第三输出端24的光信号（本实施例为中心波长为1660nm的斯托克斯光信号）经2×2光开关5后被第一探测器6所探测。

第一探测器6和第二探测器7为高灵敏的雪崩光电二极管，本实施例中选用InGaAs APD。第一探测器6和第二探测器7将光信号转换成电信号后由所述的电路模块8所接收。

电路模块8包含信号采集与处理单元、2×2光开关5的切换控制等功能模块，可根据第一探测器6和第二探测器7的信号计算出测量光纤4各点的温度值。

温度计算流程如下：

（1）通过电路模块8控制2×2光开关5，使2×2光开关5处于直通模式，测温装置进入测量模式；

（2）利用第一探测器6和第二探测器7分别探测从参考光纤盒3以及测量光纤4返回的背向反斯托克斯光和斯托克斯光，并传给电路模块8；

（3）利用参考光纤盒3的实际温度T₀、参考光纤盒3区段内反斯托克斯光平均值P _a0和斯托克斯光平均值P _s0以及测量光纤4各点的反斯托克斯光P _a(z)和斯托克斯光P _s(z)，计算得到测量光纤4上各点的测量温度值T_b(z)；

（4）每隔一定周期，通过电路模块8控制2×2光开关5，使2×2光开关5处于交叉模式，测温装置进入校准模式；

（5）利用第二探测器7探测从参考光纤盒3以及测量光纤4返回的背向反斯托克斯光，并传给电路模块8；

（6）利用参考光纤盒3的实际温度T₀、2×2光开关5模式切换之前（即直通模式下）第二探测器7最后一次所探测的参考光纤盒3区段内斯托克斯光平均值P _s0以及测量光纤4各点的斯托克斯光P _s(z)，和2×2光开关5模式切换之后（即交叉模式下）第二探测器7最近一次所探测的参考光纤盒3区段内反斯托克斯光平均值P _a0以及测量光纤4各点的反斯托克斯光P _a(z)，计算得到测量光纤4上各点的测量温度值T_c(z)；

（7）计算测量光纤4上各点的温度校准值ΔT(z) = T_c(z) - T_b(z)，并保存直至下一次控制2×2光开关5处于交叉模式；

（8）此时经校准后的测量光纤4上各点的温度为T(z) = T_b(z) + ΔT(z)，并开始下一次测量周期。

在此具体实施例中，通过电路模块8控制2×2光开关5的工作模式，可以实现两种光路结构，即分布式光纤测温装置具有两种运行状态：测量模式和校准模式。当2×2光开关5处于直通模式时，分布式光纤测温装置处于测量模式，此时利用第一探测器6和第二探测器7分别探测从参考光纤盒3以及测量光纤4返回的背向反斯托克斯光（分光器2的第二输出端23的光信号）和斯托克斯光（分光器2的第三输出端24的光信号），由于采用两个探测器同时探测信号，可以在较短的测量时间内获得更多的累加平均次数，信噪比高，测温性能较好；当2×2光开关5处于交叉模式时，分布式光纤测温装置处于校准模式，此时第一探测器6和第二探测器7探测的光信号将交换。由于测量模式下的测量时间相对较短，而校准模式下的测量时间可以加长，考虑到斯托克斯光信号比较大，为获得更好的校准效果，本实施例中优选第二探测器7的输出信号，即利用2×2光开关5切换成交叉模式之前的第二探测器7最后一次所探测的斯托克斯信号以及2×2光开关5切换成交叉模式后的第二探测器7最近一次所探测的反斯托克斯信号，计算得到测量光纤上各点的温度值T_c(z)。即利用同一探测器可以分别实现背向反斯托克斯光和斯托克斯光的测量，减小探测器一致性以及长期老化的问题，测温精度和稳定性高，可实现分布式光纤测温装置的在线校准。由于探测器的老化属于缓慢的行为，为在测量性能和测量稳定性之间平衡，可根据实际需要每隔一定周期（如每天）进入一次校准模式，其余大部分时间用于测量模式。本实用新型的分布式光纤测温装置利用2×2光开关的两种工作模式获得测量模式和校准模式，在不牺牲测量时间的前提下减小探测器一致性以及长期老化的问题，实现测量性能和测量稳定性之间的平衡。

Claims

1.一种高稳定性的分布式光纤测温装置，包括脉冲激光源、分光器、参考光纤盒、测量光纤、第一探测器、第二探测器和电路模块，其特征在于还包括2×2光开关，所述的脉冲激光源的输出端与所述的分光器的输入端相连，所述的分光器的第一输出端依次与所述的参考光纤盒以及所述的测量光纤相连，所述的分光器的第二输出端和第三输出端分别以与所述的2×2光开关的两个输入端相连，所述的2×2光开关的两个输出端分别与所述的第一探测器以及第二探测器的输入端相连，所述的第一探测器和第二探测器的输出端以及所述的2×2光开关切换控制端与所述的电路模块相连。

2.根据权利要求1所述的一种高稳定性的分布式光纤测温装置，其特征在于通过所述的电路模块控制让所述的2×2光开关选择工作于直通模式或者交叉模式，使得测温装置选择进入测量模式或者校准模式。