CN204043818U - 分布式光纤温度传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种分布式光纤温度传感器，主要包括机壳及设置在机壳内的脉冲激光源、波分复用器及光开关，光开关上还连接一光纤盒，光纤盒内设有参考光纤环，光纤盒上还设有一温度探头，光纤环的尾端通过设置在机壳上的光纤端子与外部的传感光纤连接；波分复用器上还依次连接有光电探测模块、高速采集卡及工控机板卡；该传感器成本低，结构简单，信噪比好，稳定性好，可靠且温度分辨率高，同时便于应用消除该分布式光纤温度传感器非线性误差的方法。

Description

分布式光纤温度传感器

技术领域

本实用新型涉及一种光纤温度传感器，具体涉及一种分布式光纤温度传感器，属于光纤传感领域。

背景技术

自1985年J.P.Dakin等人首次成功实现了基于拉曼散射的分布式测温技术以来，人们对实现分布式光纤温度传感的各种技术开展了广泛研究，其中基于拉曼散射的分布式传感技术得到了最为广泛的实际应用。与传统的传感器相比，分布式光纤温度传感器具有诸多卓越的优势：以光纤本身作为传感媒介，一次测量就可以得到沿光纤分布的数千点温度信息，实现了连续分布式测量，降低了测量不确定度；测量距离远，测量时间短，适合远程实时监控；灵敏度高，测量精度高，误报率、漏报率低；耐腐蚀、耐水、耐火、电磁干扰免疫，可靠性高，维护成本低。

基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器的基本原理是：在传感光纤的一端注入激光脉冲，当激光脉冲在光纤中传播时由于纤芯分子的热振动与光子相互作用而发生能量交换，产生了拉曼散射。具体的说，当光子的一部分能量传递给分子的热振动时，那么将发出波长比原来激光波长长的光子，称为拉曼斯托克斯(Raman Stokes)光；当分子热振动的一部分能量传递给光子时，那么将发出波长比原来激光波长短的光子，称为拉曼反斯托克斯(Raman Anti-Stokes)光。其中，拉曼反斯托克斯光对温度很敏感，而拉曼斯托克斯光对温度不敏感，所以人们通常用拉曼反斯托克斯光来解调出温度信息；并且，为了消除光源功率波动的影响，通常采用拉曼斯托克斯光作为参考光。拉曼散射技术结合光时域反射技术(OTDR，Optical Time Domain Reflectometer)，就能够定位温度信息，从而实现了分布式光纤温度传感。通常称这种传感技术为Raman-DTS(Raman DistributedTemperature Sensing)。

中国发明专利(公开号：CN101696896A)公开了一种分布式光纤温度传感系统的光电装置，如附图2所示，包括激光器21、光纤Raman-WDM耦合器22、第一光接收模块31、第二光接收模块41、第一放大匹配电路32、第二放大匹配电路42、参考光纤环26、传感光纤25。激光器能够产生给采集卡的同步信号27，32输出反斯托克斯光转换的电信号，42输出斯托克斯光转换的电信号。这是一种典型的Raman-DTS方案。

众所周知，光纤的损耗大小与光波长相关，由于拉曼反斯托克斯光和拉曼斯托克斯光的波长相差很大(例如在1550nm光源的Raman-DTS系统中，两者波长相差约200nm)，所以两者在光纤中传输损耗也不同。并且，在实际应用中，传感光纤的回路有的时候是由若干段光纤熔接而成的，每段光纤的损耗也可能各不相同。尤其是，随着测量距离增加，损耗差异对系统测量精度的影响更大。解调温度时，如果不考虑这些损耗的影响，就会造成系统的非线性误差，解调得到的温度曲线是扭曲的，系统将不能正常工作，研发一种能克服以上缺陷的分布式光纤温度传感器成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是，克服现有技术的缺点，提供一种成本低，结构简单，信噪比好，工作时稳定性好，可靠且温度分辨率高方便消除非线性误差的分布式光纤温度传感器。

为了解决以上技术问题，本实用新型提供一种分布式光纤温度传感器，主要包括机壳及设置在机壳内并顺次连接的脉冲激光源、波分复用器及光开关，光开关上还连接一光纤盒，光纤盒内设有参考光纤环，光纤盒上还设有一与参考光纤环集成的温度探头，参考光纤环的尾端通过设置在所述机壳上的光纤端子与外部的传感光纤连接；

波分复用器上还依次连接有将拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光转换为对应模拟电信号的光电探测模块、将模拟电信号转换为数字电信号的高速采集卡及工控机板卡，其中：

波分复用器有四个端口，脉冲激光源的输出端连接波分复用器的输入端，脉冲激光源的光从波分复用器的输入端到正向输出端穿过，反向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光被波分复用器分离，分别从波分复用器的两个反向输出端输出并传送至光电探测模块，波分复用器的正向输出端连接光开关的主端，光开关的支端连接放置于光纤盒内部的参考光纤环，光纤盒上的温度探头测量参考光纤环的温度，参考光纤环的尾端连接机壳上的光纤端子对外输出，外部的传感光纤连接在光纤端子上，利用光开关将波分复用器输出的激光最终送入传感光纤，光电探测模块将拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光转换为对应的模拟电信号并输出给高速采集卡，高速采集卡将模拟电信号转换为数字电信号，输出给工控机板卡，工控机板卡上运行的软件系统对数字电信号进行计算处理，从而解调出温度分布的曲线。

本实用新型进一步限定的技术方案是：

前述分布式光纤温度传感器中，脉冲激光源为直接调制半导体激光器或光纤激光器，并脉冲激光源的中心波长为1550.12nm，脉冲宽度为10ns，峰值功率为15W，重复周期为152us，脉冲激光源的重复周期大于光脉冲在传感光纤中的传输时间。

本实用新型中的脉冲激光源为直接调制半导体激光器或是光纤激光器，脉冲激光源的峰值功率为15瓦级，在不产生受激拉曼散射等非线性光学现象的前提下，脉冲激光源的峰值功率越高越好，可以提高系统的信噪比，脉冲激光源的脉冲宽度为10纳秒级，窄的脉冲宽度有利于提高系统的空间分辨率，但是也不能太窄否则会降低信噪比不利于温度分辨率，本实用新型中的参数经过反复实验得到的在高与低两者之间折中，最大限度的发挥作用。

前述分布式光纤温度传感器中，参考光纤环的长度为20-50m，绕制直径为8-15cm，传感光纤长度为15km，传感光纤既是传输介质又是传感介质，铺设在测温现场不带电，抗电磁干扰，耐辐射，耐腐蚀；绕制所述参考光纤环的光纤类型与传感光纤相同且均为单模光纤或是多模光纤。

本实用新型中的传感光纤为15km，较短的长度方便在消除分布式光纤温度传感器非线性误差方法中对传感光纤进行分段补偿损耗，传感光纤的长度越长误差率越高，减少误差的可能就降低。

前述分布式光纤温度传感器中，光纤盒和机壳的材料为金属材料：铝、铝合金、铜或不锈钢中的任意一种，采用金属材料制作盒体和壳体不容易生锈腐蚀，延长使用寿命，降低成本。

前述分布式光纤温度传感器中，温度探头为热电偶、铂电阻、热敏电阻、二极管或是专用测温芯片；光纤端子为FC、SC法兰盘或E2000端子中的一种。

本实用新型采用接触式的温度测量方法，操作简单，测量精度高，有利于后续数据与实际情况的复合性，如采用热电偶具有结构简单，响应快，实现远距离测量和自动控制的特点，应用广泛；本实用新型采用光纤端子将传感光纤与光开关有效的连接在一起，确保传输的参数与实际情况符合减少误差等现象。

前述分布式光纤温度传感器中，光电探测模块的电路带宽为100-150MHz，所述高速采集卡的采集速度为500-503MS/s。

前述分布式光纤温度传感器中，高速采集开与工控机板卡的接口为PCI接口或是USB接口。

本实用新型的分布式光纤温度传感器的工作原理，通过高功率的脉冲激光源注入传感光纤中，沿传感光纤传输所产生的带有温度信息的反向反斯托克斯散射光返回波分复用器并最终到达光电探测模块，再经光电探测模块转换为模拟电信号，由高速采集卡采集模拟电信号再转换成数字电信号，最终传送至工控机板卡与斯托克斯光的参数进行对比和相关处理，最后获得传感光纤上各点的温度信号，绘制温度曲线，具体操作如下：

利用分布式温度传感器中光电探测模块探测斯托克斯光和反斯托克斯光的功率并记录下来，托克斯光和反斯托克斯光功率表达式如下：

$P_s=P_0\·K_s\·S_b\·v_s^4\·R_s\left(T\right){\·e}^{-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_s)x}---\left(1\right)$

$P_{\mathrm{as}}=P_0\·K_{\mathrm{as}}\·S_b\·v_{\mathrm{as}}^4\·R_{\mathrm{as}}\left(T\right){\·e}^{-({\mathrm{\α}}_0+{\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}})x}---\left(2\right)$

其中，P_s、P_as分别表示斯托克斯光和反斯托克斯光功率，P₀为光源功率，K_s、K_as分别为斯托克斯光和反斯托克斯光的散射界面系数，S_b为光纤背向散射系数，v_s、v_as分别为斯托克斯光和反斯托克斯光的频率，α₀、α_s、α_as分别为光源、斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤中传输的损耗系数，x为传感光纤中的位置；R_s(T)、R_as(T)是光纤的拉曼散射系数(跟温度相关)表达公式如下：

$R_s\left(T\right)=\frac{1}{1-e^{-\frac{h\·\mathrm{\Δv}}{k\·T}}}---\left(3\right)$

$R_{\mathrm{as}}\left(T\right)=\frac{1}{e^{\frac{h\·\mathrm{\Δv}}{k\·T}}-1}---\left(4\right)$

其中，h为普朗克常量，Δv为拉曼频移，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度；

以斯托克斯光为参考光，将式(3)、式(4)分别对应带入式(1)、式(2)中并用步骤(1)中的式(2)除以式(1)，即得到关于温度分布的函数：

$f(T,x)=\frac{K_{\mathrm{as}}\·v_{\mathrm{as}}^4}{K_s\·v_s^4}\·e^{-\frac{h\·\mathrm{\Δv}}{k\·T}}\·e^{-({\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}-{\mathrm{\α}}_s)\·x}---\left(5\right)$

那么，参考光纤环所处位置的温度分布函数为：

$f(T_{\mathrm{ref}},x_{\mathrm{ref}})=\frac{K_{\mathrm{as}}\·v_{\mathrm{as}}^4}{K_s\·v_s^4}\·e^{-\frac{h\·\mathrm{\Δv}}{k\·T_{\mathrm{ref}}}}\·e^{-({\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}-{\mathrm{\α}}_s)\·x_{\mathrm{ref}}}---\left(6\right)$

由式(5)、式(6)解调出温度分布信息为：

$\frac{1}{T}=\frac{1}{T_{\mathrm{ref}}}-\frac{k}{h\·\mathrm{\Δv}}[\ln \left(\frac{f(T,x)}{f(T_{\mathrm{ref}},x_{\mathrm{ref}})}\right)+({\mathrm{\α}}_{\mathrm{as}}-{\mathrm{\α}}_s)\·(x-x_{\mathrm{ref}})]---\left(7\right);$

其中，(α_as-α_s)·(x-x_ref)中的项说明拉曼反斯托克斯光和拉曼斯托克斯光的损耗差异会影响温度解调，(α_as-α_s)不是常数，例如传感光纤是由不同的光纤熔接而成的，那么解调出来的温度信息随x位置变化就会呈折线分布，结果存在非线性误差；

将传感光纤分为N段，并计算每一段的损耗差异并加入式(7)中进行分段损耗差异补偿，具体如下：

步骤(2)的式(7)中(α_as-α_s)为反斯托克斯光和斯托克斯光的损耗差异令其为Δα，传感光纤第1段(0到x₁)的损耗差异为Δα₁，第2段(x₁到x₂)的损耗差异为Δα₂，…，第N段(x_N-1到x_N)的损耗差异为Δα_N；计算传感光纤的第1段温度时，将式(7)加上一项进行损耗差异补偿；同理，计算传感光纤的第2段温度时，将式(7)加上一项计算传感光纤的第N段温度时，将式(7)加上一项 $\frac{k}{h\·\mathrm{\Δv}}\·[\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_1\·(x_1-x_{\mathrm{ref}})+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_2(x-x_1)+...+\mathrm{\Δ}{\mathrm{\α}}_N(x-x_{N-1})];$ 对于步骤(3)中的计算公式进行运算整合，得到一条消除损耗差异影响的平直的传感光纤温度曲线如下：

$\frac{1}{T}=\frac{1}{T_{\mathrm{ref}}}-\frac{k}{h\·\mathrm{\Δv}}\·\ln \left(\frac{f(T,x)}{f(T_{\mathrm{ref}},x_{\mathrm{ref}})}\right)---\left(8\right)$

本实用新型中的各器件均为现有的市场上能买到的，经组合在一起能运行的。

本实用新型的有益效果是：

本实用新型提供了一种结构更为简单，成本低、信噪比好，可靠性高的分布式光纤温度传感器，该传感器仅需要一个脉冲激光器、一个波分复合器、一个光开关、一个光电探测模块就可以实现温度监测；

本实用新型的分布式光纤温度传感器中便于应用消除非线性误差的方法，能更好的消除传感器非线性误差，确保传感器运行的精度和可靠性，同时，采用波分复用器将反向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光分离，分别从波分复用器的两个反向输出端输出，减少斯托克斯光和烦斯托克斯光之间的损耗差异对最终解调出的温度曲线的影响。

附图说明

图1为本实用新型实施例中分布式光纤温度传感器的结构原理框图；

图2是现有技术中的一种分布式光纤温度传感系统的光电装置的原理框图；

图3是本实用新型实施例工作时没有应用消除分布式光纤温度传感器非线性误差的方法得到的温度分布曲线；

图4是本实用新型实施例工作时应用消除分布式光纤温度传感器非线性误差的方法得到的温度分布曲线；

图中：1、脉冲激光源，2、波分复用器，3、光开关，4、光纤盒，5、参考光纤环，6、温度探头，7、光纤端子，8、传感光纤，9、光电探测模块，10、高速采集卡，11、工控机板卡，12、机壳。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供一种分布式光纤温度传感器，结构如图1所示，主要包括机壳12及设置在机壳12内并顺次连接的波长为1550.12nm，脉冲宽度为10ns，峰值功率为15W，重复周期为152us作为脉冲激光源1的MOPA结构的光纤激光器、波分复用器2及光开关3，光开关3上还连接一铝合金材质的光纤盒4，光纤盒4内设有长度为20m，绕制直径为15m的参考光纤环5，光纤盒4上还设有一与参考光纤环5集成的作为温度探头6的专用测温芯片DS18B20，参考光纤环5的尾端通过设置在不锈钢机壳12上的E2000端子与外部的长度为15km的50/125um的多模光纤连接；

波分复用器2上还依次连接有将拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光转换为对应模拟电信号的电路带宽为125MHz的光电探测模块9、将模拟电信号转换为数字电信号的采集速度为500MS/s的ADS5474型高速采集卡10及工控机板卡11，高速采集卡10与工控机板卡11的接口为PCI接口，其中：

波分复用器2有四个端口，脉冲激光源1的输出端连接波分复用器2的输入端，脉冲激光源1的光从波分复用器2的输入端到正向输出端穿过，反向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光被波分复用器分离2，分别从波分复用器2的两个反向输出端输出并传送至光电探测模块9，波分复用器2的正向输出端连接光开关3的主端，光开关3的支端连接放置于光纤盒4内部的参考光纤环5，光纤盒4上的温度探头6测量参考光纤环5的温度，参考光纤环5的尾端连接机壳12上的光纤端子7对外输出，外部的传感光纤8连接在光纤端子7上，利用光开关3将波分复用器2输出的激光最终送入传感光纤8，光电探测模块9将拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光转换为对应的模拟电信号并输出给高速采集卡10，高速采集卡10将模拟电信号转换为数字电信号，输出给工控机板卡11进行计算处理，从而解调出温度分布的曲线。

将本实用新型应用消除分布式光纤温度传感器非线性误差的方法，通过分段式的补偿损耗差异的方法消除了拉曼反斯托克斯光和拉曼斯托克斯光的损耗差异对温度解调的影响，从而得到一个平直的传感光纤温度曲线如图4所示，使得系统解调出来的温度曲线与实际情况相符误差最大小于1摄氏度，提高了系统测温精度和可靠性，同时采用本实用新型中的分布式光纤温度传感器在一样的条件下不采用消除分布式光纤温度传感器非线性误差的方法即得到解调出温度分布信息后不进行损耗差异的补偿，当传感光纤是由不同的光纤熔接而成时，解调出来的温度信息随光纤中的位置变化就会呈折线分布，结果存在非线性误差，得到一个测温曲线如图3所示，能明显看到温度曲线呈折线状扭曲，与实际温度误差最大超过4摄氏度。

除上述实施例外，本实用新型还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本实用新型要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种分布式光纤温度传感器，其特征在于：主要包括机壳（12）及设置在机壳（12）内并顺次连接的脉冲激光源（1）、波分复用器（2）及光开关（3），所述光开关（3）上还连接一光纤盒（4），所述光纤盒（4）内设有参考光纤环（5），所述光纤盒（4）上还设有一与参考光纤环（5）集成的温度探头（6），所述参考光纤环（5）的尾端通过设置在所述机壳（12）上的光纤端子（7）与外部的传感光纤（8）连接；

所述的波分复用器（2）上还依次连接有将拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光转换为对应模拟电信号的光电探测模块（9）、将模拟电信号转换为数字电信号的高速采集卡（10）及工控机板卡（11），其中：

所述的波分复用器（2）有四个端口，所述脉冲激光源（1）的输出端连接波分复用器（2）的输入端，脉冲激光源（1）的光从波分复用器（2）的输入端到正向输出端穿过，反向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光被波分复用器（2）分离，分别从波分复用器（2）的两个反向输出端输出并传送至光电探测模块（9），所述波分复用器（2）的正向输出端连接光开关（3）的主端，所述光开关（3）的支端连接放置于光纤盒（4）内部的参考光纤环（5），光纤盒（4）上的温度探头（6）测量参考光纤环（5）的温度，参考光纤环（5）的尾端连接机壳上的光纤端子（7）对外输出，外部的传感光纤（8）连接在光纤端子（7）上，利用光开关（3）将波分复用器（2）输出的激光最终送入传感光纤（8），所述的光电探测模块（9）将拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光转换为对应的模拟电信号并输出给高速采集卡（10），所述的高速采集卡（10）将模拟电信号转换为数字电信号，输出给工控机板卡（11）进行计算处理，从而解调出温度分布的曲线。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器，其特征在于，所述的脉冲激光源（1）为直接调制半导体激光器或光纤激光器，脉冲激光源（1）的中心波长为1550.12nm，脉冲宽度为10ns，峰值功率为15W，重复周期为152us。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器，其特征在于，所述的参考光纤环（5）的长度为20-50m，绕制直径为8-15cm，传感光纤（8）长度为15km。

4.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器，其特征在于：绕制所述参考光纤环（5）的光纤类型与传感光纤（8）相同且均为单模光纤或是多模光纤。

5.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器，其特征在于：所述光纤盒（4）和机壳（12）的材料为金属材料：铝、铝合金、铜或不锈钢中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器，其特征在于：所述的温度探头（6）为热电偶、铂电阻、热敏电阻、二极管或是专用测温芯片。

7.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器，其特征在于：所述的光纤端子（7）为FC、SC法兰盘或E2000端子中的一种。

8.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器，其特征在于：所述的光电探测模块（9）的电路带宽为100-150MHz，所述高速采集卡（10）的采集速度为500-503MS/s。

9.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器，其特征在于：所述的高速采集卡（10）与工控机板卡（11）的接口为PCI接口或是USB接口。