CN204903035U - 一种双头结构的分布式光纤测温系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及到一种双头结构的分布式光纤测温系统。其包括1550nm脉冲激光源、1×3波分复用器、内置参考光纤盒、1×2光开关A、恒温槽A、参考光纤A、恒温槽B、参考光纤B、传感光纤、1×2光开关B、APD、数据采集卡和计算机。与现有技术相比，本实用新型可以消除光连接器、光纤接口的损耗的影响，使得最终计算得到的温度值能更准确的反映实际温度信息；利用两个温度不同的参考光纤盒和内置参考光纤盒，消除了激光器功率波动的影响；相比双通道APD探测器而言，使用一个APD探测器减小了探测器的不一致性和长期老化的问题；传感光纤某处断裂时，采用双头结构的DTS测温系统，通过光开关切换的方式而继续使用测温系统。

Description

一种双头结构的分布式光纤测温系统

技术领域

本实用新型属于测温装置技术领域，具体来说，涉及到一种双头结构的分布式光纤测温系统。

背景技术

温度是一切物理、化学等过程重要的状态参量之一，温度测量在工程应用和科学研究中占据非常重要的地位。光纤本身不受电磁辐射干扰的影响、绝缘性好、可在易燃易爆等恶劣环境下工作等特性，因此研究如何集成和优化光纤以研制具有测温功能的传感系统具有非常重要的意义。以光纤为基础的分布式光纤测温系统(DTS)是近几年快速发展起来的温度测量系统，而且逐步地商业化。与传统的测温系统相比，分布式光纤测温系统具有测量距离长、无测量盲区、抗电磁干扰、高稳定性等优良特性，成为近年来的研究热点，逐渐发展为可替代传统测温系统的技术。

现有的分布式光纤测温系统工作机理一般是依据向后拉曼散射温度效应的。当频率为ν₀激光脉冲在光纤中传播时，由于激光脉冲和晶格振动模的相互作用，两个不同频率的向后拉曼散射光产生，频率上移的光称为反斯托克斯光，其频率为ν_a(ν_a＝ν₀+Δν)；频率下移的光称为斯托克斯光，频率为ν_s(ν_s＝ν₀-Δν)。在拉曼散射中，由于反斯托克斯光对温度的敏感性相对较强，因此常用的解调方法是把反斯托克斯光作为信号通道，斯托克斯光作为比较通道，则两者之间的强度比R(T)和温度变化的关系是：

$R\left(T\right)=\frac{I_a}{I_s}=\frac{{({\mathrm{\ν}}_0+\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν})}^4}{{({\mathrm{\ν}}_0-\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν})}^4}\exp (-\frac{hc\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}{kT})---\left(1\right)$

式中，h是普朗克常数；k是玻尔兹曼常数；c是真空中的光速；Δν是拉曼频移量；ν₀是入射光频率；T为绝对温度。

测量反斯托克斯与斯托克斯光强之比即可计算出温度：

$T=\frac{hc\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}{k}\·\frac{1}{ln\[\frac{{\left({\mathrm{\ν}}_0+\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}\right)}^4}{{\left({\mathrm{\ν}}_0-\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}\right)}^4}\]-\ln R\left(T\right)}---\left(2\right)$

利用内置光纤盒的温度，即参考温度T₀：

$R\left(T_0\right)=\frac{{\left({\mathrm{\ν}}_0+\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}\right)}^4}{{\left({\mathrm{\ν}}_0-\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}\right)}^4}\exp (-\frac{hc\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}{{\mathrm{kT}}_0})---\left(3\right)$

根据式(2)和(3)，得出计算温度T的值。

$T=\frac{hc\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}{k}\·\frac{1}{-\ln R\left(T\right)+\ln R\left(T_0\right)+\frac{hc\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}{{\mathrm{kT}}_0}}---\left(4\right)$

综上所述，温度解调的关键是通过探测斯托克斯和反斯托克斯光强信息而计算出温度信息，因此依据光电转换、放大电路和数据采集电路的处理获得斯托克斯和反斯托克斯光的数字电信号，再根据公式(4)计算温度信息。根据公式(4)散射点的温度由R(T₀)和R(T)确定，计算的温度值仅是温度的理论计算值。

在实际应用中，该理论计算值与实际测量值之间存在一定的误差，温度测量的精确性受到光器件特性的影响。通常光器件的连接是通过光连接器或者光纤接口，而长距离的传感光纤是以约两公里的光缆为标准连接而成，光缆之间是通过光纤接口连接的，光连接器和光纤接口势必会存在损耗，影响测温精度。

发明内容

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种损耗小、精度高的双头结构的分布式光纤测温系统。

本实用新型所述的一种双头结构的分布式光纤测温系统，所述分布式光纤测温系统包括1550nm脉冲激光源1、1×2光开关A4、1×2光开关B10、参考光纤A6和参考光纤B8；所述1550nm脉冲激光源1连接1×3波分复用器((WDM)2的1550nm端口；所述1×3波分复用器2的COM端口连接内置参考光纤盒3，其1450nm端口和1663nm端口则连接1×2光开关B10的2个输入端；所述内置参考光纤盒3的输出端连接1×2光开关A4的输入端；所述1×2光开关A4的两个输出端连接绕螺旋状的传感光纤9的两端；所述参考光纤A6和参考光纤B8呈螺旋状，分别设在传感光纤9尾部前200米和前端后200米处，并各自位于处于相对低温的恒温槽A5和相对高温的恒温槽B7中；所述1×2光开关B10的输出端口连接雪崩光电二极管(APD)11；所述雪崩光电二极管11的输出端口连接数据采集卡12；所述数据采集卡12的输出端连接计算机13。

本实用新型所述的一种双头结构的分布式光纤测温系统，所述参考光纤A6和参考光纤B8均为总长20米的光纤环。

测定时，散射点处温度值的获取方法为：在系统工作时通过测试参考光纤的斯托克斯光与反斯托克斯强度比值得到参考光纤的温度计算值，并结合电子温度计实时测量的温度值求出传感光纤的拉曼频移量，最后根据对应于传感光纤中不同位置处的实时温度T_s的值。

根据式(4)，传感光纤上散射点处的计算温度值T'为：

$T^{\′}=\frac{hc\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}{k}\·\[\frac{1}{-\ln R\left(T_s\right)+\ln R\left(T_0\right)+\frac{hc\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}{k}\·\frac{1}{T_0}}\]---\left(5\right)$

考虑光连接器和光纤接口的损耗情况下，实际测量的R(T)可表示为：

$R\left(T_s\right)=\mathrm{\α}\·\frac{{({\mathrm{\ν}}_0+{\mathrm{\Δ\ν}}_s)}^4}{{({\mathrm{\ν}}_0-{\mathrm{\Δ\ν}}_s)}^4}\·\exp (-\frac{{\mathrm{hc\Δ\ν}}_s}{{\mathrm{kT}}_s})---\left(6\right)$

上式中，α是光连接器和光纤接口的损耗；Δν是拉曼频移量；Δν_s是传感光纤的拉曼频移量；T_s是当考虑光连接器和光纤接口的损耗时传感光纤上散射点处的实际温度值。

把式(3)和(6)代入(5)，得到在考虑光连接器和光纤接口的损耗情况下散射点处的实际温度值T_s，

$T_s=\frac{{\mathrm{hc\Δ\ν}}_s}{k}\·\[\frac{1}{\frac{hc\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}{k}\·\frac{1}{T^{\′}}+ln\mathrm{\α}+ln\frac{{({\mathrm{\ν}}_0+{\mathrm{\Δ\ν}}_s)}^4}{{({\mathrm{\ν}}_0-{\mathrm{\Δ\ν}}_s)}^4}-\ln f\frac{{({\mathrm{\ν}}_0+\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν})}^4}{{({\mathrm{\ν}}_0-\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν})}^4}}\]---\left(7\right)$

上式中，T'是传感光纤上散射点处的计算温度值，T_s是当考虑光连接器和光纤接口的损耗时传感光纤上散射点处的实际温度值。

假设参考光纤1的计算温度值和实际温度值是T₁'、T₁，参考光纤2的计算温度值和实际温度值是T₂'、T₂，分别把温度值代入(7)式得到实际测量的散射点处的温度值。

$\begin{array}{cc}{T}_s={\mathrm{\Δ\ν}}_s\·\frac{1}{\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}{T^{\′}}-\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}{T_1^{\′}}+\frac{{\mathrm{\Δ\ν}}_s}{T_1}}---\left(8\right)& T_s={\mathrm{\Δ\ν}}_s\·\frac{1}{\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}{T_s^{\′}}-\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}}{T_2^{\′}}+\frac{{\mathrm{\Δ\ν}}_s}{T_2}}---\left(9\right)\end{array}$

联立(8)、(9)得到传感光纤的拉曼频移量，

${\mathrm{\Δ\ν}}_s=\mathrm{\Δ}\mathrm{\ν}\·\frac{T_1^{\′}-T_2^{\′}}{T_1^{\′}\·T_2^{\′}}\·\frac{T_1\·T_2}{T_1+T_2}---\left(10\right)$

根据(10)式确定传感光纤的拉曼频移量Δν_s。(8)或(9)式中，T₁'、T₁、T₂'、T₂、Δν_s、Δν和T'都是已知常数，所以高精度的光纤温度值可以由式(8)或(9)确定。

与现有技术相比，本实用新型所述的双头结构的分布式光纤测温系统可以消除光连接器、光纤接口的损耗的影响，使得最终计算得到的温度值能更准确的反映实际温度信息，提高系统的测温精度；利用两个温度不同的参考光纤盒和内置参考光纤盒，消除了激光器功率波动的影响，使系统更加稳定；相比双通道APD探测器而言，使用一个APD探测器减小了探测器的不一致性和长期老化的问题；传感光纤某处断裂时，采用双头结构的DTS测温系统，通过光开关切换的方式而继续使用测温系统，避免光纤故障期间突发情况的发生。

附图说明

图1：双头结构的分布式光纤测温系统示意图；1550nm脉冲激光源-1、1×3波分复用器-2、内置参考光纤盒-3、1×2光开关A-4、恒温槽A-5、参考光纤A-6、恒温槽B-7、参考光纤B-8、传感光纤-9、1×2光开关B-10、雪崩光电二极管-11、数据采集卡-12、计算机-13。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本实用新型所述的双头结构的分布式光纤测温系统做进一步说明，但是本实用新型的保护范围并不限于此。

实施例1

一种双头结构的分布式光纤测温系统，所述分布式光纤测温系统包括1550nm脉冲激光源1、1×2光开关A4、1×2光开关B10、参考光纤A6和参考光纤B8；所述1550nm脉冲激光源1连接1×3波分复用器((WDM)2的1550nm端口；所述1×3波分复用器2的COM端口连接内置参考光纤盒3，其1450nm端口和1663nm端口则连接1×2光开关B10的2个输入端；所述内置参考光纤盒3的输出端连接1×2光开关A4的输入端；所述1×2光开关A4的两个输出端连接绕螺旋状的传感光纤9的两端；所述参考光纤A6和参考光纤B8呈螺旋状，分别设在传感光纤9尾部前200米和前端后200米处，并各自位于处于相对低温的恒温槽A5和相对高温的恒温槽B7中；所述1×2光开关B10的输出端口连接雪崩光电二极管(APD)11；所述雪崩光电二极管11的输出端口连接数据采集卡12；所述数据采集卡12的输出端连接计算机13。所述参考光纤A6和参考光纤B8均为总长20米的光纤环。

基于本实用新型所述系统的温度解调方法，其具体实施步骤如下：1)按照上述顺序连接仪器，两段参考光纤放置于外界环境中，打开脉冲激光源、APD、数据采集卡、计算机；2)在传感光纤尾部和前端200米前后取20米的光纤环作为参考光纤1和参考光纤2，把参考光纤1、2分别放置到处于低温的恒温槽1和处于高温的恒温槽2中，用电子温度计测量恒温槽1、2的实际温度为T₁和T₂，剩余光纤放置到被测环境中，设被测环境的温度为T_s；3)打开数据采集卡，通过光电转换和数据采集处理单元分别采集参考光纤1、2在对应温度下的反斯托克斯光和斯托克斯光强度比，然后将数据上传至计算机并保存，计算机对数据采集卡上传的数据进行处理，获得参考光纤1和2的计算温度T₁'和T₂'；4)根据参考光纤1和2的实际温度值T₁、T₂和计算温度值T₁'、T₂'，代入(7)式计算出传感光纤的拉曼频移量和光纤上散射点处的实际温度T_s，温度T_s反映了环境信息的准确温度值。

Claims (2)

1.一种双头结构的分布式光纤测温系统，其特征在于，所述分布式光纤测温系统包括1550nm脉冲激光源(1)、1×2光开关A(4)、1×2光开关B(10)、参考光纤A(6)和参考光纤B(8)；所述1550nm脉冲激光源(1)连接1×3波分复用器(2)的1550nm端口；所述1×3波分复用器(2)的COM端口连接内置参考光纤盒(3)，其1450nm端口和1663nm端口则连接1×2光开关B(10)的2个输入端；所述内置参考光纤盒(3)的输出端连接1×2光开关A(4)的输入端；所述1×2光开关A(4)的两个输出端连接螺旋状的传感光纤(9)的两端；所述参考光纤A(6)和参考光纤B(8)呈螺旋状，分别设在传感光纤(9)尾部前200米和前端后200米处，并各自位于处于相对低温的恒温槽A(5)和相对高温的恒温槽B(7)中；所述1×2光开关B(10)的输出端口连接雪崩光电二极管(11)；所述雪崩光电二极管(11)的输出端口连接数据采集卡(12)；所述数据采集卡(12)的输出端连接计算机(13)。

2.根据权利要求1所述的一种双头结构的分布式光纤测温系统，其特征在于，所述参考光纤A(6)和参考光纤B(8)均为总长20米的光纤环。