CN210953168U - 一种分布式光纤拉曼测温装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种分布式光纤拉曼测温装置，包括：激光光源、光波分复用器、参考光纤、传感光纤、第一雪崩光电探测器、第二雪崩光电探测器、放大器、数据采集模块、温度传感器、中央处理器、散热风扇组、外壳、金属均热板，雪崩光电探测器被包裹在金属均热板中，本实用新型利用多种成熟可靠的导温器件稳定雪崩光电探测器的自身温度，并进一步通过保温材料和散热器件，降低机箱内的其他热源对雪崩光电探测器的温度影响，由此解决雪崩光电探测器由于温度不稳定输出导致的校准级和测量级的光电响应增益持续变化的技术问题。

Description

一种分布式光纤拉曼测温装置

技术领域

本实用新型属于光纤传感技术领域，更具体地，涉及一种分布式光纤拉曼测温装置。

背景技术

拉曼分布温度传感器(RDTS，Raman distributed temperature sensors)利用光纤的特殊光学效应获得环境温度的空间分布曲线。与传统的离散传感方法相比，它们具有独特的属性和能力。RDTS技术已广泛应用于天然气管道、智能电网和公路隧道等领域。

由于拉曼分布温度传感器中用于分别采集正反斯托克斯分量(Strokes/An-Strokes)信号的两个雪崩光电探测器(APD，avalanche photodiode)容易受环境影响的特性，RDTS系统的关键问题是背散射强度的模糊。APD的特性也直接影响RDTS系统的性能。此外，现有的温度解调系统需要在测量温度之前进行校准处理，但是，APD的温度不稳定输出会导致校准阶段和测量阶段的光电响应增益不断变化，严重影响温度测量结果稳定性和测量范围。

实用新型内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种分布式光纤拉曼测温装置，其目的在于利用多种成熟可靠的导温器件稳定雪崩光电探测器(APD)的自身温度，并进一步通过保温隔热材料和散热器件，降低机箱内的其他热源对雪崩光电探测器的温度影响，由此解决雪崩光电探测器由于温度不稳定输出导致的校准阶段和测量阶段的光电响应增益持续变化的技术问题。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种分布式光纤拉曼测温装置，包括：激光光源、光波分复用器、参考光纤、传感光纤、第一雪崩光电探测器、第二雪崩光电探测器、放大器、数据采集模块、温度传感器、中央处理器、散热风扇组、外壳、金属均热板，激光光源光出射端口与光波分复用器的第一波长分用端口以光纤相连，光波分复用器的复用端口与参考光纤、传感光纤依次相连，光波分复用器的第二波长分用端口和第三波长分用端口分别与第一雪崩光电探测器的光输入端口和第二雪崩光电探测器的光输入端口以光纤相连，第一雪崩光电探测器的电输出端口、第二雪崩光电探测器的电输出端口分别与放大器的两个输入端口相连，放大器的输出端口、数据采集卡、中央处理器依次相连，激光光源的电输出端还与数据采集卡的触发端口相连，温度传感器与中央处理器相连，散热风扇组安装在测温装置外壳出风口的内侧，第一与第二雪崩光电探测器都嵌入安装在金属均热板中，从而两个雪崩光电探测器均被包裹在金属均热板中，通过金属均热板平衡两个雪崩光电探测器的温度，降低温度波动性。金属均热板的具体实现方式包括：既可以在金属均热板中开孔，使得雪崩光电探测器穿入并套接在到金属均热板的开孔内部；也可以将两篇开有凹槽的金属均热板盖合在雪崩光电探测器的外表面。为了使得雪崩光电探测器的外表面与金属均热板之间热阻更小，可以涂抹少量硅脂以降低接触间隙的空气热阻。

进一步地，金属均热板表面涂覆有保温材料。金属均热板表面涂覆有保温材料可以防止本测温装置外壳内其它功能部件发热对雪崩光电探测器或金属均热板的温度影响。

进一步地，保温材料具体为聚氨酯组合料制成的保温发泡剂。聚氨酯发泡剂是一种现代新型的有闭孔结构且密度小的微孔泡沫材料，它的隔热性能非常好，热导率很小，而且吸水率也很低，施工操作也方便。

进一步地，均热板具体为金属铜材料制成或者金属铝材料制成，金属铜与金属铝具有较高的导热系数，可以将雪崩光电探测器的热量迅速导出。这些热量可能是雪崩光电探测器自身产生，也可能是雪崩光电探测器及金属均热板吸收测温装置内部其它功能部件的发热而产生。

进一步地，外壳具体为金属材料制成，金属均热板上开有1个或者多个沟槽，每个沟槽中分别插入有1条热导管，热导管另一端延申至测温装置的外壳附近，热导管的另一端插入到测温装置的外壳内侧的孔洞和沟槽内。

或者，外壳具体为金属材料制成，金属均热板上开有开有1个或者多个孔洞，每个孔洞中分别插入有1条热导管，热导管另一端延申至测温装置的外壳附近，热导管的另一端插入到测温装置的外壳内侧的孔洞和沟槽内。

热导管用于将雪崩光电探测器的热量导出到机箱外壳。热导管一般是中空的圆柱形管，热管两端产生温差的时候，蒸发端的导热液体就会迅速气化，将热量带向冷凝端，速度非常快。热导管将造成均热板及嵌入之内的雪崩光电探测器的温度波动的热量迅速导出到测温装置机箱外壳。由于测温装置机箱外壳为金属材料制成，一般与机箱外壳外部的环境空气温度相近，波动频率非常低。所以本测温装置通过热导管连接均热板与机箱外壳，降低了雪崩光电探测器的温度波动频率。

另一方面，散热风扇组由可调转速风扇组成，其风扇转速调节线路与中央处理器的控制管脚相连，用于在CPU感知均热板表面温度的条件下控制风扇转速，排出测温装置外壳内部的热空气，降低雪崩光电探测器环境温度的波动范围和波动频率。为了降低均热板周围的环境的温度波动性，可以通过温度传感器检测均热板保温材料的温度，进而调节风扇的转速。

进一步地，温度传感器为非接触式红外温度传感器，温度传感器的红外探头正对金属均热板。红外温度传感器是利用辐射热效应，使探测器件接收辐射能后引起温度升高，进而使传感器中一种与温度有关的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0.75～100μm的红外线，红外温度传感器就是利用这一原理制作而成的。红外温度传感器对金属均热板外层的隔热材料表面温度变化更为敏感，隔热材料表面温度的波动范围与频率均小于隔热材料外空气温度的变化范围与频率，所以利用红外温度传感器来检测隔热材料表面温度，可以降低处理器对风扇的调节频率。

优选的，非接触式红外温度传感器的红外探头正对金属均热板。

另一方面，金属均热板中还有一个用于插入温度传感器的开孔，开孔中插入有负温度系数温度传感器，负温度系数温度传感器与中央处理器相连。负温度系数温度传感器用于中央处理器在获得雪崩光电探测器当前工作温度后对雪崩光电探测器的探测结果进行测温结果的动态补偿校正。负温度系数(NTC，Negative Temperature Coefficient)温度传感器是一种热敏电阻、探头，其原理为：电阻值随着温度上升而迅速下降。其通常由2或3种金属氧化物组成,混合在类似流体的粘土中，并在高温炉内锻烧成致密的烧结陶瓷。实际尺寸十分灵活，它们的直径可小至0.010英寸以下，而最大尺寸几乎没有限制，但通常适用半英寸以下。均热板为金属材料，可以快速导出雪崩光电探测器的热量，在均热板中采集的温度也非常接近雪崩光电探测器的温度，而且均热板同时粘附有两个雪崩光电探测器，所以中央处理器采集的温度更为均衡。

总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，本测温装置由于采用了均热板、机箱外壳内的隔热材料、连接到机箱外壳上的导热管、温控风扇等材料，使得本测温装置无论是在校准阶段还是在测量阶段，都能保持更好的光电响应增益稳定性，从而使得测量温度稳定性得到了提升。

本测温装置结构简单、工艺成熟，不使用制冷器件，自然也不需要考虑制冷器件本体的散热设计，更不存在制冷器件本体发热对拉曼测温装置内部诸如光源、参考光纤等其它温度敏感部件工作稳定性的负面影响。

附图说明

图1是一种分布式光纤拉曼测温装置的组成结构图。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

下面结合图1说明本实用新型一种分布式光纤拉曼测温装置的具体结构:

一种分布式光纤拉曼测温装置，包括：激光光源、光波分复用器、参考光纤、传感光纤、第一雪崩光电探测器、第二雪崩光电探测器、放大器、数据采集模块、温度传感器、中央处理器、散热风扇组、外壳、金属均热板，激光光源光出射端口与光波分复用器的第一波长分用端口以光纤相连，光波分复用器的复用端口与参考光纤、传感光纤依次相连，光波分复用器的第二波长分用端口和第三波长分用端口分别与第一雪崩光电探测器的光输入端口和第二雪崩光电探测器的光输入端口以光纤相连，第一雪崩光电探测器的电输出端口、第雪崩二光电探测器的电输出端口分别与放大器的两个输入端口相连，放大器的输出端口、数据采集卡、中央处理器依次相连，激光光源的电输出端还与数据采集卡的触发端口相连，温度传感器与中央处理器相连，散热风扇组安装在装置外壳出风口的内侧，第一与第二雪崩光电探测器都嵌入安装在金属均热板中，雪崩光电探测器被包裹在金属均热板中，通过金属均热板平衡两个雪崩光电探测器的温度，降低温度波动性。金属均热板的具体实现方式包括：既可以在金属均热板中开孔，使得雪崩光电探测器穿入并套接在到金属均热板的开孔内部；也可以将两篇开有凹槽的金属均热板盖合在雪崩光电探测器的外表面。

具体的，为了使得雪崩光电探测器的外表面与金属均热板之间热阻更小，可以涂抹少量硅脂以降低接触间隙的空气热阻。

在本实用新型的又一个实施例中，金属均热板表面涂覆有保温材料。金属均热板表面涂覆有保温材料可以防止本装置外壳内其它功能部件发热对雪崩光电探测器或金属均热板的温度影响。

具体的，保温材料具体为聚氨酯组合料制成的保温发泡剂。聚氨酯发泡剂是一种现代新型的有闭孔结构且密度小的微孔泡沫材料，它的隔热性能非常好，热导率很小，而且吸水率也很低，施工操作也方便。

在本实用新型的又一个实施例中，均热板具体为金属铜材料制成或者金属铝材料制成，金属铜与金属铝具有较高的导热系数，可以将雪崩光电探测器的热量迅速导出。这些热量可能是雪崩光电探测器自身产生，也可能是雪崩光电探测器及金属均热板吸收测温装置内部其它功能部件的发热而产生。

在本实用新型的又一个实施例中，外壳具体为金属材料制成，金属均热板上开有1个或者多个沟槽，每个沟槽中分别插入有1条热导管，热导管另一端延申至测温装置的外壳附近，热导管的另一端插入到测温装置的外壳内侧的孔洞和沟槽内。

在本实用新型的另一个实施例中，外壳具体为金属材料制成，金属均热板上开有开有1个或者多个孔洞，每个孔洞中分别插入有1条热导管，热导管另一端延申至测温装置的外壳附近，热导管的另一端插入到测温装置的外壳内侧的孔洞和沟槽内。

热导管一般是中空的圆柱形管，热管两端产生温差的时候，蒸发端的导热液体就会迅速气化，将热量带向冷凝端，速度非常快。热导管将造成均热板及嵌入之内的雪崩光电探测器的温度波动的热量迅速导出到测温装置机箱外壳。由于测温装置机箱外壳为金属材料制成，一般与机箱外壳外部的环境空气温度相近，波动频率非常低。所以本装置通过热导管连接均热板与机箱外壳，降低了雪崩光电探测器的温度波动频率。

在本实用新型的又一个实施例中，散热风扇组由可调转速风扇组成，其风扇转速调节线路与中央处理器的控制管脚相连，用于在CPU感知均热板表面温度的条件下控制风扇转速，排出测温装置外壳内部的热空气，降低雪崩光电探测器环境温度的波动范围和波动频率。为了降低均热板周围的环境的温度波动性，可以通过温度传感器检测均热板保温材料的温度，进而调节风扇的转速。

具体的，温度传感器为非接触式红外温度传感器。红外温度传感器是利用辐射热效应，使探测器件接收辐射能后引起温度升高，进而使传感器中一种与温度有关的性能发生变化。检测其中某一性能的变化，便可探测出辐射。在自然界中,当物体的温度高于绝对零度时，由于它内部热运动的存在,就会不断地向四周辐射电磁波，其中就包含了波段位于0.75～100μm的红外线，红外温度传感器就是利用这一原理制作而成的。红外温度传感器对金属均热板外层的隔热材料表面温度变化更为敏感，隔热材料表面温度的波动范围与频率均小于隔热材料外空气温度的变化范围与频率，所以利用红外温度传感器来检测隔热材料表面温度，可以降低处理器对风扇的调节频率。

具体的，非接触式红外温度传感器的红外探头正对金属均热板。

在本实用新型的又一个实施例中，金属均热板中还有一个用于插入温度传感器的开孔，开孔中插入有负温度系数温度传感器，负温度系数温度传感器与中央处理器相连。负温度系数温度传感器用于中央处理器在获得雪崩光电探测器当前工作温度后对雪崩光电探测器的探测结果进行测温结果的动态补偿校正。负温度系数(NTC，NegativeTemperature Coefficient)温度传感器是一种热敏电阻、探头，其原理为：电阻值随着温度上升而迅速下降。其通常由2或3种金属氧化物组成,混合在类似流体的粘土中，并在高温炉内锻烧成致密的烧结陶瓷。实际尺寸十分灵活，它们的直径可小至0.010英寸以下，最大尺寸几乎没有限制，但通常适用半英寸以下。均热板为金属材料，可以快速导出雪崩光电探测器的热量，在均热板中采集的温度也非常接近雪崩光电探测器的温度，而且均热板同时粘附有两个雪崩光电探测器，所以中央处理器采集的温度更为均衡。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种分布式光纤拉曼测温装置，其特征在于，包括：激光光源、光波分复用器、参考光纤、传感光纤、第一雪崩光电探测器、第二雪崩光电探测器、放大器、数据采集模块、温度传感器、中央处理器、散热风扇组、外壳、金属均热板，

激光光源光出射端口与光波分复用器的第一波长分用端口以光纤相连，光波分复用器的复用端口与参考光纤、传感光纤依次相连，光波分复用器的第二波长分用端口和第三波长分用端口分别与第一雪崩光电探测器的光输入端口和第二雪崩光电探测器的光输入端口以光纤相连，第一雪崩光电探测器的电输出端口、第二雪崩光电探测器的电输出端口分别与放大器的两个输入端口相连，放大器的输出端口、数据采集卡、中央处理器依次相连，激光光源的电输出端还与数据采集卡的触发端口相连，温度传感器与中央处理器相连，散热风扇组安装在测温装置外壳出风口的内侧，第一与第二雪崩光电探测器都嵌入安装在金属均热板中，雪崩光电探测器被包裹在金属均热板中。

2.如权利要求1所述的分布式光纤拉曼测温装置，其特征在于，所述金属均热板表面涂覆有保温材料。

3.如权利要求2所述的分布式光纤拉曼测温装置，其特征在于，所述保温材料为聚氨酯组合料制成的保温发泡剂。

4.如权利要求1-3任一项所述的分布式光纤拉曼测温装置，其特征在于，所述金属均热板具体为金属铜材料制成或者金属铝材料制成。

5.如权利要求4所述的分布式光纤拉曼测温装置，其特征在于，所述外壳具体为金属材料制成，所述金属均热板上开有1个或者多个沟槽，每个所述沟槽中分别插入有1条热导管，所述热导管另一端延申至测温装置的外壳附近，所述热导管的另一端插入到测温装置的外壳内侧的孔洞和沟槽内。

6.如权利要求4所述的分布式光纤拉曼测温装置，其特征在于，所述外壳具体为金属材料制成，所述金属均热板上开有开有1个或者多个孔洞，每个所述孔洞中分别插入有1条热导管，所述热导管另一端延申至测温装置的外壳附近，所述热导管的另一端插入到测温装置的外壳内侧的孔洞和沟槽内。

7.如权利要求2所述的分布式光纤拉曼测温装置，其特征在于，所述散热风扇组由多个可调转速风扇组成，其风扇转速调节线路与中央处理器的控制管脚相连。

8.如权利要求6所述的分布式光纤拉曼测温装置，其特征在于，所述温度传感器为非接触式红外温度传感器。

9.如权利要求7所述的分布式光纤拉曼测温装置，其特征在于，非接触式红外温度传感器的红外探头正对金属均热板。

10.如权利要求1所述的分布式光纤拉曼测温装置，其特征在于，金属均热板中还有一个开孔，所述开孔中插入有负温度系数温度传感器，所述负温度系数温度传感器与中央处理器相连。

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