專(zhuān)利名稱(chēng)：分布式光纖傳感器的溫度漂移補(bǔ)償系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及分布式光纖傳感器的結(jié)構(gòu)改進(jìn)，具體為分布式光纖傳感器的溫度 漂移補(bǔ)償系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
基于光纖喇曼反射效應(yīng)的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)能夠用普通光纖連續(xù)測(cè)量 數(shù)千米長(zhǎng)的光纖沿線的溫度分布，正在被日益廣泛地應(yīng)用于電力、石油、化工、交通等行業(yè)， 成為工況監(jiān)測(cè)、事故預(yù)警、火災(zāi)報(bào)警等應(yīng)用不可替代的有效手段。以上應(yīng)用要求分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)能夠在大幅度變化的溫度環(huán)境中保持 良好的長(zhǎng)期穩(wěn)定性。另一方面，分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的信號(hào)處理器含有激光器、濾波 器、探測(cè)器和放大器等極其容易受到溫度變化影響的模擬器件(如圖1所示)，因此信號(hào)處 理器的波長(zhǎng)、功率、增益對(duì)溫度的變化非常靈敏，如果不采取必要的措施，分布式光纖溫度 傳感器系統(tǒng)的性能必然受到環(huán)境溫度變化的影響，難以滿(mǎn)足在工業(yè)環(huán)境長(zhǎng)期運(yùn)行的要求。到目前為止，解決分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)測(cè)量精度漂移問(wèn)題的方法是把溫度 敏感的模擬器件置于溫度固定恒定的恒溫箱29中，以保持模擬器件處于恒定的溫度下(如 圖1所示)。這是一種開(kāi)環(huán)溫度控制方法，其適用的前提是(1)恒溫箱的恒溫精度不會(huì)漂移；(2)置于恒溫箱內(nèi)的模擬器件沒(méi)有非溫度因素的漂移；(3)置于恒溫箱外部的器件或模塊不會(huì)產(chǎn)生漂移。實(shí)際上，以上開(kāi)環(huán)溫度控制方法適用的三個(gè)前提是不可能滿(mǎn)足的。首先，分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)在工業(yè)環(huán)境下的長(zhǎng)期不間斷運(yùn)行過(guò)程中，恒溫 箱的恒溫精度會(huì)變化，一旦發(fā)生這種情況，恒溫箱內(nèi)部的模擬器件的性能會(huì)隨之而變，從而 影響系統(tǒng)的性能。其次，任何電子元件或光電子元件都有使用壽命的限制，對(duì)于模擬器件來(lái)說(shuō)尤其 突出，在模擬器件的使用壽命周期內(nèi)，其性能是在逐漸變化的，開(kāi)環(huán)的溫度恒定并不能補(bǔ)償 模擬器件性能的退化，因此，系統(tǒng)的性能也隨之而變。另外，把模擬器件置于恒溫箱內(nèi)的開(kāi) 環(huán)溫度控制方法也不能補(bǔ)償恒溫箱外的器件和模塊的長(zhǎng)期漂移，如探測(cè)器偏壓的漂移、激 光器驅(qū)動(dòng)電壓的漂移、信號(hào)采集模塊參考電壓的漂移等。而這些參數(shù)的漂移都會(huì)對(duì)系統(tǒng)的 性能產(chǎn)生明顯的影響。實(shí)際上，把模擬器件置于恒溫箱中，不僅增加信號(hào)處理器的體積，還會(huì)增加信號(hào)處 理器的功耗，由此帶來(lái)系統(tǒng)的散熱問(wèn)題，也不利于系統(tǒng)在工業(yè)環(huán)境中的保持長(zhǎng)期穩(wěn)定。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于，克服現(xiàn)有技術(shù)中開(kāi)環(huán)溫度控制方法的不足，提出一種分 布式光纖傳感器的溫度漂移補(bǔ)償系統(tǒng)，采用閉環(huán)溫度控制的方法，在不明顯增加信號(hào)處理 器體積和功耗的前提下，解決了分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)長(zhǎng)期穩(wěn)定性問(wèn)題。[0013]本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下分布式光纖傳感器的溫度漂移補(bǔ)償系統(tǒng)，包括接收光信號(hào)的光纖傳感器和信號(hào)處 理系統(tǒng)，兩者通過(guò)光纖連接，信號(hào)處理系統(tǒng)包括激光器、濾波器、探測(cè)器、放大器、信號(hào)采集 器、驅(qū)動(dòng)控制裝置和計(jì)算機(jī)，激光器和濾波器通過(guò)光纖連接，兩者均與驅(qū)動(dòng)控制裝置連接， 濾波器通過(guò)光纖連接有探測(cè)器和放大器，探測(cè)器和放大器還與信號(hào)采集器連接，信號(hào)采集 器和驅(qū)動(dòng)控制裝置均與計(jì)算機(jī)連接，在激光器上設(shè)有加熱控溫裝置，加熱控溫模塊與驅(qū)動(dòng) 控制裝置連接。優(yōu)選的，在探測(cè)器上設(shè)有加熱控溫裝置，加熱控溫模塊與驅(qū)動(dòng)控制裝置連接。優(yōu)選的，在放大器上設(shè)有加熱控溫裝置，加熱控溫模塊與驅(qū)動(dòng)控制裝置連接。優(yōu)選的，所述計(jì)算機(jī)為嵌入式計(jì)算機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)或手提式計(jì)算機(jī)。本實(shí)用新型的有益效果在于，在系統(tǒng)的溫度敏感元件上加設(shè)加熱控溫模塊，采用 閉環(huán)溫度控制的方法，其原理是以信號(hào)采集模塊輸出的信號(hào)幅度作為判據(jù)，利用激光器的 波長(zhǎng)和功率、探測(cè)器的增益對(duì)環(huán)境溫度的敏感性，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)激光器和探測(cè)器的溫度，使信號(hào) 幅度始終保持在恒定的水平。

圖1為采用開(kāi)環(huán)溫度控制的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖圖2為本發(fā)明實(shí)施例中分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖圖3為本發(fā)明實(shí)施例中分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的閉環(huán)加熱控溫流程圖圖4、圖5、圖6為本發(fā)明實(shí)施例中光纖溫度傳感器系統(tǒng)信號(hào)處理器處于常溫30°、 高溫43°和低溫2°三個(gè)環(huán)境溫度下測(cè)量的溫度分布曲線。圖7a為本發(fā)明實(shí)施例中系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行45小時(shí)的信號(hào)處理器所在環(huán)境溫度圖7b為本發(fā)明實(shí)施例中感溫光纖在4129米處的實(shí)際測(cè)量的高溫恒溫箱內(nèi)溫度
具體實(shí)施方式
下面以測(cè)量距離為4公里的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)為例，閉環(huán)溫度控制的分 布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括有接受光信號(hào)的光纖傳感器1和信號(hào)處 理系統(tǒng)2，信號(hào)處理系統(tǒng)2又包括濾波器21、激光器22、探測(cè)器23、放大器24、信號(hào)采集器 25、驅(qū)動(dòng)控制裝置26和嵌入式計(jì)算機(jī)27。其中，激光器和探測(cè)器兩個(gè)元件上設(shè)有加熱控溫 裝置28。使用時(shí)，如圖3所示，嵌入式計(jì)算機(jī)首先向激光器和探測(cè)器兩個(gè)元件上的溫度控 制裝置輸入信號(hào)幅度基準(zhǔn)值Ιο。工作時(shí)，激光器發(fā)射光脈沖，光脈沖通過(guò)濾波器過(guò)濾后，進(jìn) 入光纖，光脈沖會(huì)沿著光纖向前傳播，在播中的每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生反射，反射之中有一小部分 的反射光的方向正好與入射光的方向相反(亦可稱(chēng)為“背向”)。這些背向反射光返回信號(hào) 處理器，由濾波器進(jìn)入探測(cè)器和放大器，而后進(jìn)入信號(hào)采集器。信號(hào)采集器會(huì)采集光信號(hào)的 振幅信息，傳送至驅(qū)動(dòng)與控制裝置和激光器和探測(cè)器上的溫度控制裝置，溫度控制裝置會(huì) 比較返回光信號(hào)的幅度I與基準(zhǔn)值Itl，如果在誤差范圍內(nèi)I φ Itl,則溫度控制裝置根據(jù)I和 Itl的差別，以比例-積分-微分控制方式(PID)方式調(diào)節(jié)激光器和探測(cè)器的溫度，直到在誤 差范圍內(nèi)I和Itl相等；而后計(jì)算機(jī)才接收信號(hào)并進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理。[0027]如果在誤差范圍內(nèi)I和Itl相等，則由計(jì)算機(jī)直接接收信號(hào)并進(jìn)行后續(xù)的信號(hào)處理。在采用閉環(huán)溫度控制的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的信號(hào)處理器中，激光器和探 測(cè)器的溫度控制采用加熱控溫方式，這種方式的優(yōu)點(diǎn)是用純加熱方法把激光器和探測(cè)器的 溫度控制在環(huán)境溫度以上，從而避免了采用半導(dǎo)體制冷器控溫需要專(zhuān)門(mén)的散熱措施的弊端。以下測(cè)試結(jié)果證明了采用閉環(huán)溫度控制的4公里分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的 性能穩(wěn)定性。圖4、5、6分別給出了 4公里分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)信號(hào)處理器處于常 溫、高溫和低溫三個(gè)環(huán)境溫度下測(cè)量的溫度分布曲線。在測(cè)試過(guò)程中，高低溫恒溫箱的溫度 在常溫、低溫和高溫三種狀態(tài)之間循環(huán)；信號(hào)處理器放置在高低溫恒溫箱中連續(xù)運(yùn)行，每隔 4分鐘自動(dòng)記錄一次溫度數(shù)據(jù)；在4公里感溫光纖的末端4129米處出取出一段放置在高溫 恒溫箱中，其恒溫溫度為52oC?？梢?jiàn)在三個(gè)環(huán)境溫度下，所測(cè)量的溫度分布曲線能夠保持良好的一致性。其中，信 號(hào)處理器內(nèi)的參考光纖位于70-120米的位置，這個(gè)距離段的溫度反映信號(hào)處理器的環(huán)境溫度。圖7a，7b分別給出連續(xù)運(yùn)行45小時(shí)的信號(hào)處理器所在環(huán)境溫度，和對(duì)應(yīng)的感溫光 纖在4129米處的實(shí)際測(cè)量的高溫恒溫箱內(nèi)溫度。可見(jiàn)即使在感溫光纖末端，其測(cè)量精度幾 乎不受環(huán)境溫度的影響。
權(quán)利要求分布式光纖傳感器的溫度漂移補(bǔ)償系統(tǒng)，包括接收光信號(hào)的光纖傳感器和信號(hào)處理系統(tǒng)，兩者通過(guò)光纖連接，信號(hào)處理系統(tǒng)包括激光器、濾波器、探測(cè)器、放大器、信號(hào)采集器、驅(qū)動(dòng)控制裝置和計(jì)算機(jī)，激光器和濾波器通過(guò)光纖連接，兩者均與驅(qū)動(dòng)控制裝置連接，濾波器通過(guò)光纖連接有探測(cè)器和放大器，探測(cè)器和放大器還與信號(hào)采集器連接，信號(hào)采集器和驅(qū)動(dòng)控制裝置均與計(jì)算機(jī)連接，其特征在于，在激光器上設(shè)有加熱控溫裝置，加熱控溫模塊與驅(qū)動(dòng)控制裝置連接。
2.如權(quán)利要求1所述的分布式光纖傳感器的溫度漂移補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于，在探測(cè) 器上設(shè)有加熱控溫裝置，加熱控溫模塊與驅(qū)動(dòng)控制裝置連接。
3.如權(quán)利要求1所述的分布式光纖傳感器的溫度漂移補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于，在放大 器上設(shè)有加熱控溫裝置，加熱控溫模塊與驅(qū)動(dòng)控制裝置連接。
4.如權(quán)利要求1所述的分布式光纖傳感器的溫度漂移補(bǔ)償系統(tǒng)，其特征在于，所述計(jì) 算機(jī)為嵌入式計(jì)算機(jī)、臺(tái)式計(jì)算機(jī)或手提式計(jì)算機(jī)。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種分布式光纖傳感器的溫度漂移補(bǔ)償系統(tǒng)，包括接收光信號(hào)的光纖傳感器和信號(hào)處理系統(tǒng)，兩者通過(guò)光纖連接，信號(hào)處理系統(tǒng)包括激光器、濾波器、探測(cè)器、放大器、信號(hào)采集器、驅(qū)動(dòng)控制裝置和計(jì)算機(jī)。本實(shí)用新型在系統(tǒng)的溫度敏感元件上加設(shè)加熱控溫模塊，采用閉環(huán)溫度控制的方法，其原理是以信號(hào)采集模塊輸出的信號(hào)幅度作為判據(jù)，利用激光器的波長(zhǎng)和功率、探測(cè)器的增益對(duì)環(huán)境溫度的敏感性，動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)激光器和探測(cè)器的溫度，使信號(hào)幅度始終保持在恒定的水平。
文檔編號(hào)G01K11/32GK201757685SQ201020245388
公開(kāi)日2011年3月9日 申請(qǐng)日期2010年6月30日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月30日
發(fā)明者李偉良 申請(qǐng)人:李偉良