專利名稱：一種實時校準的分布式光纖測溫裝置及校準方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種分布式光纖傳感技術(shù)，特別涉及一種實時校準的分布式光纖測溫裝置及校準方法。
背景技術(shù)：
分布式光纖溫度傳感裝置(DTS)是一種新興的線型火災探測系統(tǒng)，它利用自發(fā)拉曼散射效應以及光時域反射技術(shù)獲得沿光纖分布的實時溫度測量。該裝置不僅可以實時測 量溫度的大小，而且可以精確定位火災位置，具有測量距離長、無測量盲區(qū)、抗電磁干擾、適合易燃易爆等惡劣環(huán)境下工作等優(yōu)點，在公路交通隧道、高壓電纜溝、輸煤皮帶、油井、大壩等領(lǐng)域有較廣泛應用。分布式光纖測溫裝置的應用場合均屬于重大關(guān)鍵基礎(chǔ)設(shè)施，對溫度測量準確性的要求較高，并且需要保持長期的穩(wěn)定性，尤其是大壩滲漏監(jiān)測以及稠油熱采井井下溫度測量等應用對溫度長期測量穩(wěn)定性的要求更高。理論上，利用傳感光纖背向散射信號中的反斯托克斯Anti-stokes信號與斯托克斯信號Stokes的強度之比即可光纖各點的溫度值。事實上，由于分布式光纖測溫裝置中的分光、耦合存在差異以及雪崩光電二極管Aro光電探測響應有較大離散性，因此，如同葉宗順等人的論文中報道的裝置(葉宗順，劉艷平，劉果等.分布式光纖測溫系統(tǒng)的研制及其應用，水電廠自動化，2012，Vol. 33，No. I, pp. 43-45，68)，常規(guī)的分布式光纖測溫裝置是通過在一段內(nèi)置的長度為數(shù)十米或者數(shù)百米的參考光纖作為基準，參考光纖可以置于溫度已知的恒溫盒內(nèi)，也可以用熱敏電阻、鉬電阻等測溫元件實時測得參考光纖周圍的溫度，根據(jù)參考光纖的反斯托克斯Anti-stokes信號與斯托克斯Stokes信號的強度比以及參考光纖的溫度，可以消除由于分光、耦合差異以及雪崩光電二極管Aro離散性造成的測量誤差。此外，受限于分光器的隔離度，反斯托克斯Anti-stokes信號以及斯托克斯Stokes信號中將不可避免地混入一定比例的瑞利Rayleigh散射光,混入的瑞利Rayleigh散射光會影響溫度測量值，因此分布式光纖測溫裝置在出廠前或者投運前需進行溫度標定。在常用的_4(T+300°C范圍內(nèi)，反斯托克斯Anti-stokes信號與斯托克斯Stokes信號的比值與溫度成近似線性關(guān)系，因此溫度標定可采用兩點法標定將一段傳感光纖先后置于低溫區(qū)域(如室溫)和高溫區(qū)域(如100°C恒溫水槽)。然后，由于分布式光纖測溫裝置中的激光二極管、分光器、雪崩光電二極管APD等光電器件容易受溫度影響或者隨時間逐步老化，從而影響溫度標定系數(shù)；如果不采取必要的措施，分布式光纖測溫裝置的溫度測量會出現(xiàn)誤差，難以滿足工業(yè)環(huán)境長期在線穩(wěn)定測量的要求。

發(fā)明內(nèi)容
為了解決現(xiàn)有技術(shù)中的上述不足，本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)簡單的實時校準的分布式光纖測溫裝置，以消除因光電器件受溫度影響或者隨時間逐步老化而導致溫度標定系數(shù)變化而造成的測量誤差。為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案一種實時校準的分布式光纖測溫裝置，包括脈沖激光源、分光器、探測器、參考光纖盒、校準光纖盒、測量光纖和電路模塊。脈沖光源的輸出端與分光器的輸入端相連，分光器的第一輸出端依次與參考光纖盒、校準光纖盒、測量光纖相連，分光器的第二輸出端和第三輸出端與探測器的輸入端相連，探測器的輸出端與電路模塊相連。所述的參考光纖盒和校準光纖盒均盤繞有一段長度為數(shù)十米至數(shù)百米的光纖，并且所述的參考光纖盒和校準光纖盒的溫度不相同，參考光纖盒的溫度處于(T45°C的低溫區(qū)，校準光纖盒的溫度處于50°C以上的高溫區(qū)。所述的脈沖光源為窄脈沖寬度、高峰值功率的半導體激光光源或者光纖激光光源。所述的探測器為雪崩光電二極管APD，用于探測器微弱的光纖散射信號反斯托克斯光Pa iz)和斯托克斯光Ps {z)。由于雪崩光電二極管APD的離散性較大，為減小雪崩光電二極管APD—致性問題， 本發(fā)明還提出一種單一探測器的結(jié)構(gòu)。所述的分光器與探測器之間還有1X2光開關(guān)，其中分光器的第二輸出端和第三輸出端與1X2光開關(guān)的兩個輸入端相連,1X2光開關(guān)的輸入端與探測器的輸入端相連。這樣，通過控制1X2光開關(guān)，可以選擇性地使反斯托克斯光PM或者斯托克斯光夂fe)進入探測器，即通過分時探測的方式實現(xiàn)單一探測器對溫度敏感的反斯托克斯光A fe)和溫度不敏感的斯托克斯光^fe)的探測，減小探測器一致性的問題，提高分布式光纖測溫裝置的長期測溫精度。本發(fā)明還提供了一種分布式光纖測溫裝置的實時校準方法，該方法包含以下步驟
(1)采集從參考光纖盒、校準光纖盒以及測量光纖返回的背向反斯托克斯光慫(Z)和斯托克斯光慫⑴;
(2)計算參考光纖盒區(qū)段內(nèi)的反斯托克斯光平均值和斯托克斯光平均值;
(3)利用參考光纖盒的實際溫度Ttl以及反斯托克斯光平均值和斯托克斯光平均值A(chǔ)o，計算得到光纖上各點的測量溫度值T⑴;
(4)計算校準光纖盒區(qū)段內(nèi)的測量溫度平均值I；；
(5)如果校準光纖盒的測量溫度平均值I；與校準光纖盒的實際溫度Tf的誤差大于1°C，則調(diào)整裝置的溫度標定系數(shù)，并重新進行步驟(3)、(4)，實現(xiàn)光纖各點測量溫度的實時校準T {z)。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于
(1)本發(fā)明的分布式光纖測溫裝置利用兩個溫度不同的參考光纖盒和校準光纖盒，其中處于低溫區(qū)的參考光纖盒用于消除由于分光、耦合差異以及雪崩光電二極管Aro離散性造成的測量誤差，處于高溫區(qū)的校準光纖盒用于實時溫度校準，消除因光電器件受溫度影響或者隨時間老化導致的溫度標定系數(shù)變化所造成測量誤差；
(2)本發(fā)明的分布式光纖測溫裝置結(jié)構(gòu)簡單，成本低，可操作性強；
(3)本發(fā)明還提出一種利用單一探測器的結(jié)構(gòu)，減小了探測器的不一致性問題，提高了長期測溫精度。


圖I是本發(fā)明的一種實時校準的分布式光纖測溫裝置。圖2是本發(fā)明的一種分布式光纖測溫裝置的實時校準方法。圖3是本發(fā)明的一種單一探測器的實時校準的分布式光纖測溫裝置。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例，對本發(fā)明作進一步詳盡描述。實施例I :
如圖I所示，一種實時校準的分布式光纖測溫裝置，包括脈沖激光源I、分光器2、探測器3、參考光纖盒4、校準光纖盒5、測量光纖6和電路模塊7。脈沖光源I的輸出端與分光器2的輸入端相連,分光器2的第一輸出端依次與參考光纖盒4、校準光纖盒5、測量光纖6相連，分光器2的第二輸出端和第三輸出端與探測器3的輸入端相連,探測器3的輸出端與 電路模塊7相連。所述的脈沖光源I為窄脈沖寬度、高峰值功率的半導體激光光源或者光纖激光光源。本實施例優(yōu)選中心波長為1550nm的光纖激光光源，脈沖寬度2 100ns可調(diào)，峰值功率
0.5 100W可調(diào)。所述的分光器2用于分離光纖背向散射信號,本實施例米用1X3拉曼WDM分光器，其中輸入端為1550nm光透射,第一輸出端為公共端,第二輸出端為1450nm光透射,第三輸出端為1660nm光透射。所述的參考光纖盒4和校準光纖盒5均盤繞有一段光纖，根據(jù)測量需要盤繞的光纖長度為數(shù)十米至數(shù)百米。所述的參考光纖盒4的溫度處于(T45°C的低溫區(qū)，可以采用恒溫控制的方式，也可以鉬電阻等測溫元件實時測量的方式。所述的校準光纖盒5的溫度處于50°C以上的高溫區(qū)，校準光纖盒5的溫度可根據(jù)分布式光纖測溫裝置的實際測溫范圍選擇，盡量接近實際測溫范圍的上限。本實施例中參考光纖盒4內(nèi)盤繞有約50米的裸光纖，盒內(nèi)溫度采用恒溫控制的方式，溫度控制在25±0. 50C ;校準光纖盒5內(nèi)盤繞有約50米的裸光纖，盒內(nèi)溫度米用恒溫控制的方式，溫度控制在80±0. 5°C。所述的測量光纖5可以是單模光纖或者多模光纖。本實施例為增加背向散射信號強度，優(yōu)選GI62. 5/125的通信多模光纖。所述的探測器3包括第一探測器31和第二探測器32，分別與分光器2的第二輸出端和第三輸出端相連，用于探測從測量光纖6返回的反斯托克斯光和斯托克斯光PM，由于信號極為微弱，本實施例優(yōu)選具有內(nèi)部增益的雪崩光電二極管InGaAs APD0所述的電路模塊7接收第一探測器31和第二探測器32的電信號。如圖2所示，本發(fā)明還提供了一種分布式光纖測溫裝置的實時校準方法，該方法包含以下步驟
(1)采集從參考光纖盒、校準光纖盒以及測量光纖返回的背向反斯托克斯光慫fe)和斯托克斯光慫⑴;
(2)計算參考光纖盒區(qū)段內(nèi)的反斯托克斯光平均值和斯托克斯光平均值；
(3)利用參考光纖盒的實際溫度Ttl以及反斯托克斯光平均值和斯托克斯光平均值A(chǔ)o，計算得到光纖上各點的測量溫度值T⑴；
(4)計算校準光纖盒區(qū)段內(nèi)的測量溫度平均值I；；(5)如果校準光纖盒的測量溫度平均值I；與校準光纖盒的實際溫度Tf的誤差大于1°C，則調(diào)整裝置的溫度標定系數(shù)，并重新進行步驟(3)、(4)，實現(xiàn)光纖各點測量溫度的實時校準T {z)。在此具體實施例中，高功率、窄脈寬的激光脈沖光源I經(jīng)分光器2后依次進入?yún)⒖脊饫w盒4、校準光纖盒5和測量光纖6，從測量光纖6返回背向拉曼散射信號再次經(jīng)分光器2分離出溫度敏感的反斯托克斯光慫fe)和溫度不敏感的斯托克斯光^fe)，并分別被第一探測器31和第二探測器32所探測。參考光纖盒4的溫度處于室溫附近的低溫區(qū)，利用參考光纖盒4作為參考單元，即以參考光纖盒4的反斯托克斯平均值和斯托克斯平均值的強度之比/^cl/ Ps0以及參考光纖盒4的實測溫度Ttl,計算出校準光纖盒5以及測量光纖6上任何一點的溫度值Tfe)，消除由于分光、耦合差異以及雪崩光電二極管APD離散性造成的測量誤差。而校準光纖盒5的溫度T^1處于大于50°C的高溫區(qū)，由于校準光纖盒5采用恒溫控制，盒內(nèi)溫度已通過高精度的測溫元件獲得，因此利用校準光纖盒5的實測溫度I；。以及以參考光纖盒4為參考基準的計算溫度平均值I；可以對裝置的溫度標定系數(shù)進行實時校準，得到校準后的溫度分布T fe)，消除因光電器件受溫度影響或者隨時間老化所造成的測量誤差。該裝置在參考光纖盒的基礎(chǔ)上增加了一個高溫段的校準光纖盒，可以對分布式光纖測溫裝置進行實時校準，消除器件老化的影響，提高裝置的長期測量準確性。實施例2
如圖3所示，一種單一探測器的實時校準的分布式光纖測溫裝置，包括脈沖激光源I、分光器2、探測器3、參考光纖盒4、校準光纖盒5、測量光纖6、電路模塊7和1X2光開關(guān)8。與實施例I不同的是，在所述的分光器2與探測器3之間增加了一個I X 2光開關(guān)8，探測器3為單一探測器。所述的分光器2的第二輸出端及第三輸出端分別與所述的IX 2光開關(guān)8的兩個輸入端相連，所述的I X 2光開關(guān)8的輸出端與探測器3的輸入端相連，探測器3的輸出端和電路模塊7相連。I X 2光開關(guān)8可選用MEMS結(jié)構(gòu)或者機械結(jié)構(gòu)式的光開關(guān)，本實施例優(yōu)選MEMS結(jié)構(gòu)的光開關(guān)。分光器2的第二輸出端及第三輸出端分離出溫度敏感的反斯托克斯光信號PM和溫度不敏感的斯托克斯光^fe)信號，這兩路信號與1X2光開關(guān)8的兩個輸入端相連，此時可通過控制1X2光開關(guān)8，可以選擇性地使反斯托克斯光Afe)或者斯托克斯光 PM進入探測器3，此時通過分時探測的方式實現(xiàn)單一探測器3對溫度敏感的反斯托克斯%PM和溫度不敏感的斯托克斯光的探測，減小探測器一致性的問題，提高分布式光纖測溫裝置的長期測溫精度。
權(quán)利要求
1.一種實時校準的分布式光纖測溫裝置，包括脈沖激光源、分光器、探測器、參考光纖盒、測量光纖和電路模塊，其特征在于還包括校準光纖盒，所述的脈沖光源的輸出端與所述的分光器的輸入端相連，所述的分光器的第一輸出端依次與所述的參考光纖盒、所述的校準光纖盒以及所述的測量光纖相連，所述的分光器的第二輸出端和第三輸出端與所述的探測器的輸入端相連，所述的探測器的輸出端與所述的電路模塊相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實時校準的分布式光纖測溫裝置，其特征在于所述的參考光纖盒和校準光纖盒的溫度不相同，所述的參考光纖盒的溫度處于(T45°C的低溫區(qū)，所述的校準光纖盒的溫度處于50°C以上的高溫區(qū)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實時校準的分布式光纖測溫裝置，其特征在于所述的脈沖光源為窄脈沖寬度、高峰值功率的半導體激光光源或者光纖激光光源。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實時校準的分布式光纖測溫裝置，其特征在于所述的探測器為雪崩光電二極管APD。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種實時校準的分布式光纖測溫裝置，其特征在于所述的分光器和所述的探測器之間還設(shè)置有1X2光開關(guān)，所述的第二輸出端和第三輸出端分別與所述的1X2光開關(guān)的兩個輸入端相連，所述的1X2光開關(guān)的輸出端與所述的探測器的輸入端相連。
6.一種分布式光纖測溫裝置的實時校準方法，其特征在于包含以下步驟 (1)采集從參考光纖盒、校準光纖盒以及測量光纖返回的背向反斯托克斯光Pa(Z)和斯托克斯光慫⑴; (2)計算參考光纖盒區(qū)段內(nèi)的反斯托克斯光平均值和斯托克斯光平均值; (3)利用參考光纖盒的實際溫度Ttl以及反斯托克斯光平均值和斯托克斯光平均值A(chǔ)o，計算得到光纖上各點的測量溫度值T⑴； (4)計算校準光纖盒區(qū)段內(nèi)的測量溫度平均值I；； (5)如果校準光纖盒的測量溫度平均值I；與校準光纖盒的實際溫度Τε(ι，的誤差大于1°C，則調(diào)整裝置的溫度標定系數(shù)，并重新進行步驟(3)、(4)，實現(xiàn)光纖各點測量溫度的實時校準T {z)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種分布式光纖測溫裝置及校準方法，裝置包括脈沖激光源、分光器、探測器、參考光纖盒、校準光纖盒、測量光纖和電路模塊，參考光纖盒的溫度處于低溫區(qū)，校準光纖盒的溫度處于高溫區(qū)，利用校準光纖盒的實測溫度和計算溫度可以對分布式光纖測溫裝置進行實時校準，消除因光電器件受溫度影響或者隨時間逐步老化導致的溫度標定系數(shù)變化所造成的測量誤差影響，提高裝置的長期測量準確性，滿足工業(yè)應用需求。
文檔編號G01K11/32GK102967389SQ201210446739
公開日2013年3月13日 申請日期2012年11月11日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月11日
發(fā)明者蔣俊, 丘棟榮, 盧海洋, 余俊云, 肖棽柏 申請人:杭州山旭光電有限公司