温度波动度可控的分布式光纤传感器

      创意无极限，仪表大发明。今天为大家介绍一项国家发明授权专利——温度波动度可控的分布式光纤传感器及测温系统和方法。该专利由威海北洋电气集团股份有限公司申请，并于2017年3月1日获得授权公告。

内容说明

本发明涉及光纤测温技术领域，具体的说是一种能够提高传感光纤中间段的校正精度，并保留传感光纤两端的波动指标的温度波动度可控的分布式光纤传感器及测温系统和方法。

发明背景

众所周知，分布式光纤温度传感器是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场的光纤传感系统，该系统利用拉曼散射效应和OTDR技术实现对敏感光纤所处温度场的分布式测量，与传统的电温度传感器相比，光纤温度传感器具有灵敏度高、能够抗电磁干扰、重量轻、寿命长等优点，因此可以广泛应用于电力电缆、地铁隧道、煤矿巷道、石油储罐以及大型建筑的温度监控和火灾报警中。

虽然拉曼型分布式光纤温度传感器的研究已相对成熟，但仍存在不完善的问题，目前分布式光纤温度传感器的发展方向是长距离、高精度，而高精度就是高温度波动度、高空间分辨率，空间分辨率由激光脉冲宽度决定，可以通过窄脉冲的激光来解决；实现长距离和高温度波动度，最终追求高的信噪比，目前普通分布式光纤温度传感器的温度波动度随着测量距离的增大而增大，也即系统标称测量距离处的温度波动度就是系统的标称温度波动度。

2011年意大利Soto团队公布了其最新研制成果《High-Performance
Raman-based Distributed Fiber-Optic Sensing Under a Loop Scheme Using Anti-Stokes Light Only》，具有双端校正方案的单路反斯托克斯拉曼光纤传感系统，该研究虽然对损耗等有较好的校正效果，但温度波动度仍然存在着中间优于两端的特点。

发明内容

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出一种在光纤测温系统中，能有效传感光纤中间段的校正精度，并保留传感光纤两端的波动指标的温度波动度可控的分布式光纤传感器及测温系统和方法。
本发明可以通过以下措施达到：一种温度波动度可控的分布式光纤温度传感器，包括脉冲光纤激光器、波分复用器、1*2光开关、传感光纤、光电接收模块以及数据采集卡，其特征在于脉冲光纤激光器发出的光经波分复用器com端进入1*2光开关，1*2光开关的两路输出端分别与传感光纤的两端相连接，光电接收模块与波分复用器的背向信号输出端相连接，数据采集卡的一路控制信号输出端与脉冲光纤激光器相连接，数据采集卡的另一路控制信号输出端与1*2光开关相连接，光电接收模块的信号输出端与数据采集卡的数据采集端相连接。

本发明中数据采集卡内设有光开关通道控制电路、脉冲光纤激光器控制电路、背向拉曼散射信号采集及累加电路以及累加数据上传电路，用于实现对脉冲光纤激光器的输出光信号进行控制，同时对1*2光开关的工作状态进行控制，并根据1*2光开关的不同通道的选择实现对正向或反向传输光的背向拉曼散射光信号的自主累加操作，本发明数据采集卡的光开关通道控制电路利用其FPGA构成反相器或串并转换的数字电路实现光开关所需的控制信号，实现由0及1构成的逻辑序列，并由其控制光开关的通道选择，脉冲光纤激光器控制电路由FPGA的锁频器PLL分频实现固定频率及占空比的周期信号，背向拉曼散射信号采集电路由一级运放、ADC调整差分电路及ADC构成，累加电路由方向判定电路、乒乓累加电路等构成、累加上传电路由协议转换电路及USB2 .0硬件环境实现。

一种温度波动度可控的分布式光纤测温系统，设有工控机和与工控机相连接的光纤拉曼温度传感器，其特征在于所述光纤拉曼温度传感器为上述光纤拉曼温度传感器，光纤拉曼温度传感器内的数据采集卡经USB总线与工控机相连接。

一种利用上述温度波动可控的分布式光纤测温系统进行测温的方法，其特征包括：步骤1：脉冲激光器输出的光信号经波分复用器com端进入1*2光开关，步骤2：1*2光开关在数据采集卡的光开关通道控制电路输出的通道选择信号即有效高低电平序列的控制下，如：101为某一通道、110为另一通道，控制由波分复用器com端进入的光信号从某一通道进入传感光纤，将该通道记作第一通道，本次进入传感光纤的光信号记作正向传输光，正向传输光在传感光纤内产生背向拉曼散射光，背向拉曼散射光经波分复用器分成斯托克斯光和反斯托克斯光后，分别经与波分复用器相连接的两组光电接收模块分别接收斯托克斯光、反斯托克斯光信号，分别将其转换为相应的电信号后送入数据采集卡内的背向拉曼散射信号采集及累加电路。

步骤3：1*2光开关在数据采集卡的通道选择信号输出的有效高低电平序列的控制下，如：101为某一通道、110为另一通道，控制由波分复用器com端进入的光信号从另一通道进入传感光纤，该通道为第二通道，本次进入传感光纤的光信号记作反向传输光，反向传输光在传感光纤内产生背向拉曼散射光，背向拉曼散射光经波分复用器分成斯托克斯光、反斯托克斯光后，分别经与波分复用器相连接的两组光电接收模块分别接收斯托克斯光、反斯托克斯光信号，分别将其转换为相应的电信号后送入数据采集卡内的背向拉曼散射信号采集及累加电路。步骤4：对步骤2 和步骤3进行计数并与设定次数进行比较，若小于设定次数则重复步骤2及步骤3直至达到设定的累加次数后，数据采集卡内的背向拉曼散射信号采集及累加电路将所接受的正向传输光所产生的背向信号与反向传输光所产生的背向信号分别累加，并将累加结果送至累加数据上传电路。步骤5：累加数据上传电路将接收的数据上传至工控机。步骤6：工控机对数据采集卡上传的数据进行处理，获得测温结果。

本发明的有益效果在于：提供的一种具有一定校正功能的温度波动度可控的分布式光纤温度传感器，采用双端测量及基于反斯托克斯解调斯托克斯曲线的拉曼散射原理，实现了光纤中间段的校正操作，同时保留了光纤两端的波动度指标，通过软件调整中间段的操作范围，使系统具有可控温度波动度。
文章链接：中国仪表网 http://www.ybzhan.cn/news/detail/63536.html