[發(fā)明專利]基于頻域解析的分布式光纖溫度傳感裝置

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201811222998.4
• 申請日: 2018-10-19
• 公開（公告）號: CN109211433A
• 公開（公告）日: 2019-01-15
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 喬秋曉;喬聚華;沙文廣;張凱;王曉巖
• 申請（專利權(quán)）人: 威海北洋光電信息技術(shù)股份公司
• 主分類號: G01K11/32
• 分類號: G01K11/32
• 代理公司: 威海科星專利事務(wù)所 37202
• 代理人: 初姣姣

本發(fā)明設(shè)計一種基于頻域解析的分布式光纖溫度傳感裝置，是采用拉曼光頻域反射技術(shù)實現(xiàn)，其實現(xiàn)方式為對連續(xù)光源通過調(diào)制器按照固定步長進(jìn)行正弦強(qiáng)度調(diào)制，通過分析拉曼散射信號相對于參考光的傳遞函數(shù)，獲得信號的幅度和相位信息，進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換為空間域信號，計算出溫度和距離定位，本裝置測溫指標(biāo)不會受到光纖本身特性影響，前后端空間分辨率指標(biāo)能夠保持一致，隨著光器件和電子設(shè)備的發(fā)展，監(jiān)測距離和空間分辨率均有很大的提升空間，該裝置主要應(yīng)用于管道泄漏監(jiān)測、電纜溫度監(jiān)測和皮帶機(jī)軸溫監(jiān)測等長距離溫度監(jiān)測領(lǐng)域。

技術(shù)領(lǐng)域：

本發(fā)明涉及應(yīng)用于長距離測溫領(lǐng)域，具體的說是一種采用光纖作為傳感單元進(jìn)行溫度測量的基于頻域解析的分布式光纖溫度傳感裝置，。

背景技術(shù)：

分布式光纖溫度傳感技術(shù)是指光纖中傳輸?shù)墓庑盘枌囟冗@一物理量具有敏感性的技術(shù)，由于光纖固有的抗電磁干擾、絕緣性好、傳輸距離遠(yuǎn)等優(yōu)勢，主要應(yīng)用于石油石化、電力、港口等長距離監(jiān)測領(lǐng)域。分布式溫度傳感技術(shù)實現(xiàn)主要采用光纖中的散射效應(yīng)，其中瑞利散射對溫度的敏感性差，應(yīng)用較少；布里淵散射存在應(yīng)力和溫度交叉敏感問題，在實際應(yīng)用中易受影響；拉曼散射僅對溫度單一物理量敏感性好，且信號易于分離，是分布式光纖溫度傳感中最常用的方式。

拉曼光時域反射技術(shù)是目前光纖溫度傳感器實現(xiàn)的主要技術(shù)，實現(xiàn)方式為光源發(fā)出脈沖激光到光纖，產(chǎn)生拉曼散射光信號，通過探測后向散射光的時間差進(jìn)行定位，由于技術(shù)成熟、器件成本較低等優(yōu)勢，得到廣泛的應(yīng)用。隨著十幾年技術(shù)的發(fā)展，存在的問題也逐步展現(xiàn)，其中最主要的問題為空間分辨率和監(jiān)測長度之間的沖突。由于拉曼散射信號較微弱，需要采用大功率脈沖光源實現(xiàn)，要實現(xiàn)長達(dá)幾十公里的監(jiān)測距離，就需要保證發(fā)出去的脈沖具有較高的能量。增加峰值功率或脈沖寬度均可增加脈沖的能量，但峰值功率提升較高時，會產(chǎn)生非線性效應(yīng)導(dǎo)致測溫異常；脈沖寬度增加會導(dǎo)致空間分辨率變大，準(zhǔn)確測量出溫度值所需要的光纖長度會越長。另外由于光纖中的色散效應(yīng)，隨著傳輸距離整機(jī)，脈沖寬度會有一定的展寬，同樣影響空間分辨率。國內(nèi)張在宣團(tuán)隊對拉曼光時域反射技術(shù)研究做了大量工作，目前可實現(xiàn)30km傳輸距離，空間分辨率3m，溫度波動度為±2℃，以上指標(biāo)也是該技術(shù)能夠達(dá)到的最好指標(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是采用拉曼光頻域反射技術(shù)實現(xiàn)，其實現(xiàn)方式為對連續(xù)光源按照固定步長進(jìn)行正弦強(qiáng)度調(diào)制，通過分析拉曼散射信號的幅度和相位信息，進(jìn)行頻域轉(zhuǎn)換為空間域信號，計算出溫度和距離定位。采用的光源為連續(xù)激光，對激光器功率要求較低，有利于實現(xiàn)長距離傳輸；空間分辨率受限于最大調(diào)制頻率，不會影響光源能量，隨著器件指標(biāo)提升，空間分辨率可做到更小；傳輸?shù)臑檫B續(xù)激光器，不存在色散影響脈沖展寬的現(xiàn)象，可保證整條傳感光纜上空間分辨率一致。本發(fā)明測溫指標(biāo)不會受到光纖本身特性影響，隨著光器件和電子設(shè)備的發(fā)展，監(jiān)測距離和空間分辨率均有很大的提升空間。該裝置主要應(yīng)用于管道泄漏監(jiān)測、電纜溫度監(jiān)測和皮帶機(jī)軸溫監(jiān)測等長距離溫度監(jiān)測領(lǐng)域。

本發(fā)明可以通過以下措施達(dá)到：

一種基于頻域解析的分布式光纖溫度傳感裝置，其特征在于通過獲得參考信號、拉曼斯托克斯信號和反斯托克斯信號的頻域信息，得到斯托克斯和反斯托克斯的傳遞函數(shù)，后經(jīng)過傅里葉逆變換得到溫度和位置信息，包括：泵浦光源、調(diào)制器、分光比為1:99的分光器、波分復(fù)用器、定標(biāo)光纖、感溫探頭、傳感光纖、參考光探測器、2個信號光探測器、放大模塊、采集卡、控制模塊、上位機(jī)，其中泵浦光源激光輸出與調(diào)制器一端相連接，調(diào)制器另一端連接分光比為1:99的分光器的輸入端，分光比為1:99的分光器的1％輸出端作為參考信號與參考光探測器相連接，分光比為1:99的分光器的99％輸出端與波分復(fù)用器IN端相連接；波分復(fù)用器COM端與定標(biāo)光纖一端連接，定標(biāo)光纖另一端連接傳感光纖連接；波分復(fù)用器的斯托克斯和反斯托克斯端分別與2個信號光探測器相連接；參考光探測器和信號光探測器輸出端連接放大模塊3個探測輸入端，放大模塊3個模擬輸出端連接采集卡3個采集通道；采集卡通信接口連接上位機(jī)，同時控制模塊控制端連接上位機(jī)，調(diào)制模塊信號調(diào)制端連接調(diào)制器。