高分辨率分布式光纖溫度傳感器和測(cè)溫裝置及使用方法與流程

本發(fā)明涉及溫度傳感器，具體的說是一種測(cè)量精度高、生產(chǎn)成本低、準(zhǔn)確可靠，特別適用于高空間分辨率檢測(cè)應(yīng)用環(huán)境的高分辨率分布式光纖溫度傳感器和測(cè)溫裝置及使用方法。

背景技術(shù)：
分布式光纖溫度傳感器是近年來發(fā)展起來的一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)的光纖傳感系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用拉曼散射效應(yīng)和OTDR技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)敏感光纖所處溫度場(chǎng)的分布式測(cè)量，與傳統(tǒng)的電溫度傳感器相比，光纖溫度傳感器具有靈敏度高、能夠抗電磁干擾、重量輕、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，因此可以廣泛應(yīng)用于電力電纜、地鐵隧道、煤礦巷道、石油儲(chǔ)罐以及大型建筑的溫度監(jiān)控和火災(zāi)報(bào)警中。雖然拉曼型分布式光纖溫度傳感器的研究已相對(duì)成熟，但仍存在不完善的問題，目前分布式光纖溫度傳感器的發(fā)展方向是長(zhǎng)距離、高精度，而高精度就是高溫度波動(dòng)度、高空間分辨率，而實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離和高溫度波動(dòng)度，最終追求高的信噪比，而目前高空間分辨率檢測(cè)應(yīng)用環(huán)境下的光纖測(cè)溫，僅通過控制單個(gè)脈沖寬度來實(shí)現(xiàn)，為了得到高的空間分辨率就需要使用窄脈沖光源，但窄脈沖光源也意味著光能量減小，導(dǎo)致限制了測(cè)量距離，同時(shí)在光源脈沖寬度一定的情況下由于激光延遲抖動(dòng)等帶來的周期性后向散射光信號(hào)之間存在誤差，最終導(dǎo)致累加過程進(jìn)一步降低了系統(tǒng)的空間分辨率。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足，提出一種結(jié)構(gòu)合理、測(cè)量精度高、生產(chǎn)成本低、準(zhǔn)確可靠，特別適用于高空間分辨率檢測(cè)應(yīng)用環(huán)境的高分辨率分布式光纖溫度傳感器和測(cè)溫裝置及使用方法。本發(fā)明可以通過以下措施達(dá)到：一種高分辨率分布式光纖溫度傳感器，設(shè)有由脈沖光纖激光器、波分復(fù)用器、定標(biāo)光纖、傳感光纖、光電接收模塊、數(shù)據(jù)采集卡組成的測(cè)溫環(huán)路，其特征在于還設(shè)有同步誤差監(jiān)測(cè)環(huán)路。本發(fā)明中所述高分辨率分布式光纖溫度傳感器，其特征在于脈沖光纖激光器的輸出端與波分復(fù)用器相連接，波分復(fù)用器的輸出端與1*2光纖耦合器相連接，1*2光纖耦合器的兩路輸出端分別與定標(biāo)光纖、脈沖光電轉(zhuǎn)換器的輸入端相連接，其中定標(biāo)光纖的輸出端與傳感光纖相連接，脈沖光電轉(zhuǎn)換器的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡相連接，由傳感光纖中返回的背向散射光信號(hào)經(jīng)波分復(fù)用器處理后獲得斯托克斯光信號(hào)、反斯托克斯光信號(hào)分別由與波分復(fù)用器相連接的兩路光電接收模塊接收，兩路光電接收模塊的輸出端分別與數(shù)據(jù)采集卡相連接，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與脈沖光纖激光器相連。本發(fā)明中所述數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)設(shè)有輸入端與脈沖光電轉(zhuǎn)換器輸出端相連接的同步誤差監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集電路，與同步誤差監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集電路相連接的誤差計(jì)算電路，以及與誤差計(jì)算電路相連接的用于判斷是否進(jìn)行背向光信號(hào)累加的判定電路；設(shè)有用輸入端與兩路光電接收模塊的輸出端相連接的背向光信號(hào)接收電路，與背向光信號(hào)接收電路相連接的累加處理電路，與累加處理電路相連接的用于將背向光信號(hào)的處理結(jié)果上傳至工控機(jī)的上傳電路；還設(shè)有用于向脈沖光纖激光器發(fā)送固定重復(fù)頻率的脈沖信號(hào)的脈沖觸發(fā)電路，其中用于判定是否進(jìn)行背向光信號(hào)累加的判定電路的輸出端與累加處理電路相連接，脈沖觸發(fā)電路的輸出端與脈沖光纖激光器的觸發(fā)信號(hào)輸入端相連接，脈沖觸發(fā)電路還與誤差計(jì)算電路相連接。本發(fā)明中所述脈沖光電轉(zhuǎn)換器，由波長(zhǎng)為1550nm的Pin管或APD、高壓模塊及運(yùn)放電路構(gòu)成，高壓模塊的輸出端與Pin管或APD的輸入端相連，Pin管或APD的輸出端與運(yùn)放電路的輸出端相連，高壓模塊為Pin管或APD提供反向偏置，實(shí)現(xiàn)光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換，運(yùn)放電路實(shí)現(xiàn)電信號(hào)的調(diào)整。本發(fā)明中1*2光纖耦合器用于將由脈沖光纖激光器發(fā)出的、經(jīng)波分復(fù)用器處理后的光信號(hào)分為兩路，其中一路光信號(hào)被依次送入定標(biāo)光纖、傳感光纖中進(jìn)行測(cè)溫，另一路光信號(hào)被送入同步誤差監(jiān)測(cè)環(huán)路中進(jìn)行誤差同步監(jiān)測(cè)，其中1*2光纖耦合器將脈沖光纖激光器發(fā)出的光分為90:10兩路光，其中90%的光進(jìn)入定標(biāo)光纖及與定標(biāo)光纖相連接的傳感光纖，10%的光進(jìn)入脈沖光電轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集卡，傳感光纖中產(chǎn)生的后向散射拉曼光經(jīng)波分復(fù)用器分成斯托克斯和反斯托克斯光，分別與接收背向拉曼反斯托克斯和斯托克斯散射信號(hào)的光電接收模塊相連，光電接收模塊的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡中數(shù)據(jù)采集電路的輸入端相連接，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與脈沖光纖激光器相連；本發(fā)明中所述的同步誤差監(jiān)測(cè)環(huán)路，由1*2光纖耦合器、脈沖光電轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)采集卡組成，1*2光纖耦合器com端輸出的光10%進(jìn)入脈沖光電轉(zhuǎn)換器，由脈沖光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)后送入數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)的同步誤差監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集電路，由數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)與同步誤差監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集電路相連的誤差計(jì)算電路精確計(jì)算激光脈沖觸發(fā)信號(hào)與電脈沖信號(hào)上升沿之間的時(shí)間間隔，據(jù)此判定是否對(duì)背向光信號(hào)進(jìn)行累加處理，并根據(jù)判定結(jié)果控制數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)的累加處理電路進(jìn)行相應(yīng)的工作。一種高分辨率分布式光纖測(cè)溫裝置，包括工控機(jī)、光纖拉曼溫度傳感器，光纖拉曼溫度傳感器中的數(shù)據(jù)采集卡與工控機(jī)相連，數(shù)據(jù)采集卡將接收到的2路拉曼散射信號(hào)經(jīng)USB總線上傳至工控機(jī)，其特征在于所述光纖拉曼溫度傳感器采用如上所述的適用于高空間分辨率的分布式光纖溫度傳感器。本發(fā)明中所述的高分辨率分布式光纖測(cè)溫裝置，脈沖光纖激光器，中心波長(zhǎng)可以為1550nm，脈沖寬度5ns，重復(fù)頻率10KHz，峰值功率20W；1*2光纖耦合器，對(duì)應(yīng)的中心波長(zhǎng)為1550nm，分光比為90：10，插入損耗<0.7dB；對(duì)應(yīng)的波分復(fù)用器由中心波長(zhǎng)1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光寬帶濾波片、中心波長(zhǎng)1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光寬帶濾波片和Rayleigh散射光濾波片構(gòu)成；數(shù)據(jù)采集卡，采樣率為200MSPS，模擬輸入通道數(shù)為2，ADC精度為12bits。本發(fā)明中所述的數(shù)據(jù)采集卡，具有精確時(shí)間間隔測(cè)量、背向拉曼散射信號(hào)采集及累加等功能，能夠精確確定數(shù)據(jù)采集卡采集觸發(fā)信號(hào)與經(jīng)脈沖光電轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換的電脈沖信號(hào)上升沿的時(shí)間間隔，并與上位機(jī)的空間分辨率誤差范圍參數(shù)進(jìn)行比較，從而決定是否對(duì)本次觸發(fā)周期信號(hào)進(jìn)行累加處理，保證最終的空間分辨率在誤差范圍內(nèi)。一種高分辨率分布式光纖測(cè)溫裝置的使用方法，其特征在于包括以下步驟：步驟1：數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)的脈沖觸發(fā)電路向脈沖激光器輸出激光脈沖觸發(fā)信號(hào)，脈沖激光器在該信號(hào)的觸發(fā)下，向波分復(fù)用器輸出與該觸發(fā)信號(hào)頻率相同的光信號(hào)，光信號(hào)經(jīng)波分復(fù)用器的com端進(jìn)入1*2光纖耦合器，并由1*2光纖耦合器分成90:10的兩路光，其中90%的光進(jìn)入測(cè)溫環(huán)路中，10%的光進(jìn)入同步誤差監(jiān)測(cè)環(huán)路，步驟2：進(jìn)入測(cè)溫環(huán)路中的光信號(hào)依次經(jīng)過定標(biāo)光纖及與定標(biāo)光纖相連接的傳感光纖后，傳感光纖中產(chǎn)生的后向散射拉曼光信號(hào)經(jīng)波分復(fù)用器分成斯托克斯和反斯托克斯光，分別由與波分復(fù)用器相連接的光電接收模塊接收，并經(jīng)光電接收模塊處理后送入數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)的背向光信號(hào)接收電路，進(jìn)入同步誤差監(jiān)測(cè)環(huán)路的光信號(hào)經(jīng)脈沖光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)，轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)被送入數(shù)據(jù)采集卡中的同步誤差監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集電路，步驟3：數(shù)據(jù)采集卡中的同步誤差監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集電路將采集到的數(shù)據(jù)送入誤差計(jì)算電路，計(jì)算出激光脈沖觸發(fā)信號(hào)與經(jīng)脈沖光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的電脈沖信號(hào)上升沿的時(shí)間間隔，并與空間分辨率誤差范圍參數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)比較結(jié)果小于誤差閾值，決定對(duì)數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)的背向光信號(hào)接收電路接收的在本次激光脈沖觸發(fā)信號(hào)下獲得的周期信號(hào)進(jìn)行累加處理，當(dāng)比較結(jié)果大于誤差閾值，決定對(duì)數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)的背向光信號(hào)接收電路接收的本次激光脈沖觸發(fā)信號(hào)下獲得的周期信號(hào)不進(jìn)行累加處理，累加處理電路的處理結(jié)果由與其相連接的上傳電路送入工控機(jī)，步驟4：工控機(jī)接收由數(shù)據(jù)采集卡上傳的數(shù)據(jù)后，根據(jù)反斯托克斯與斯托克斯電信號(hào)強(qiáng)度比與溫度成正比的關(guān)系，上位機(jī)將傳感光纖上的信號(hào)強(qiáng)度計(jì)算出光纖所處位置處的溫度信息，并根據(jù)定標(biāo)光纖處的溫度差進(jìn)行溫度調(diào)整，步驟5：重復(fù)步驟1-步驟4，獲得多次測(cè)量信息以進(jìn)一步提高測(cè)溫準(zhǔn)確度，其中此處的累加是指對(duì)步驟3中上傳的累加數(shù)據(jù)又進(jìn)行了幾次累加，應(yīng)用中，步驟3完成的累加次數(shù)以萬為單位，步驟5僅是將步驟3中上傳的累加數(shù)據(jù)又進(jìn)行了幾次累加。例，步驟3累加5萬次，步驟5根據(jù)需求進(jìn)行了2次累加，即總累加周期次數(shù)為5萬*2=10萬次累加。。本發(fā)明中數(shù)據(jù)采集卡具有對(duì)周期信號(hào)進(jìn)行累加與否的判定功能，實(shí)現(xiàn)了高的空間分辨率，克服了現(xiàn)階段在激光脈寬一定的情況下由于周期信號(hào)的同步等問題導(dǎo)致的空間分辨率展寬問題，本發(fā)明通過采用1*2光纖耦合器、脈沖光電轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)采集卡構(gòu)成的同步誤差監(jiān)測(cè)方案，減少了周期信號(hào)的同步問題對(duì)光纖溫度傳感的空間分辨率展寬的影響，降低對(duì)昂貴的窄脈寬激光器的依賴，同時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)最終因同步導(dǎo)致的空間分辨率展寬進(jìn)行限制性設(shè)置。附圖說明：附圖1是本發(fā)明中高分辨率分布式光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖2是本發(fā)明中高分辨率分布式光纖測(cè)溫裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。附圖3是現(xiàn)有技術(shù)中，在5次不同周期的脈沖寬度下的脈沖寬度展寬示意圖。附圖4是采用本發(fā)明后，在5次不同周期的脈沖寬度情況下的脈沖寬度展寬示意圖。附圖5是本發(fā)明中數(shù)據(jù)采集卡的結(jié)構(gòu)框圖。附圖標(biāo)記：脈沖光纖激光器1、波分復(fù)用器2、1*2光纖耦合器3、脈沖光電轉(zhuǎn)換器4、定標(biāo)光纖5、傳感光纖6、光電接收模塊7、光電接收模塊8、數(shù)據(jù)采集卡9、工控機(jī)10、同步誤差監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集電路11、誤差計(jì)算電路12、判定電路13、背向光信號(hào)接收電路14、累加處理電路15、上傳電路16、脈沖觸發(fā)電路17。具體實(shí)施方式：下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。如附圖1所示，本發(fā)明提出了一種適用于高空間分辨率的分布式光纖溫度傳感器，包括脈沖光纖激光器1、波分復(fù)用器2、1*2光纖耦合器3、脈沖光電轉(zhuǎn)換器4、定標(biāo)光纖5、傳感光纖6、光電接收模塊7、光電接收模塊8、數(shù)據(jù)采集卡9，脈沖激光器1與數(shù)據(jù)采集卡9相連接，其中設(shè)有同步誤差監(jiān)測(cè)環(huán)路，脈沖光纖激光器發(fā)出的光經(jīng)波分復(fù)用器com端后進(jìn)入1*2光纖耦合器，并由1*2光纖耦合器分成90:10的兩路光，90%的光進(jìn)入定標(biāo)光纖及后續(xù)的傳感光纖，10%的光進(jìn)入脈沖光電轉(zhuǎn)換器后轉(zhuǎn)換成電脈沖信號(hào)送入數(shù)據(jù)采集卡，其中如附圖5所示，所述數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)設(shè)有輸入端與脈沖光電轉(zhuǎn)換器輸出端相連接的同步誤差監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集電路11，與同步誤差監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集電路11相連接的誤差計(jì)算電路12，以及與誤差計(jì)算電路12相連接的用于判斷是否進(jìn)行背向光信號(hào)累加的判定電路13；還設(shè)有用輸入端與兩路光電接收模塊的輸出端相連接的背向光信號(hào)接收電路14，與背向光信號(hào)接收電路14相連接的累加處理電路15，與累加處理電路15相連接的用于將背向光信號(hào)的處理結(jié)果上傳至工控機(jī)的上傳電路16；還設(shè)有用于向脈沖光纖激光器1發(fā)送固定重復(fù)頻率的脈沖信號(hào)的脈沖觸發(fā)電路17，其中用于判定是否進(jìn)行背向光信號(hào)累加的判定電路13的輸出端與累加處理電路15相連接，脈沖觸發(fā)電路17的輸出端與脈沖光纖激光器1的觸發(fā)信號(hào)輸入端相連接，脈沖觸發(fā)電路17還與誤差計(jì)算電路12相連接。如附圖2所示，本發(fā)明還提出一種適用于高空間分辨率的分布式光纖測(cè)溫裝置，包括工控機(jī)10以及光纖拉曼溫度傳感器，光纖拉曼溫度傳感器中的數(shù)據(jù)采集卡9與工控機(jī)10相連，數(shù)據(jù)采集卡9將接收到的2路拉曼散射信號(hào)經(jīng)USB總線上傳至工控機(jī)10，其中所述光纖拉曼溫度傳感器采用上述一種適用于高空間分辨率的分布式光纖溫度傳感器。附圖3為不采用本發(fā)明的空間分辨率展寬示意圖，其中，（a）為5次不同周期的脈沖寬度示意圖，分別為周期1-周期5，在未采用本發(fā)明技術(shù)方案的情況下，數(shù)據(jù)采集卡對(duì)由周期1-周期5觸發(fā)獲得的數(shù)據(jù)均進(jìn)行累加，累加后脈沖寬度展寬示意如附圖3中（b）所示，可以看出在不采用本發(fā)明的情況下展寬為30%。附圖4為采用本發(fā)明的空間分辨率展寬改善示意圖，其中，（a）為5次不同周期的脈沖寬度示意圖，分別為周期1-周期5，采用本發(fā)明技術(shù)方案的情況下，同步誤差監(jiān)測(cè)環(huán)路內(nèi)的同步誤差監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)采集電路獲取檢測(cè)環(huán)路中脈沖光電轉(zhuǎn)換器4輸出的電脈沖，并將采集到的數(shù)據(jù)送入誤差計(jì)算電路，計(jì)算出激光脈沖觸發(fā)信號(hào)與經(jīng)脈沖光電轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換后的電脈沖信號(hào)上升沿的時(shí)間間隔，并將計(jì)算結(jié)果與空間分辨率誤差范圍參數(shù)進(jìn)行比較，當(dāng)比較結(jié)果小于誤差閾值，決定對(duì)數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)的背向光信號(hào)接收電路接收的經(jīng)本次周期信號(hào)觸發(fā)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行累加處理，當(dāng)比較結(jié)果大于誤差閾值，決定對(duì)數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)的背向光信號(hào)接收電路接收的經(jīng)本次周期信號(hào)觸發(fā)獲得的數(shù)據(jù)不進(jìn)行累加處理，圖中周期1、周期3、周期5的觸發(fā)信號(hào)符合要求，因此對(duì)周期1、周期3、周期5三組觸發(fā)信號(hào)獲得的數(shù)據(jù)進(jìn)行累加處理，結(jié)果如圖（b）所示，可以看出空間分辨率展寬為10%，與附圖3（b）不采用本發(fā)明的方法改善了20%。實(shí)施例：一種適用于高空間分辨率的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)，如附圖2所示，包括脈沖光纖激光器1，波分復(fù)用器2，1*2光纖耦合器3，脈沖光電轉(zhuǎn)換器4，定標(biāo)光纖5，傳感光纖6，光電接收模塊7，光電接收模塊8，數(shù)據(jù)采集卡9，以及工控機(jī)10，其中數(shù)據(jù)采集卡9的一路輸出端與脈沖光纖激光器1的輸入端相連，脈沖光纖激光器1輸出的1550nm脈沖光與波分復(fù)用器2的1550nm輸入端相連，波分復(fù)用器2的com輸出端與1*2光纖耦合器3的輸入端相連，1*2光纖耦合器3的90%分光輸出端與定標(biāo)光纖5的一端相連，定標(biāo)光纖5的另一端與傳感光纖6相連，定標(biāo)光纖5及傳感光纖6產(chǎn)生的背向拉曼反斯托克斯和斯托克斯散射信號(hào)分從波分復(fù)用器2的1450nm和1660nm輸出端口輸出，且分別于光電接收模塊7,光電接收模塊8的輸入端相連，1*2光纖耦合器3的另一路輸出端與脈沖光電轉(zhuǎn)換器4的輸入端相連，脈沖光電轉(zhuǎn)換器4的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡9的一路輸入端相連，數(shù)據(jù)采集卡9的另一路輸出端與工控機(jī)10相連，其中所述脈沖光纖激光器，中心波長(zhǎng)為1550nm，脈沖寬度5ns，重復(fù)頻率10KHz，峰值功率20W，所述1*2光纖耦合器，中心波長(zhǎng)1550nm，分光比為90：10，插入損耗<0.7dB，所述的波分復(fù)用器由中心波長(zhǎng)1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光寬帶濾波片、中心波長(zhǎng)1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光寬帶濾波片和Rayleigh散射光濾波片構(gòu)成，所述的數(shù)據(jù)采集卡，采樣率為200MSPS，模擬輸入通道數(shù)為2，ADC精度為12bits。本發(fā)明提供的一種適用于高空間分辨率的分布式光纖溫度傳感器，采用1*2光纖耦合器、脈沖光電轉(zhuǎn)換器和數(shù)據(jù)采集卡實(shí)現(xiàn)了對(duì)同步誤差的精確測(cè)定，減少了因周期信號(hào)的同步誤差對(duì)空間分辨率展寬問題的影響，降低對(duì)昂貴的窄脈寬激光器的依賴，同時(shí)，可以根據(jù)實(shí)際情況對(duì)最終因同步導(dǎo)致的空間分辨率展寬進(jìn)行限制性設(shè)置，本發(fā)明相比于目前的其它分布式光纖拉曼溫度傳感器來講，在不影響其它指標(biāo)的情況下在空間分辨率指標(biāo)上具有顯著優(yōu)勢(shì)。