一種雙頭結構的分布式光纖測溫系統的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型屬于測溫裝置技術領域，具體來說，涉及到一種雙頭結構的分布式光 纖測溫系統。
【背景技術】
[0002] 溫度是一切物理、化學等過程重要的狀態參量之一，溫度測量在工程應用和科學 研究中占據非常重要的地位。光纖本身不受電磁輻射干擾的影響、絕緣性好、可在易燃易爆 等惡劣環境下工作等特性，因此研究如何集成和優化光纖以研制具有測溫功能的傳感系統 具有非常重要的意義。以光纖為基礎的分布式光纖測溫系統（DTS)是近幾年快速發展起來 的溫度測量系統，而且逐步地商業化。與傳統的測溫系統相比，分布式光纖測溫系統具有測 量距離長、無測量盲區、抗電磁干擾、高穩定性等優良特性，成為近年來的研究熱點，逐漸發 展為可替代傳統測溫系統的技術。
[0003] 現有的分布式光纖測溫系統工作機理一般是依據向后拉曼散射溫度效應的。當頻 率為V。激光脈沖在光纖中傳播時，由于激光脈沖和晶格振動模的相互作用，兩個不同頻率 的向后拉曼散射光產生，頻率上移的光稱為反斯托克斯光，其頻率為va(va= V JA V); 頻率下移的光稱為斯托克斯光，頻率為vs( Vs= V。-4 v)。在拉曼散射中，由于反斯托克 斯光對溫度的敏感性相對較強，因此常用的解調方法是把反斯托克斯光作為信號通道，斯 托克斯光作為比較通道，則兩者之間的強度比R(T)和溫度變化的關系是：
[0005] 式中，h是普朗克常數；k是玻爾茲曼常數；c是真空中的光速；△ V是拉曼頻移 量；V。是入射光頻率；T為絕對溫度。
[0006] 測量反斯托克斯與斯托克斯光強之比即可計算出溫度：
[0008] 利用內置光纖盒的溫度，即參考溫度T。：
[0010] 根據式⑵和⑶，得出計算溫度T的值。
[0012] 綜上所述，溫度解調的關鍵是通過探測斯托克斯和反斯托克斯光強信息而計算出 溫度信息，因此依據光電轉換、放大電路和數據采集電路的處理獲得斯托克斯和反斯托克 斯光的數字電信號，再根據公式（4)計算溫度信息。根據公式（4)散射點的溫度由R(T。）和 R(T)確定，計算的溫度值僅是溫度的理論計算值。
[0013] 在實際應用中，該理論計算值與實際測量值之間存在一定的誤差，溫度測量的精 確性受到光器件特性的影響。通常光器件的連接是通過光連接器或者光纖接口，而長距離 的傳感光纖是以約兩公里的光纜為標準連接而成，光纜之間是通過光纖接口連接的，光連 接器和光纖接口勢必會存在損耗，影響測溫精度。
【發明內容】
[0014] 為解決上述技術問題，本實用新型提供了一種損耗小、精度高的雙頭結構的分布 式光纖測溫系統。
[0015] 本實用新型所述的一種雙頭結構的分布式光纖測溫系統，所述分布式光纖測溫系 統包括1550nm脈沖激光源I、I X 2光開關A4、I X 2光開關B10、參考光纖A6和參考光纖B8 ; 所述1550nm脈沖激光源1連接I X 3波分復用器（(WDM) 2的1550nm端口；所述I X 3波分 復用器2的COM端口連接內置參考光纖盒3,其1450nm端口和1663nm端口則連接I X 2光 開關BlO的2個輸入端；所述內置參考光纖盒3的輸出端連接I X 2光開關A4的輸入端；所 述I X 2光開關A4的兩個輸出端連接繞螺旋狀的傳感光纖9的兩端；所述參考光纖A6和參 考光纖B8呈螺旋狀，分別設在傳感光纖9尾部前200米和前端后200米處，并各自位于處 于相對低溫的恒溫槽A5和相對高溫的恒溫槽B7中；所述I X 2光開關BlO的輸出端口連接 雪崩光電二極管（APD)Il ;所述雪崩光電二極管11的輸出端口連接數據采集卡12 ;所述數 據采集卡12的輸出端連接計算機13。
[0016] 本實用新型所述的一種雙頭結構的分布式光纖測溫系統，所述參考光纖A6和參 考光纖B8均為總長20米的光纖環。
[0017] 測定時，散射點處溫度值的獲取方法為：在系統工作時通過測試參考光纖的斯托 克斯光與反斯托克斯強度比值得到參考光纖的溫度計算值，并結合電子溫度計實時測量的 溫度值求出傳感光纖的拉曼頻移量，最后根據對應于傳感光纖中不同位置處的實時溫度Ts的值。
[0018] 根據式（4)，傳感光纖上散射點處的計算溫度值Τ'為：
[0020] 考慮光連接器和光纖接口的損耗情況下，實際測量的R(T)可表示為：
[0022] 上式中，α是光連接器和光纖接口的損耗；Δ V是拉曼頻移量；Δ V s是傳感光纖 的拉曼頻移量Js是當考慮光連接器和光纖接口的損耗時傳感光纖上散射點處的實際溫度 值。
[0023] 把式（3)和（6)代入（5)，得到在考慮光連接器和光纖接口的損耗情況下散射點處 的實際溫度值Ts， CN 204903035 U 說明書 3/4 頁
[0025] 上式中，Τ'是傳感光纖上散射點處的計算溫度值，Ts是當考慮光連接器和光纖接 口的損耗時傳感光纖上散射點處的實際溫度值。
[0026] 假設參考光纖1的計算溫度值和實際溫度值是IV、T1，參考光纖2的計算溫度值 和實際溫度值是IV、T2，分別把溫度值代入（7)式得到實際測量的散射點處的溫度值。
[0028] 聯立（8)、（9)得到傳感光纖的拉曼頻移量，
[0030] 根據（10)式確定傳感光纖的拉曼頻移量Δ V s。⑶或（9)式中，T/、InIV、Τ2、 Δ vs、△ V和Τ'都是已知常數，所以高精度的光纖溫度值可以由式（8)或（9)確定。
[0031] 與現有技術相比，本實用新型所述的雙頭結構的分布式光纖測溫系統可以消除光 連接器、光纖接口的損耗的影響，使得最終計算得到的溫度值能更準確的反映實際溫度信 息，提高系統的測溫精度；利用兩個溫度不同的參考光纖盒和內置參考光纖盒，消除了激光 器功率波動的影響，使系統更加穩定；相比雙通道Aro探測器而言，使用一個Aro探測器減 小了探測器的不一致性和長期老化的問題；傳感光纖某處斷裂時，采用雙頭結構的DTS測 溫系統，通過光開關切換的方式而繼續使用測溫系統，避免光纖故障期間突發情況的發生。
【附圖說明】
[0032] 圖1 :雙頭結構的分布式光纖測溫系統示意圖；1550nm脈沖激光源-U1X3波分 復用器-2、內置參考光纖盒-3、I X 2光開關A-4、恒溫槽A-5、參考光纖A-6、恒溫槽B-7、 參考光纖B-8、傳感光纖-9、I X2光開關B-10、雪崩光電二極管-11、數據采集卡-12、計算 機 _13〇
【具體實施方式】
[0033] 下面結合具體的實施例對本實用新型所述的雙頭結構的分布式光纖測溫系統做 進一步說明，但是本實用新型的保護范圍并不限于此。
[0034] 實施例1
[0035] 一種雙頭結構的分布式光纖測溫系統，所述分布式光纖測溫系統包括1550nm脈 沖激光源1、1X2光開關A4、1X2光開關B10、參考光纖A6和參考光纖B8 ;所述1550nm脈 沖激光源1連接I X 3波分復用器（(WDM) 2的1550nm端口；所述I X 3波分復用器2的COM 端口連接內置參考光纖盒3,其1450nm端口和1663nm端口則連接1X2光開關BlO的2個 輸入端；所述內置參考光纖盒3的輸出端連接I X 2光開關A4的輸入端；所述I X 2光開關 A4的兩個輸出端連接繞螺旋狀的傳感光纖9的兩端；所述參考光纖A6和參考光纖B8呈螺 旋狀，分別設在傳感光纖9尾部前200米和前端后200米處，并各自位于處于相對低溫的恒 溫槽A5和相對高溫的恒溫槽B7中；所述I X 2光開關BlO的輸出端口連接雪崩光電二極管 (APD) 11 ;所述雪崩光電二極管11的輸出端口連接數據采集卡12 ;所述數據采集卡12的輸 出端連接計算機13。所述參考光纖A6和參考光纖B8均為總長20米的光纖環。
[0036] 基于本實用新型所述系統的溫度解調方法，其具體實施步驟如下：1)按照上述順 序連接儀器，兩段參考光纖放置于外界環境中，打開脈沖激光源、APD、數據采集卡、計算機； 2)在傳感光纖尾部和前端200米前后取20米的光纖環作為參考光纖1和參考光纖2,把參 考光纖1、2分別放置到處于低溫的恒溫槽1和處于高溫的恒溫槽2中，用電子溫度計測量 恒溫槽1、2的實際溫度為1\和T 2，剩余光纖放置到被測環境中，設被測環境的溫度為Ts;3) 打開數據采集卡，通過光電轉換和數據采集處理單元分別采集參考光纖1、2在對應溫度下 的反斯托克斯光和斯托克斯光強度比，然后將數據上傳至計算機并保存，計算機對數據采 集卡上傳的數據進行處理，獲得參考光纖1和2的計算溫度IV和T2' ；4)根據參考光纖1 和2的實際溫度值1\、T2和計算溫度值T /、Τ2'，代入（7)式計算出傳感光纖的拉曼頻移量 和光纖上散射點處的實際溫度Ts，溫度Ts反映了環境信息的準確溫度值。
【主權項】
1. 一種雙頭結構的分布式光纖測溫系統，其特征在于，所述分布式光纖測溫系統包括 1550nm脈沖激光源（I)、IX2光開關A(4)、IX2光開關B(10)、參考光纖A(6)和參考光纖 B(8);所述1550nm脈沖激光源⑴連接1X3波分復用器⑵的1550nm端口；所述1X3 波分復用器（2)的COM端口連接內置參考光纖盒（3)，其1450nm端口和1663nm端口則連 接IX2光開關B(10)的2個輸入端；所述內置參考光纖盒（3)的輸出端連接IX2光開關 A(4)的輸入端；所述1X2光開關A(4)的兩個輸出端連接螺旋狀的傳感光纖（9)的兩端； 所述參考光纖A(6)和參考光纖B(8)呈螺旋狀，分別設在傳感光纖（9)尾部前200米和前 端后200米處，并各自位于處于相對低溫的恒溫槽A(5)和相對高溫的恒溫槽B(7)中；所述 1X2光開關B(IO)的輸出端口連接雪崩光電二極管（11);所述雪崩光電二極管（11)的輸 出端口連接數據采集卡（12);所述數據采集卡（12)的輸出端連接計算機（13)。2. 根據權利要求1所述的一種雙頭結構的分布式光纖測溫系統，其特征在于，所述參 考光纖A(6)和參考光纖B(S)均為總長20米的光纖環。
【專利摘要】本實用新型涉及到一種雙頭結構的分布式光纖測溫系統。其包括1550nm脈沖激光源、1×3波分復用器、內置參考光纖盒、1×2光開關A、恒溫槽A、參考光纖A、恒溫槽B、參考光纖B、傳感光纖、1×2光開關B、APD、數據采集卡和計算機。與現有技術相比，本實用新型可以消除光連接器、光纖接口的損耗的影響，使得最終計算得到的溫度值能更準確的反映實際溫度信息；利用兩個溫度不同的參考光纖盒和內置參考光纖盒，消除了激光器功率波動的影響；相比雙通道APD探測器而言，使用一個APD探測器減小了探測器的不一致性和長期老化的問題；傳感光纖某處斷裂時，采用雙頭結構的DTS測溫系統，通過光開關切換的方式而繼續使用測溫系統。
【IPC分類】G01K11/32
【公開號】CN204903035
【申請號】CN201520655227
【發明人】曹桂芳, 賈磊, 周曉旭, 白磊, 邵利君, 張佳鵬, 郭曉澎, 劉志英, 楊瑩
【申請人】山西省交通科學研究院
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年8月27日