分布式光纤温度传感器的制造方法

分布式光纤温度传感器的制造方法
【技术领域】：
[0001] 本实用新型设及温度传感器技术领域，具体讲是一种可W解决传统分布式光纤温 度传感器常温测温精度高，而低温和高温测温精度低的问题，从而获得在全温度范围内高 测温精度的分布式光纤温度传感器。
【背景技术】：
[0002] 1981年英国南安普顿大学率先提出分布式光纤温度传感器的概念，1983年由 Hartog等人研制出具体的实验装置。1985年英国Dakin在实验室进行了分布式光纤温度 传感器测温实验，其中光源是氛离子激光器；同年Hartog和化kin用半导体激光器作为光 源，分别独立研制出分布式光纤温度传感器实验装置。此后，分布式光纤温度传感器迅速发 展，目前已经广泛应用于电力行业、煤矿领域、隧道、高速公路及地铁等方面，成为工业在线 监控的重要手段。
[0003] 当前分布式光纤温度传感器在常温温度范围监测时往往具有高测温精度，测温精 度高达±rc，目前少数高精度分布式光纤温度传感器测温精度甚至可达±0.5°c。但在 低温和高温区域，分布式光纤温度传感器测温精度则迅速降低，高温300°C测温精度低至 ±5°C。稠油热采井下测温、焦炭塔测温等高温区域测温，温度高达350°C，当前分布式光纤 温度传感器在高温区域的测温精度远远不能满足工业生产对温度监控的需求，急需开发全 温度范围高测温精度分布式光纤温度传感器，W满足工程应用温度监测需求。 【实用新型内容】：
[0004] 本实用新型要解决的技术问题是，提供一种可W解决传统分布式光纤温度传感器 常温测温精度高，而低温和高温测温精度低的问题，从而获得在全温度范围内高测温精度 的分布式光纤温度传感器。
[0005] 本实用新型设及一种分布式光纤温度传感器，它包括W下结构：它包括测温光纤 和解调仪，解调仪包括脉冲激光器、集成型光纤波分复用器、斯托克斯散射光光电转换放大 模块、反斯托克斯散射光光电转换放大模块、数据采集卡W及计算机，集成型光纤波分复 用器的两个输入端口分别与脉冲激光器和测温光纤连接，集成型光纤波分复用器的两个输 出端口分别与斯托克斯散射光光电转换放大模块和反斯托克斯散射光光电转换放大模块 连接，脉冲激光器、斯托克斯散射光光电转换放大模块、反斯托克斯散射光光电转换放大模 块W及计算机均与数据采集卡连接。
[0006] 本实用新型的优点是：本实用新型分布式光纤温度传感器可W依据拉曼比值与温 度在不同温度范围曲线特点不同的原理，在低温、常温和高温=个温度段设置不同的温度 解调算法，从而在全温度范围内获得超高的测温精度，彻底解决了常温段测温精度高、低温 和高温段测温精度迅速降低的问题。
【附图说明】：
[0007]图1是本实用新型分布式光纤温度传感器的结构示意图；
[000引图2是拉曼比值和温度的关系图。
【具体实施方式】：
[0009] 下面结合附图和【具体实施方式】对本实用新型分布式光纤温度传感器作进一步说 明：
[0010] 如图1所示，本实用新型分布式光纤温度传感器由测温光纤6和解调仪组成，解调 仪包括脉冲激光器1、集成型光纤波分复用器2、斯托克斯散射光光电转换放大模块3、反斯 托克斯散射光光电转换放大模块4、数据采集卡5W及计算机7,集成型光纤波分复用器2 的两个输入端口分别与脉冲激光器1和测温光纤6连接，集成型光纤波分复用器2的两个 输出端口分别与斯托克斯散射光光电转换放大模块3和反斯托克斯散射光光电转换放大 模块4连接，脉冲激光器1、斯托克斯散射光光电转换放大模块3、反斯托克斯散射光光电转 换放大模块4W及计算机7均与数据采集卡5连接。其中脉冲激光器1发射高速激光脉 冲，集成型光纤波分复用器2负责分光和滤波，测温光纤6感知和传输温度信息，斯托克斯 散射光光电转换放大模块3和反斯托克斯散射光光电转换放大模块4进行光电转换和信号 放大，高速数据采集卡5实时进行信号采集和累加，计算机7进行=解调算法解调和显示温 度。
[OCm] 本发明中的脉冲激光器1为高稳定度激光光源，中屯、波长为1550nm，脉冲宽度为 Wns，峰值功率为30. 2W，核屯、器件采用高稳定性的激光器，采用独特的APC(自动功率控 审IJ)和ATC(自动温度控制）电路，使得输出功率和波长稳定度高；采用高稳定和高精度的 MPU(微处理器）系统，调节方便，运行可靠。
[001引本发明中的集成型光纤波分复用器2的类型为1X3拉曼WDM1550nm/1663nm/1450皿，光纤接头为FC/APC，插入损耗0. 6地，回波损耗60地，隔离度 32地。集成型光纤波分复用器2共有四个端口，1550皿接口（第一端口）和脉冲激光器1 相连，com端口（第二端口）和测温光纤6相连，1663皿端口（第S端口）和斯托克斯散射 光光电转换放大模块3的输入端相连，1450nm端口（第四端口）和反斯托克斯散射光光电 转换放大模块4的输入端相连。
[0013] 本发明中的斯托克斯散射光光电转换放大模块3和反斯托克斯散射光光电转换 放大模块4的信号增益2000倍，3化带宽lOOMHz，输出电压幅度正负2. 5v，光电放大模块含 有高稳定性ATO恒温控制电路。
[0014] 本发明中高速数据采集卡5的采样频率为150M，A/D分辨率为12bit，通道数有2 个。
[0015] 本发明中的测温光纤6可用标准光通信用G. 652单模光纤、G. 651多模光纤或 62. 5/125多模光纤，测温光纤长度为300m~50km。测温光纤既能感知温度又能传输温度 信息，具备抗电磁干扰、耐腐蚀特性。测温光纤表面涂敷聚酷亚胺，长期可耐高温300°C，短 期350°C。若是测量温度高于350°C，可W选择表面锻金光纤，但价格较贵。
[0016] 本发明中的PC机为市场上通用的标准工控机。
[0017] 本实用新型分布式光纤温度传感器的技术原理为：高速脉冲激光器1发出高功率 高频率的激光脉冲注入测温光纤6中，激光脉冲在测温光纤6中发生自发拉曼散射。激光 脉冲因自发拉曼散射将产生比入射脉冲激光波长短的反斯托克斯拉曼散射光和比入射脉 冲激光波长长的斯托克斯拉 曼散射光，其中反斯托克斯拉曼散射光含有温度信息，而斯托 克斯拉曼散射光对温度不敏感，作为解调温度曲线时的参考光。两束拉曼散射光经集成型 光纤波分复用器2分光后分别进入斯托克斯散射光光电转换放大模块3和反斯托克斯散射 光光电转换放大模块4中，进行光电转换和电路放大，再经高速数据采集卡5采集，采集累 加后的两路信号利用S解调算法进行温度解调，最后获取待测区域的温度信息。
[0018] 本实用新型分布式光纤温度传感器设及到的温度=解调算法的技术原理是：
[0019] 首先需要制作一根定标光纤，所用的定标光纤为裸光纤，可W是多模光纤也可W 是单模光纤。定标光纤长度500m，定标光纤一端制作一个标准FC/APC跳线头，W和高速脉 冲光源的FC/APC光纤输出接口相匹配，定标光纤绕制直径为15-30cm的光纤圈，W方便放 置在恒温箱中进行=解调算法标定。定标光纤采用聚酷亚胺涂层耐高温光纤，聚酷亚胺涂 层耐高温光纤长期可耐高温300°C，短期可达350°C，定标光纤也可W是锻金或其它耐高温 光纤，W便在全温度范围内标定和测温。
[0020] 定标光纤准备完毕后，将定标光纤的FC/APC跳线头接入脉冲激光器1输出端口， 定标光纤放置在恒温箱中。低温范围-40°C~0°C(可根据需要扩展低温范围），每隔5°C设 置一个标定点，进行=次曲线拟合公式标定；常温范围〇°C~120°C，每隔10°C设置一个标 定点，进行一次曲线拟合公式标定；高温范围120°C~350°C(可根据需要扩展高温范围）， 每隔20°C设置一个标定点，进行二次曲线拟合公式标定。标定温度间隔可W根据测温精度 需求设置，标定点数越多，拟合公式越精确，但相应的标定花费的时间也越多。一般来说，每 隔l〇°C设置一个标定点就可W获得非常高的测温精度。拟合系数标定过程中用到的=次曲 线拟合公式、一次曲线拟合公式W及二次曲线拟合公式均是由W下将要阐述到的温度S解 调算法中推导而来，换句话说，我们要先通过温度=解调算法得出分布式光纤温度传感器 解调公式，然后根据该些解调公式在已知温度值的恒温箱内计算相应的比例系数，获得比 例系数后再利用解调公式进行温度解调。定标光纤放置在恒温箱中是为了进行曲线公式拟 合用的，因为使用的是恒温箱，那么恒温箱中的温度我们是可W知道的，该个是我们自己设 定的，例如恒温箱温度设为20°C，该时我们运行整个系统，反斯托克斯散射光和斯托克斯散 射光通过光电转换变成电信号，再用数据采集卡采集，计算机对数据采集卡采集到的两路 电信号进行处理，得到两路信号的比值，我们就可W得到（20°C，反斯托克斯/斯托克斯）该 一个点，同理，我们可W得到（30°C，反斯托克斯/斯托克斯）、（40°C，反斯托克斯/斯托克 斯）........等等一系列的点，该样我们就可W通过最小二乘法进行曲线拟合公式计算， 获得曲线公式（如一次、二次、=次）中的系数。在低温范围，恒温箱设置的温度是在低温 范围；常温范围，恒温箱中设置的温度是在常温范围；高温范围，恒温箱中设置的温度是 在高温范围。标定时所说的温度就是恒温箱里的温度。恒温箱的作用是用来确定公式中的 比例系数的，计算完比例系数后，恒温箱的任务就完成了。恒温箱的作用是发生在传感器制 作的过程中。
[0021] 标定好的分布式光纤温度传感器和测温光纤连接，将测温光纤布置到需要测温的 区域，运用温度=解调算法就可进行分布式测温了。
[0022] 实际测温过程中，当温度S解调算法的原理是：
[0023] 激光脉冲入射到光纤中后，在传播的过程中与光纤相互作用，会发生非线性散射， 包括布里渊散射和拉曼散射。按照量子力学的观点，可w将拉曼散射看成入射光和介质分 子相互作用时，光子吸收或发射一个声子。光纤的拉曼声子频率AV= 1.32X1023化。产 生的光子为斯托克斯拉曼散射光子和反斯托克斯拉曼散射光子：
[0024]hVs=h(Vp-Av) 11
[002引hVa=h(VP+AV) 12
[0026]公式11和公式12中V p，V w V。分别为入射光、斯托克斯散射光和反斯托克斯散 射光的光频率，h为普朗克常数，h= 6. 62606876. 52x1〇-MJ.S，AV为光纤的拉曼声子频 率，AV= 13. 2THz;
[0027] 当激光脉冲在光纤中传播时，回到光纤的始端，每个激光脉冲产生的斯托克斯拉 曼背向散射光的光通量为：
[002引
【主权项】
1. 一种分布式光纤温度传感器，它包括测温光纤（6)和解调仪，解调仪包括脉冲激光 器（1)、集成型光纤波分复用器（2)、斯托克斯散射光光电转换放大模块（3)、反斯托克斯散 射光光电转换放大模块（4)、数据采集卡（5)以及计算机（7)，所述集成型光纤波分复用器 (2)的两个输入端口分别与脉冲激光器（1)和测温光纤（6)连接，所述集成型光纤波分复用 器（2)的两个输出端口分别与斯托克斯散射光光电转换放大模块（3)和反斯托克斯散射光 光电转换放大模块（4)连接，所述脉冲激光器（1)、斯托克斯散射光光电转换放大模块（3)、 反斯托克斯散射光光电转换放大模块（4)以及计算机（7)均与数据采集卡（5)连接。
【专利摘要】本实用新型公开了一种分布式光纤温度传感器，它包括测温光纤和解调仪，解调仪包括脉冲激光器、集成型光纤波分复用器、斯托克斯散射光光电转换放大模块、反斯托克斯散射光光电转换放大模块、数据采集卡以及计算机，集成型光纤波分复用器同时与脉冲激光器、测温光纤及两个光电转换放大模块连接，脉冲激光器、两个光电转换放大模块及计算机均与数据采集卡连接。本实用新型的优点是可以解决传统分布式光纤温度传感器常温测温精度高，而低温和高温测温精度低的问题，从而在全温度范围内都能获得超高的测温精度。
【IPC分类】G01K11-32
【公开号】CN204612831
【申请号】CN201520228234
【发明人】胡传龙, 于紧昌, 刘亚南, 叶扬高, 刘春晓, 丁楠
【申请人】中国电子科技集团公司第八研究所
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年4月15日