高分辨率分布式光纖溫度傳感器和測溫裝置及使用方法與流程

本發明涉及溫度傳感器，具體的說是一種測量精度高、生產成本低、準確可靠，特別適用于高空間分辨率檢測應用環境的高分辨率分布式光纖溫度傳感器和測溫裝置及使用方法。

背景技術：
分布式光纖溫度傳感器是近年來發展起來的一種用于實時測量空間溫度場的光纖傳感系統，該系統利用拉曼散射效應和OTDR技術實現對敏感光纖所處溫度場的分布式測量，與傳統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、壽命長等優點，因此可以廣泛應用于電力電纜、地鐵隧道、煤礦巷道、石油儲罐以及大型建筑的溫度監控和火災報警中。雖然拉曼型分布式光纖溫度傳感器的研究已相對成熟，但仍存在不完善的問題，目前分布式光纖溫度傳感器的發展方向是長距離、高精度，而高精度就是高溫度波動度、高空間分辨率，而實現長距離和高溫度波動度，最終追求高的信噪比，而目前高空間分辨率檢測應用環境下的光纖測溫，僅通過控制單個脈沖寬度來實現，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，導致限制了測量距離，同時在光源脈沖寬度一定的情況下由于激光延遲抖動等帶來的周期性后向散射光信號之間存在誤差，最終導致累加過程進一步降低了系統的空間分辨率。

技術實現要素：
本發明針對現有技術中存在的缺點和不足，提出一種結構合理、測量精度高、生產成本低、準確可靠，特別適用于高空間分辨率檢測應用環境的高分辨率分布式光纖溫度傳感器和測溫裝置及使用方法。本發明可以通過以下措施達到：一種高分辨率分布式光纖溫度傳感器，設有由脈沖光纖激光器、波分復用器、定標光纖、傳感光纖、光電接收模塊、數據采集卡組成的測溫環路，其特征在于還設有同步誤差監測環路。本發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用器相連接，波分復用器的輸出端與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光纖、脈沖光電轉換器的輸入端相連接，其中定標光纖的輸出端與傳感光纖相連接，脈沖光電轉換器的輸出端與數據采集卡相連接，由傳感光纖中返回的背向散射光信號經波分復用器處理后獲得斯托克斯光信號、反斯托克斯光信號分別由與波分復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據采集卡相連接，數據采集卡的輸出端與脈沖光纖激光器相連。本發明中所述數據采集卡內設有輸入端與脈沖光電轉換器輸出端相連接的同步誤差監測數據采集電路，與同步誤差監測數據采集電路相連接的誤差計算電路，以及與誤差計算電路相連接的用于判斷是否進行背向光信號累加的判定電路；設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接收電路，與背向光信號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的處理結果上傳至工控機的上傳電路；還設有用于向脈沖光纖激光器發送固定重復頻率的脈沖信號的脈沖觸發電路，其中用于判定是否進行背向光信號累加的判定電路的輸出端與累加處理電路相連接，脈沖觸發電路的輸出端與脈沖光纖激光器的觸發信號輸入端相連接，脈沖觸發電路還與誤差計算電路相連接。本發明中所述脈沖光電轉換器，由波長為1550nm的Pin管或APD、高壓模塊及運放電路構成，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，實現光信號到電信號的轉換，運放電路實現電信號的調整。本發明中1*2光纖耦合器用于將由脈沖光纖激光器發出的、經波分復用器處理后的光信號分為兩路，其中一路光信號被依次送入定標光纖、傳感光纖中進行測溫，另一路光信號被送入同步誤差監測環路中進行誤差同步監測，其中1*2光纖耦合器將脈沖光纖激光器發出的光分為90:10兩路光，其中90%的光進入定標光纖及與定標光纖相連接的傳感光纖，10%的光進入脈沖光電轉換器后轉換成電脈沖信號送入數據采集卡，傳感光纖中產生的后向散射拉曼光經波分復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的光電接收模塊相連，光電接收模塊的輸出端與數據采集卡中數據采集電路的輸入端相連接，數據采集卡的輸出端與脈沖光纖激光器相連；本發明中所述的同步誤差監測環路，由1*2光纖耦合器、脈沖光電轉換器和數據采集卡組成，1*2光纖耦合器com端輸出的光10%進入脈沖光電轉換器，由脈沖光電轉換器轉換成電脈沖信號后送入數據采集卡內的同步誤差監測數據采集電路，由數據采集卡內與同步誤差監測數據采集電路相連的誤差計算電路精確計算激光脈沖觸發信號與電脈沖信號上升沿之間的時間間隔，據此判定是否對背向光信號進行累加處理，并根據判定結果控制數據采集卡內的累加處理電路進行相應的工作。一種高分辨率分布式光纖測溫裝置，包括工控機、光纖拉曼溫度傳感器，光纖拉曼溫度傳感器中的數據采集卡與工控機相連，數據采集卡將接收到的2路拉曼散射信號經USB總線上傳至工控機，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。本發明中所述的高分辨率分布式光纖測溫裝置，脈沖光纖激光器，中心波長可以為1550nm，脈沖寬度5ns，重復頻率10KHz，峰值功率20W；1*2光纖耦合器，對應的中心波長為1550nm，分光比為90：10，插入損耗<0.7dB；對應的波分復用器由中心波長1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光寬帶濾波片、中心波長1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光寬帶濾波片和Rayleigh散射光濾波片構成；數據采集卡，采樣率為200MSPS，模擬輸入通道數為2，ADC精度為12bits。本發明中所述的數據采集卡，具有精確時間間隔測量、背向拉曼散射信號采集及累加等功能，能夠精確確定數據采集卡采集觸發信號與經脈沖光電轉換器后轉換的電脈沖信號上升沿的時間間隔，并與上位機的空間分辨率誤差范圍參數進行比較，從而決定是否對本次觸發周期信號進行累加處理，保證最終的空間分辨率在誤差范圍內。一種高分辨率分布式光纖測溫裝置的使用方法，其特征在于包括以下步驟：步驟1：數據采集卡內的脈沖觸發電路向脈沖激光器輸出激光脈沖觸發信號，脈沖激光器在該信號的觸發下，向波分復用器輸出與該觸發信號頻率相同的光信號，光信號經波分復用器的com端進入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%的光進入測溫環路中，10%的光進入同步誤差監測環路，步驟2：進入測溫環路中的光信號依次經過定標光纖及與定標光纖相連接的傳感光纖后，傳感光纖中產生的后向散射拉曼光信號經波分復用器分成斯托克斯和反斯托克斯光，分別由與波分復用器相連接的光電接收模塊接收，并經光電接收模塊處理后送入數據采集卡內的背向光信號接收電路，進入同步誤差監測環路的光信號經脈沖光電轉換器轉換成電脈沖信號，轉換后的數據被送入數據采集卡中的同步誤差監測數據采集電路，步驟3：數據采集卡中的同步誤差監測數據采集電路將采集到的數據送入誤差計算電路，計算出激光脈沖觸發信號與經脈沖光電轉換器轉換后的電脈沖信號上升沿的時間間隔，并與空間分辨率誤差范圍參數進行比較，當比較結果小于誤差閾值，決定對數據采集卡內的背向光信號接收電路接收的在本次激光脈沖觸發信號下獲得的周期信號進行累加處理，當比較結果大于誤差閾值，決定對數據采集卡內的背向光信號接收電路接收的本次激光脈沖觸發信號下獲得的周期信號不進行累加處理，累加處理電路的處理結果由與其相連接的上傳電路送入工控機，步驟4：工控機接收由數據采集卡上傳的數據后，根據反斯托克斯與斯托克斯電信號強度比與溫度成正比的關系，上位機將傳感光纖上的信號強度計算出光纖所處位置處的溫度信息，并根據定標光纖處的溫度差進行溫度調整，步驟5：重復步驟1-步驟4，獲得多次測量信息以進一步提高測溫準確度，其中此處的累加是指對步驟3中上傳的累加數據又進行了幾次累加，應用中，步驟3完成的累加次數以萬為單位，步驟5僅是將步驟3中上傳的累加數據又進行了幾次累加。例，步驟3累加5萬次，步驟5根據需求進行了2次累加，即總累加周期次數為5萬*2=10萬次累加。。本發明中數據采集卡具有對周期信號進行累加與否的判定功能，實現了高的空間分辨率，克服了現階段在激光脈寬一定的情況下由于周期信號的同步等問題導致的空間分辨率展寬問題，本發明通過采用1*2光纖耦合器、脈沖光電轉換器和數據采集卡構成的同步誤差監測方案，減少了周期信號的同步問題對光纖溫度傳感的空間分辨率展寬的影響，降低對昂貴的窄脈寬激光器的依賴，同時，可以根據實際情況對最終因同步導致的空間分辨率展寬進行限制性設置。附圖說明：附圖1是本發明中高分辨率分布式光纖溫度傳感器的結構示意圖。附圖2是本發明中高分辨率分布式光纖測溫裝置的結構示意圖。附圖3是現有技術中，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是本發明中數據采集卡的結構框圖。附圖標記：脈沖光纖激光器1、波分復用器2、1*2光纖耦合器3、脈沖光電轉換器4、定標光纖5、傳感光纖6、光電接收模塊7、光電接收模塊8、數據采集卡9、工控機10、同步誤差監測數據采集電路11、誤差計算電路12、判定電路13、背向光信號接收電路14、累加處理電路15、上傳電路16、脈沖觸發電路17。具體實施方式：下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的說明。如附圖1所示，本發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、波分復用器2、1*2光纖耦合器3、脈沖光電轉換器4、定標光纖5、傳感光纖6、光電接收模塊7、光電接收模塊8、數據采集卡9，脈沖激光器1與數據采集卡9相連接，其中設有同步誤差監測環路，脈沖光纖激光器發出的光經波分復用器com端后進入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%的光進入定標光纖及后續的傳感光纖，10%的光進入脈沖光電轉換器后轉換成電脈沖信號送入數據采集卡，其中如附圖5所示，所述數據采集卡內設有輸入端與脈沖光電轉換器輸出端相連接的同步誤差監測數據采集電路11，與同步誤差監測數據采集電路11相連接的誤差計算電路12，以及與誤差計算電路12相連接的用于判斷是否進行背向光信號累加的判定電路13；還設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接收電路14，與背向光信號接收電路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的處理結果上傳至工控機的上傳電路16；還設有用于向脈沖光纖激光器1發送固定重復頻率的脈沖信號的脈沖觸發電路17，其中用于判定是否進行背向光信號累加的判定電路13的輸出端與累加處理電路15相連接，脈沖觸發電路17的輸出端與脈沖光纖激光器1的觸發信號輸入端相連接，脈沖觸發電路17還與誤差計算電路12相連接。如附圖2所示，本發明還提出一種適用于高空間分辨率的分布式光纖測溫裝置，包括工控機10以及光纖拉曼溫度傳感器，光纖拉曼溫度傳感器中的數據采集卡9與工控機10相連，數據采集卡9將接收到的2路拉曼散射信號經USB總線上傳至工控機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，在未采用本發明技術方案的情況下，數據采集卡對由周期1-周期5觸發獲得的數據均進行累加，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明的情況下展寬為30%。附圖4為采用本發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，采用本發明技術方案的情況下，同步誤差監測環路內的同步誤差監測數據采集電路獲取檢測環路中脈沖光電轉換器4輸出的電脈沖，并將采集到的數據送入誤差計算電路，計算出激光脈沖觸發信號與經脈沖光電轉換器轉換后的電脈沖信號上升沿的時間間隔，并將計算結果與空間分辨率誤差范圍參數進行比較，當比較結果小于誤差閾值，決定對數據采集卡內的背向光信號接收電路接收的經本次周期信號觸發獲得的數據進行累加處理，當比較結果大于誤差閾值，決定對數據采集卡內的背向光信號接收電路接收的經本次周期信號觸發獲得的數據不進行累加處理，圖中周期1、周期3、周期5的觸發信號符合要求，因此對周期1、周期3、周期5三組觸發信號獲得的數據進行累加處理，結果如圖（b）所示，可以看出空間分辨率展寬為10%，與附圖3（b）不采用本發明的方法改善了20%。實施例：一種適用于高空間分辨率的分布式光纖測溫系統，如附圖2所示，包括脈沖光纖激光器1，波分復用器2，1*2光纖耦合器3，脈沖光電轉換器4，定標光纖5，傳感光纖6，光電接收模塊7，光電接收模塊8，數據采集卡9，以及工控機10，其中數據采集卡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脈沖光與波分復用器2的1550nm輸入端相連，波分復用器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%分光輸出端與定標光纖5的一端相連，定標光纖5的另一端與傳感光纖6相連，定標光纖5及傳感光纖6產生的背向拉曼反斯托克斯和斯托克斯散射信號分從波分復用器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換器4的輸入端相連，脈沖光電轉換器4的輸出端與數據采集卡9的一路輸入端相連，數據采集卡9的另一路輸出端與工控機10相連，其中所述脈沖光纖激光器，中心波長為1550nm，脈沖寬度5ns，重復頻率10KHz，峰值功率20W，所述1*2光纖耦合器，中心波長1550nm，分光比為90：10，插入損耗<0.7dB，所述的波分復用器由中心波長1450nm的背向拉曼反斯托克斯散射光寬帶濾波片、中心波長1660nm的背向拉曼斯托克斯散射光寬帶濾波片和Rayleigh散射光濾波片構成，所述的數據采集卡，采樣率為200MSPS，模擬輸入通道數為2，ADC精度為12bits。本發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、脈沖光電轉換器和數據采集卡實現了對同步誤差的精確測定，減少了因周期信號的同步誤差對空間分辨率展寬問題的影響，降低對昂貴的窄脈寬激光器的依賴，同時，可以根據實際情況對最終因同步導致的空間分辨率展寬進行限制性設置，本發明相比于目前的其它分布式光纖拉曼溫度傳感器來講，在不影響其它指標的情況下在空間分辨率指標上具有顯著優勢。