[发明专利]一种高稳定性的分布式光纤测温装置及校准方法有效
申请号: | 201310230413.4 | 申请日: | 2013-06-12 |
公开(公告)号: | CN103278261A | 公开(公告)日: | 2013-09-04 |
发明(设计)人: | 蒋俊;丘栋荣;余俊云;卢海洋;肖棽柏;张健 | 申请(专利权)人: | 杭州山旭光电有限公司 |
主分类号: | G01K11/32 | 分类号: | G01K11/32;G01K15/00 |
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地址: | 310051 浙江省杭*** | 国省代码: | 浙江;33 |
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摘要: | |||
搜索关键词: | 一种 稳定性 分布式 光纤 测温 装置 校准 方法 | ||
技术领域
本发明涉及一种分布式光纤传感技术,特别涉及一种高稳定性的分布式光纤测温装置及校准方法。
背景技术
稳定性是指测量仪器保持其测量特性随时间不变化的能力,是测量仪器的核心性能指标。分布式光纤测温装置(DTS)是一种新兴的线型温度测量系统,它利用自发拉曼散射效应中温度敏感的反斯托克斯Anti-stokes信号与温度不敏感的斯托克斯信号Stokes的强度之比即可光纤各点的温度值,并且还利用光时域反射技术精确定位火灾位置,具有测量距离长、无测量盲区、抗电磁干扰、适合易燃易爆等恶劣环境下工作等优点,在公路交通隧道、高压电缆沟、输煤皮带、油井、大坝等领域有较广泛应用。分布式光纤测温装置的应用场合均属于重大关键基础设施,对温度测量准确性的要求较高,并且需要保持长期的稳定性,尤其是大坝渗漏监测以及稠油热采井井下温度测量等应用对温度长期测量稳定性的要求更高。
测量仪器产生不稳定的因素很多,包括元器件的老化、零部件的磨损、以及使用、贮存、维护工作不仔细等。如已有不少论文报道(叶宗顺, 刘艳平, 刘果 等. 分布式光纤测温系统的研制及其应用, 水电厂自动化, 2012, Vol. 33, No. 1, pp. 43-45, 68),对于分布式光纤测温装置,光纤背向散射信号极为微弱,需要采用两只雪崩光电二极管APD作为光电探测器分别探测反斯托克斯Anti-stokes和斯托克斯Stokes信号。但是,雪崩光电二极管APD光电探测响应有较大离散性,长时间运行后探测器老化导致温度测量出现漂移。申请号为201220589677.X的中国专利公告了一种单一探测器的分布式光纤测温装置,该装置在分光器与探测器之间设有1×2光开关,分光器的两个信号输出端(反斯托克斯Anti-stokes和斯托克斯Stokes信号)分别与1×2光开关的两个输入端相连,1×2光开关的输出端与探测器的输入端相连;通过控制1×2光开关,可以选择性地使反斯托克斯Anti-stokes光或者斯托克斯Stokes光进入探测器,即通过分时探测的方式实现单一探测器对温度敏感的反斯托克斯光Anti-Stokes和温度不敏感的斯托克斯光Stokes的探测,减小探测器一致性的问题,提高长期测温精度。由于该装置是利用分时切换的方式分别实现反斯托克斯Anti-stokes和斯托克斯Stokes信号探测的,这样就造成装置的总测量时间增加,换言之在单位时间内反斯托克斯Anti-stokes以及斯托克斯Stokes的累加平均次数就减少了,对于测量时间要求较高的应用场合,累加平均次数减少意味着信噪比降低,温度测量的噪声加大,有可能导致误报警,降低装置的可靠性。
发明内容
为了解决现有技术中的上述不足,本发明提供了一种结构简单并且不牺牲测量时间的高稳定性的分布式光纤测温装置。
为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:一种高稳定性的分布式光纤测温装置,包括脉冲激光源、分光器、参考光纤盒、测量光纤、2×2光开关、第一探测器、第二探测器和电路模块。脉冲光源的输出端与分光器的输入端相连,分光器的第一输出端依次与参考光纤盒、测量光纤相连,分光器的第二输出端和第三输出端分别以与2×2光开关的两个输入端相连,2×2光开关的两个输出端分别与第一探测器、第二探测器的输入端相连,第一探测器、第二探测器的输出端以及2×2光开关切换控制端与电路模块相连。
所述的2×2光开关具有两种工作模式:直通模式和交叉模式,通过所述的电路模块控制,让所述的2×2光开关选择工作于直通模式或者交叉模式,使得测温装置选择进入测量模式或者校准模式。
所述的脉冲光源为窄脉冲宽度、高峰值功率的半导体激光光源或者光纤激光光源。
所述的第一探测器和第二探测器均为雪崩光电二极管APD,分别用于探测微弱的光纤散射信号:反斯托克斯Anti-stokes和斯托克斯Stokes。
本发明还提供了一种高稳定性的分布式光纤测温装置的校准方法,该方法包含以下步骤:
(1)通过电路模块控制2×2光开关,使2×2光开关处于直通模式,测温装置进入测量模式;
(2)利用第一探测器和第二探测器分别探测从参考光纤盒以及测量光纤返回的背向反斯托克斯光和斯托克斯光,并传给电路模块;
(3)利用参考光纤盒的实际温度T0、参考光纤盒区段内反斯托克斯光平均值Pa0和斯托克斯光平均值Ps0以及测量光纤各点的反斯托克斯光Pa(z)和斯托克斯光Ps(z),计算得到测量光纤上各点的测量温度值Tb(z);
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