[发明专利]分布式光纤温度传感器及消除该传感器非线性误差的方法

摘要

本发明公开了一种分布式光纤温度传感器，主要包括机壳及设置在机壳内的脉冲激光源、波分复用器及光开关，光开关上还连接一光纤盒，光纤盒内设有参考光纤环，光纤盒上还设有一温度探头，光纤环的尾端通过设置在机壳上的光纤端子与外部的传感光纤连接；波分复用器上还依次连接有光电探测模块、高速采集卡及工控机板卡，该传感器成本低，结构简单，信噪比好，稳定性好，可靠且温度分辨率高；本发明还设计了一种利用分段补偿损耗差异的方法消除拉曼斯托克斯及反斯托克斯光损耗差异带来的非线性误差达到消除该分布式光纤温度传感器非线性误差的方法，该方法能够使得系统解调出来的温度曲线与实际情况相符，从而提高了系统的测温精度和可靠性。

主权项

一种消除分布式光纤温度传感器非线性误差的方法，该分布式光纤温度传感器主要包括机壳(12)及设置在机壳(12)内并顺次连接的脉冲激光源(1)、波分复用器(2)及光开关(3)，所述光开关(3)上还连接一光纤盒(4)，所述光纤盒(4)内设有参考光纤环(5)，所述光纤盒(4)上还设有一与参考光纤环(5)集成的温度探头(6)，所述参考光纤环(5)的尾端通过设置在所述机壳(12)上的光纤端子(7)与外部的传感光纤(8)连接；所述的波分复用器(2)上还依次连接有将拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光转换为对应模拟电信号的光电探测模块(9)、将模拟电信号转换为数字电信号的高速采集卡(10)及工控机板卡(11)，其中：所述的波分复用器(2)有四个端口，所述脉冲激光源(1)的输出端连接波分复用器(2)的输入端，脉冲激光源(1)的光从波分复用器(2)的输入端到正向输出端穿过，反向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光被波分复用器(2)分离，分别从波分复用器(2)的两个反向输出端输出并传送至光电探测模块(9)，所述波分复用器(2)的正向输出端连接光开关(3)的主端，所述光开关(3)的支端连接放置于光纤盒(4)内部的参考光纤环(5)，光纤盒(4)上的温度探头(6)测量参考光纤环(5)的温度，参考光纤环(5)的尾端连接机壳(12)上的光纤端子(7)对外输出，外部的传感光纤(8)连接在光纤端子(7)上，利用光开关(3)将波分复用器(2)输出的激光最终送入传感光纤(8)，所述的光电探测模块(9)将拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光转换为对应的模拟电信号并输出给高速采集卡(10)，所述的高速采集卡(10)将模拟电信号转换为数字电信号，输出给工控机板卡(11)进行计算处理，从而解调出温度分布的曲线，其特征在于：该消除分布式光纤温度传感器非线性误差的方法是利用分段补偿损耗差异的方法消除拉曼斯托克斯及反斯托克斯光损耗差异带来的非线性误差，具体步骤如下：(1)利用分布式温度传感器中所述的光电探测模块(9)探测斯托克斯光和反斯托克斯光的功率并记录下来，托克斯光和反斯托克斯光功率表达式如下：Ps=P0·Ks·Sb·vs4·Rs(T)·e-(α0+αs)x---(1)]]>Pas=P0·Kas·Sb·vas4·Ras(t)·e-(α0+αas)x---(2)]]>其中，Ps、Pas分别表示斯托克斯光和反斯托克斯光功率，P0为光源功率，Ks、Kas分别为斯托克斯光和反斯托克斯光的散射界面系数，Sb为光纤背向散射系数，vs、vas分别为斯托克斯光和反斯托克斯光的频率，α0、αs、αas分别为光源、斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤中传输的损耗系数，x为传感光纤中的位置；Rs(T)、Ras(T)是光纤的拉曼散射系数，其具体表达公式如下：Rs(T)=11-e-h·Δvk·T---(3)]]>Ras(T)=1eh·Δvk·T-1---(4)]]>其中，h为普朗克常量，Δv为拉曼频移，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度；(2)以斯托克斯光为参考光，将式(3)、式(4)分别对应带入式(1)、式(2)中并用步骤(1)中的式(2)除以式(1)，即得到关于温度分布的函数：f(T,x)=Kas·vas4Ks·vs4·e-h·Δvk·T·e-(αas-αs)·x---(5)]]>那么，参考光纤环所处位置的温度分布函数为：f(Tref,xref)=Kas·vas4Ks·vs4·e-h·Δvk·Tref·e-(αas-αs)·xref---(6)]]>由式(5)、式(6)解调出温度分布信息为：1T=1Tref-kh·Δv[ln(f(T,x)f(Tref,xref))+(αas-αs)·(x-xref)]---(7);]]>(3)将传感光纤分为N段，并计算每一段的损耗差异并加入式(7)中进行分段损耗差异补偿，具体如下：步骤(2)的式(7)中(αas‑αs)为反斯托克斯光和斯托克斯光的损耗差，并将其表达为Δα，传感光纤第1段(0到x1)的损耗差异为Δα1，第2段(x1到x2)的损耗差异为Δα2，…，第N段(xN‑1到xN)的损耗差异为ΔαN；计算传感光纤的第1段温度时，将式(7)加上一项进行损耗差异补偿；同理，计算传感光纤的第2段温度时，将式(7)加上一项计算传感光纤的第N段温度时，将式(7)加上一项(4)对于步骤(3)中的计算公式进行运算整合，得到一条消除损耗差异影响的平直的传感光纤温度曲线如下：1T=1Tref-kh·Δv·ln(f(T,x)f(Tref,xref))---(8)]]>有效消除分布式光纤温度传感器的非线性误差，不会因为反斯托克斯光和斯托克斯光的损耗差而对温度曲线解调产生影响。