景 霞 劉愛(ài)蓮 黃 俊 肖 范 趙振剛 李英娜 李 川

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,昆明 650500)

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)

景 霞 劉愛(ài)蓮 黃 俊 肖 范 趙振剛 李英娜 李 川

(昆明理工大學(xué)信息工程與自動(dòng)化學(xué)院,昆明 650500)

為消除溫度標(biāo)定系數(shù)變化而造成的測(cè)溫誤差，提出一種實(shí)時(shí)校準(zhǔn)型分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)。給出測(cè)溫原理、系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和解調(diào)流程。測(cè)溫實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：實(shí)時(shí)校準(zhǔn)技術(shù)能夠消除溫度標(biāo)定系數(shù)變化而引起的測(cè)量誤差，保證系統(tǒng)溫度解調(diào)的準(zhǔn)確性，系統(tǒng)測(cè)溫精度可達(dá)±0.05℃。

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng) 實(shí)時(shí)校準(zhǔn) 標(biāo)定系數(shù) 解調(diào)

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)(Distributed Temperature Sensing,DTS)是一種利用自發(fā)拉曼散射效應(yīng)進(jìn)行測(cè)溫，并利用光時(shí)域反射技術(shù)進(jìn)行定位的溫度傳感器[1～3]。DTS可實(shí)現(xiàn)溫度場(chǎng)的分布式測(cè)量，突破了傳統(tǒng)溫度傳感器只能實(shí)現(xiàn)溫度點(diǎn)測(cè)量的工作方式[4]，具有施工簡(jiǎn)單、精度高及定位準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，適用于易燃易爆、強(qiáng)電磁干擾的環(huán)境[5,6]，因此被廣泛應(yīng)用于煤礦井火災(zāi)監(jiān)測(cè)[7]、電力電纜溫度在線監(jiān)測(cè)[8]及油氣輸送管道泄漏檢測(cè)[9]等場(chǎng)合。

對(duì)于分布式光纖溫度傳感器的校準(zhǔn)，現(xiàn)有的方法大都通過(guò)提升硬件條件或改進(jìn)解調(diào)算法來(lái)提高DTS測(cè)溫精度。如張利勛等提出一種分布式光纖喇曼傳感器的循環(huán)解調(diào)法[10]；李小箭采用將標(biāo)準(zhǔn)溫度計(jì)與分布式光纖溫度傳感器對(duì)比的方法來(lái)進(jìn)行校準(zhǔn)[11]。但由于光電器件隨時(shí)間逐步老化或受溫度、恒溫槽溫度誤差等因素影響將導(dǎo)致溫度標(biāo)定系數(shù)變化，進(jìn)而造成系統(tǒng)測(cè)溫誤差。為此，筆者在原DTS的基礎(chǔ)上，提出了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且成本較低的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)型DTS，以提高系統(tǒng)測(cè)溫精度。

1.1 DTS測(cè)溫原理

分布式光纖測(cè)溫的主要依據(jù)是后向拉曼散射效應(yīng)[12]。拉曼光在光纖的散射過(guò)程中，會(huì)與光纖分子相互作用發(fā)生非彈性碰撞，進(jìn)而產(chǎn)生Stokes光和Anti-Stokes光[13]。當(dāng)光纖受到外部溫度環(huán)境的調(diào)制后，光纖中散射的Stokes光和Anti-Stokes光的光強(qiáng)度將發(fā)生變化。Stokes光和Anti-Stokes光的光強(qiáng)度與溫度有關(guān)。

Stokes光強(qiáng)度Is為：

(1)

Anti-Stokes光強(qiáng)度Ias為：

(2)

式中c——真空中的光速；

h——普朗克常量；

k——玻爾茲曼常量；

T——絕對(duì)溫度；

λas——Anti-Stokes光波長(zhǎng)；

λs——Stokes光波長(zhǎng)；

Δγ——拉曼頻移。

對(duì)比式(1)、(2)可知，Anti-Stokes光強(qiáng)較Stokes光強(qiáng)更易由較小溫度引起變化，即Anti-Stokes光強(qiáng)能夠更靈敏地檢測(cè)出溫度變化信息。

由式(2)除以式(1)可以得到Anti-Stokes光和Stokes光的光強(qiáng)之比，即：

(3)

將式(3)變換之后可得：

(4)

取定標(biāo)溫度，在某時(shí)刻t=t0，使光纖處于固定溫度狀態(tài)，此時(shí)T=T0，則根據(jù)式(4)有：

(5)

根據(jù)式(4)、(5)可得：

(6)

由式(6)可以看出，Anti-Stokes光強(qiáng)度和Stokes光強(qiáng)度的比值與光纖溫度有關(guān)，在DTS定標(biāo)后，只要測(cè)出Anti-Stokes光強(qiáng)度和Stokes光強(qiáng)度，就能確定DTS中光纖各點(diǎn)的溫度值，從而確定溫度場(chǎng)的分布情況，實(shí)現(xiàn)測(cè)溫功能。

1.2實(shí)時(shí)校準(zhǔn)型DTS

事實(shí)上，由于光電器件隨時(shí)間逐步老化或受溫度、恒溫槽溫度誤差等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致DTS溫度標(biāo)定系數(shù)變化，從而造成測(cè)量誤差。如果不采取必要的措施，DTS將難以滿足工業(yè)環(huán)境長(zhǎng)期在線高精度的測(cè)溫要求。為此，筆者提出了一種實(shí)時(shí)校準(zhǔn)型DTS，其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 實(shí)時(shí)校準(zhǔn)型DTS結(jié)構(gòu)示意圖

該系統(tǒng)的工作原理為：在同步脈沖的觸發(fā)下，脈沖光源通過(guò)WDM波分復(fù)用器中的耦合器將激光脈沖耦合進(jìn)傳感光纖中，脈沖光在光纖中傳輸時(shí)與介質(zhì)分子相互作用產(chǎn)生自發(fā)拉曼散射光，自發(fā)拉曼散射光經(jīng)WDM波分復(fù)用器中的薄膜干涉濾光片濾出Stokes光和Anti-Stokes光，并輸入到雙通道APD光電探測(cè)器模塊中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和電壓放大；然后由高速數(shù)據(jù)采集模塊以一定的采樣率對(duì)信號(hào)進(jìn)行采集(不同的采樣時(shí)間對(duì)應(yīng)著不同的光纖長(zhǎng)度)；油槽四周貼有散熱片，使油槽內(nèi)形成均勻的溫度場(chǎng)，采用高精度Pt1000A實(shí)時(shí)讀取油槽內(nèi)的溫度，并與數(shù)據(jù)采集卡里存儲(chǔ)的信息一起傳遞給計(jì)算機(jī)中的溫度解調(diào)模塊進(jìn)行解調(diào)處理，最終由數(shù)據(jù)顯示模塊顯示出溫度測(cè)量曲線。

1.3信號(hào)解調(diào)原理

光電器件隨時(shí)間逐步老化或受溫度、恒溫槽溫度誤差等因素的影響，會(huì)導(dǎo)致式(6)中的溫度標(biāo)定系數(shù)發(fā)生變化，而傳統(tǒng)的解調(diào)過(guò)程卻并未考慮標(biāo)定系數(shù)發(fā)生變化的情況，從而造成測(cè)量誤差。因此，在本系統(tǒng)解調(diào)中，通過(guò)實(shí)時(shí)讀取校準(zhǔn)油槽中的溫度信息，并代入解調(diào)公式進(jìn)行解調(diào)，以達(dá)到實(shí)時(shí)校準(zhǔn)標(biāo)定系數(shù)的目的。具體解調(diào)流程如圖2所示。

圖2 信號(hào)解調(diào)流程

2 測(cè)溫實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)采用實(shí)時(shí)校準(zhǔn)型DTS測(cè)試傳感光纖沿線溫度，測(cè)試系統(tǒng)由恒溫恒濕機(jī)、DTS與PC機(jī)組成。將傳感光纖放入恒溫恒濕機(jī)中，并將DTS通過(guò)USB連接線與上位機(jī)軟件連接，控制恒溫恒濕機(jī)的溫度。當(dāng)恒溫恒濕機(jī)的溫度發(fā)生變化時(shí)，Anti-Stokes光和Stokes光的光強(qiáng)度將會(huì)發(fā)生變化，根據(jù)Anti-Stokes光和Stokes光的光強(qiáng)度比與校準(zhǔn)油槽解調(diào)出來(lái)的標(biāo)定系數(shù)，通過(guò)上位機(jī)軟件解調(diào)出傳感光纖沿線的溫度信息。

恒溫恒濕機(jī)的溫度在0～100℃范圍內(nèi)，每隔10℃設(shè)置一個(gè)檢測(cè)點(diǎn)，將上位機(jī)解調(diào)的溫度與恒溫恒濕機(jī)的溫度進(jìn)行對(duì)比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。由表1可以看出，實(shí)時(shí)校準(zhǔn)型DTS測(cè)溫精度可達(dá)±0.05℃。

表1 測(cè)溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ℃

3 結(jié)束語(yǔ)

筆者提出了一種分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的實(shí)時(shí)校準(zhǔn)方法，通過(guò)讀取校準(zhǔn)油槽中的溫度信息，并實(shí)時(shí)與實(shí)際解調(diào)溫度進(jìn)行對(duì)比，修正標(biāo)定系數(shù)，進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，極大地降低了分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的測(cè)量誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該實(shí)時(shí)校準(zhǔn)技術(shù)能夠保證系統(tǒng)溫度解調(diào)的準(zhǔn)確性，測(cè)溫精度可達(dá)±0.05℃。同時(shí)，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)取消了恒溫槽與控制板，因此也降低了系統(tǒng)成本。

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Real-timeCalibrationofDistributedTemperatureSensingSystem

JING Xia, LIU Ai-lian, HUANG Jun, XIAO Fan, ZHAO Zhen-gang, LI Ying-na, LI Chuan

(FacultyofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScience&Technology,Kunming650500,China)

In order to eradicate the optoelectronic device’s measurement error caused by the variation of temperature calibration coefficient, the temperature sensing system’s working principle and structure and demodulation process were presented. The experimental results show that the real-time calibration technology can eradicate the above-said measurement error and can ensure the accuracy in temperature demodulation. The sensing system’s accuracy can reach ±0.05℃.

distributed fiber temperature measurement system, real-rime calibration, calibration coefficient,demodulation

TH811

A

1000-3932(2016)06-0596-03

2015-11-19基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51567013)；中國(guó)博士后科學(xué)基金面上項(xiàng)目(一等資助)(2014M552552XB)；昆明理工大學(xué)人才培養(yǎng)基金項(xiàng)目(KKSY201303044)