一種分布式光纖溫度傳感器的校準(zhǔn)方法

張小麗 陳 樂(lè) 孫 堅(jiān) 鄭堅(jiān)璐

(中國(guó)計(jì)量學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江 杭州 310018)

0 引言

分布式光纖溫度傳感器在民用、軍工、科技應(yīng)用等領(lǐng)域有著獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)［1－2］，它在航空航天、遠(yuǎn)程控制、化學(xué)、生物化學(xué)、醫(yī)療、安全保險(xiǎn)、電力工業(yè)等特殊環(huán)境下?lián)碛袕V闊的應(yīng)用前景［3－4］?，F(xiàn)有的研究方法大多采用提升硬件條件和改進(jìn)解調(diào)算法來(lái)提高分布式光纖溫度傳感器的測(cè)溫精度［5－7］。目前，分布式光纖溫度傳感器在計(jì)量方面還沒(méi)有相關(guān)的校準(zhǔn)規(guī)程和標(biāo)準(zhǔn)。本文在原有分布式光纖溫度傳感器的基礎(chǔ)上，對(duì)分布式光纖溫度傳感器的實(shí)際測(cè)溫誤差進(jìn)行溫度校準(zhǔn)，使分布式光纖溫度傳感器達(dá)到溫度計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，具有十分深遠(yuǎn)的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

1 理論基礎(chǔ)

分布式光纖溫度傳感器在硬件上由傳感光纖、終端機(jī)和計(jì)算機(jī)三部分組成，在功能上由激光光源、傳感光纖和檢測(cè)單元組成。終端機(jī)是系統(tǒng)的核心組成部分，包括光源、耦合器、波分復(fù)用器和光電探測(cè)器，其主要功能是實(shí)現(xiàn)信號(hào)的發(fā)射、接收、濾波、放大和信息處理，以及數(shù)據(jù)分析和輸出。計(jì)算機(jī)可以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的控制、信號(hào)處理、顯示儲(chǔ)存以及外部其他擴(kuò)展功能。

在分布式光纖溫度傳感器中，前端檢測(cè)光纖既是傳輸媒體又是傳感媒體［8］。分布式光纖溫度傳感器是基于拉曼散射效應(yīng)和光時(shí)域反射技術(shù)實(shí)現(xiàn)溫度分布式測(cè)量的傳感器。拉曼散射效應(yīng)即光纖所處空間各點(diǎn)的溫度場(chǎng)調(diào)制光纖中反斯托克斯背向拉曼散射光的強(qiáng)度，由波分復(fù)用器和光電檢測(cè)器采集帶有溫度信息的背向拉曼散射光電信號(hào)，再經(jīng)信號(hào)處理器將溫度信息實(shí)時(shí)地從噪聲中提取出來(lái)并顯示在計(jì)算機(jī)上。因此，分布式光纖溫度傳感器是一種典型的光纖溫度通信網(wǎng)絡(luò)。光時(shí)域反射技術(shù)是利用光在光纖中的傳播速度和背向光回波的時(shí)間間隔，對(duì)所測(cè)溫度點(diǎn)定位并顯示定位溫度，體現(xiàn)分布式的特點(diǎn)。

光在光纖中傳播，由光信號(hào)轉(zhuǎn)化為計(jì)算機(jī)能采集到的電信號(hào)需要3個(gè)過(guò)程:激光源注入激光脈沖(傳播過(guò)程)、光電探測(cè)器響應(yīng)(接收過(guò)程)和處理器轉(zhuǎn)換(采集過(guò)程)。由于光在光纖中傳播的速度比硬件電路響應(yīng)信號(hào)的速度快得多，當(dāng)硬件電路響應(yīng)到光纖上A點(diǎn)的信號(hào)時(shí)，實(shí)際A點(diǎn)位置的光信號(hào)已經(jīng)傳播到達(dá)B點(diǎn)，因此，需要一定的光纖長(zhǎng)度實(shí)現(xiàn)對(duì)一個(gè)溫度點(diǎn)的準(zhǔn)確測(cè)量。在光學(xué)領(lǐng)域中，這段光纖長(zhǎng)度L(即為A到B的距離，如圖1所示)被定義為空間分辨率［9］?？臻g分辨率越小越好，但受到技術(shù)水平和成本的限制，分布式光纖溫度傳感器存在空間分辨率的問(wèn)題。實(shí)際應(yīng)用中，前端檢測(cè)光纖環(huán)長(zhǎng)度至少要等于空間分辨率，且這一段光纖環(huán)所測(cè)溫度點(diǎn)相當(dāng)于一般溫度計(jì)量器具所測(cè)的一個(gè)溫度點(diǎn)。理論上，分布式光纖溫度傳感器可測(cè)得光纖長(zhǎng)度上每個(gè)點(diǎn)的溫度值，體現(xiàn)其分布式優(yōu)勢(shì)。但實(shí)際上根據(jù)分布式光纖溫度傳感器的理論原理和構(gòu)成，分布式光纖溫度傳感器是很難實(shí)現(xiàn)真正意義上每個(gè)溫度點(diǎn)的測(cè)量。

光纖分辨率的產(chǎn)生過(guò)程如圖1所示。

圖1 空間分辨率的產(chǎn)生過(guò)程Fig.1 The generation procedures of spatial resolution

2 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

在0～100℃的溫度范圍內(nèi)，選取3 m(空間分辨率)光纖環(huán)進(jìn)行測(cè)溫試驗(yàn)，驗(yàn)證分布式光纖溫度傳感器的測(cè)溫誤差是否滿足測(cè)溫精度(±1 K)，從而對(duì)分布式光纖溫度傳感器進(jìn)行溫度校準(zhǔn)。所需試驗(yàn)設(shè)備包括恒溫水槽、二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)、數(shù)字萬(wàn)用表和分布式光纖溫度傳感器。

前端檢測(cè)光纖以自然半徑盤繞成環(huán)狀(簡(jiǎn)稱光纖環(huán))作為分布式光纖溫度傳感器的溫度探頭。根據(jù)溫度解調(diào)算法，將光纖環(huán)測(cè)得溫度最大值作為該光纖環(huán)的溫度測(cè)量值。試驗(yàn)光纖環(huán)位置和長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系如表1所示。表1中，光纖位置為光纖環(huán)測(cè)得溫度最大值的位置點(diǎn)，光纖環(huán)長(zhǎng)度為以光纖位置為中心所量取的長(zhǎng)度。

表1 位置和長(zhǎng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系Tab.1 Relationship between position and length

在分布式光纖溫度傳感器校準(zhǔn)試驗(yàn)中，恒溫水槽提供恒溫環(huán)境，二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)所測(cè)的溫度數(shù)據(jù)作為標(biāo)準(zhǔn)溫度［10］。二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)采用四線電阻制連接安捷倫34401A數(shù)字萬(wàn)用表，以獲取鉑電阻阻值，再利用RS-232串口連接計(jì)算機(jī)與數(shù)字萬(wàn)用表進(jìn)行通信，最后利用LabVIEW軟件轉(zhuǎn)換得到所測(cè)恒溫環(huán)境的標(biāo)準(zhǔn)溫度值［11］。當(dāng)計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)指示恒溫水槽達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，開(kāi)始校準(zhǔn)試驗(yàn)。在校準(zhǔn)試驗(yàn)中，將所需長(zhǎng)度的光纖環(huán)與標(biāo)準(zhǔn)器放置在同一環(huán)境下，并保持分布式光纖溫度傳感器和二等標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)的同步采集。該方法具有一定的可比性和準(zhǔn)確性。

2.1 3m光纖環(huán)校準(zhǔn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

3 m光纖環(huán)校準(zhǔn)試驗(yàn)的目的是對(duì)3 m光纖環(huán)以校準(zhǔn)6個(gè)溫度點(diǎn)為基準(zhǔn)，分析0～100℃范圍內(nèi)所測(cè)溫度誤差情況。

首先開(kāi)啟恒溫水槽控溫，選取0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100(單位:℃)作為試驗(yàn)溫度點(diǎn)，然后量取3 m光纖環(huán)放入恒溫水槽中。試驗(yàn)時(shí)分別選取0、30、40、70、80、100(單位:℃)為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行 6 組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)通過(guò)校準(zhǔn)一個(gè)溫度點(diǎn)為基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)溫度點(diǎn)的測(cè)量誤差研究。

2.2 5m光纖環(huán)校準(zhǔn)試驗(yàn)設(shè)計(jì)

5 m光纖環(huán)校準(zhǔn)試驗(yàn)的目的是對(duì)5 m光纖環(huán)以校準(zhǔn)2個(gè)溫度點(diǎn)為基準(zhǔn)，分析0～100℃范圍內(nèi)所測(cè)溫度誤差情況。同時(shí)，量取2、3、4、5(單位:m)光纖環(huán)作為同步試驗(yàn)研究對(duì)象，分析不同長(zhǎng)度光纖環(huán)對(duì)于所測(cè)溫度誤差情況的空間分辨率問(wèn)題。

首先開(kāi)啟恒溫水槽控溫，選取0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100(單位:℃)作為試驗(yàn)溫度點(diǎn)，然后量取2、3、4、5(單位:m)光纖環(huán)放入恒溫水槽中。試驗(yàn)時(shí)分別選取50、80(單位:℃)為基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行2組試驗(yàn)，每組試驗(yàn)通過(guò)校準(zhǔn)一個(gè)溫度點(diǎn)為基準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)對(duì)試驗(yàn)溫度點(diǎn)的試驗(yàn)測(cè)溫誤差研究。

2.3 光纖位置的影響試驗(yàn)設(shè)計(jì)

光纖位置的影響試驗(yàn)的目的是對(duì)3、4、5(單位:m)光纖環(huán)和對(duì)應(yīng)的光纖位置(見(jiàn)表1)產(chǎn)生的測(cè)溫誤差進(jìn)行研究，解決不同光纖環(huán)長(zhǎng)度和對(duì)應(yīng)的光纖位置對(duì)測(cè)溫精度的影響問(wèn)題。

首先開(kāi)啟恒溫水槽控溫，選取50℃作為試驗(yàn)溫度點(diǎn)，然后在整段光纖上分別取5個(gè)不同位置作為研究對(duì)象，分別為 101、551、911、1431、1907(單位:m)，并分別量取3、4、5(單位:m)光纖環(huán)進(jìn)行3組試驗(yàn)。以上述5個(gè)位置點(diǎn)為中心分別選取3、4、5(單位:m)光纖環(huán)，再對(duì)50℃試驗(yàn)溫度點(diǎn)進(jìn)行3組測(cè)溫試驗(yàn)。

3 試驗(yàn)分析及結(jié)論

為了消除隨機(jī)誤差，將所得的大量隨機(jī)數(shù)據(jù)取平均值進(jìn)行比較分析。誤差均值是分布式光纖溫度傳感器的溫度均值與標(biāo)準(zhǔn)溫度均值之間的差值，將誤差均值作為試驗(yàn)數(shù)據(jù)結(jié)果，可由Matlab軟件計(jì)算得到。由于數(shù)據(jù)的隨機(jī)性，校準(zhǔn)點(diǎn)的誤差均值足夠小但很難保證為零。

3.1 3m光纖環(huán)校準(zhǔn)試驗(yàn)分析

根據(jù)3 m光纖環(huán)校準(zhǔn)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，計(jì)算出誤差均值如表2所示。其中，S表示標(biāo)準(zhǔn)溫度均值;T1表示未校準(zhǔn)時(shí)分布式光纖溫度傳感器的絕對(duì)誤差均值;T2～ T7分別表示以 30、40、70、80、100、0(單位:℃)基準(zhǔn)點(diǎn)校準(zhǔn)后，分布式光纖溫度傳感器的絕對(duì)誤差均值。由T2～T7可知，校準(zhǔn)后分布式光纖溫度傳感器在校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)處的絕對(duì)誤差均值足夠小;而由T1可知，在校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)處，未校準(zhǔn)時(shí)的絕對(duì)誤差均值較大。

表2 校準(zhǔn)后溫度絕對(duì)誤差表Tab.2 Absolute temperature error after calibration

由表2數(shù)據(jù)可知，分布式光纖溫度傳感器在各個(gè)溫度點(diǎn)所測(cè)的誤差隨著溫度的升高而升高，且誤差較大;針對(duì)不同的校準(zhǔn)點(diǎn)，本試驗(yàn)校準(zhǔn)方法可改善分布式光纖溫度傳感器的測(cè)溫誤差。觀察縱向數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，絕對(duì)誤差均值是隨著測(cè)溫點(diǎn)與校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)差值增大而增大。因此，每個(gè)校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)只能保證在小范圍內(nèi)滿足系統(tǒng)測(cè)溫精度。

在測(cè)量大于 60℃的溫度點(diǎn)時(shí)，以 0、70、80、100(單位:℃)為校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)比以30、40(單位:℃)為校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)的測(cè)量溫度點(diǎn)絕對(duì)誤差均值要小得多。因此，以 0、70、80、100(單位:℃)為校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)，可有效減小測(cè)量溫度點(diǎn)的絕對(duì)誤差均值，且明顯降低50～100℃溫度段的絕對(duì)誤差均值，并使誤差保證在2 K范圍內(nèi)。

試驗(yàn)表明，分布式光纖溫度傳感器需要根據(jù)實(shí)際測(cè)溫點(diǎn)選取校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量。對(duì)于定點(diǎn)測(cè)溫，其測(cè)溫準(zhǔn)確度滿足精度要求，但如果需要測(cè)量較大范圍的溫度，就需要考慮校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)的選取和誤差的分布情況。

3.2 5m光纖環(huán)校準(zhǔn)試驗(yàn)分析

根據(jù)5 m光纖環(huán)校準(zhǔn)試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，計(jì)算出誤差均值如圖2所示。

圖2 溫度誤差圖Fig.2 Temperature error chart

由圖2可知，選取一個(gè)校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)時(shí)，校準(zhǔn)5 m光纖環(huán)效果明顯比校準(zhǔn)3 m光纖環(huán)要好，可大大提高滿足系統(tǒng)精度要求的溫度范圍。在0～100℃溫度范圍內(nèi)，本試驗(yàn)選取兩個(gè)校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)，50℃校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)保證低溫段的絕對(duì)誤差在1 K內(nèi)，滿足精度要求;80℃校準(zhǔn)點(diǎn)保證高溫段的絕對(duì)誤差在1 K內(nèi)，滿足精度要求。這樣可大大減少測(cè)溫誤差，從而提高校準(zhǔn)的試驗(yàn)效率。

圖2中，由2 m光纖環(huán)的誤差均值明顯不在±1 K以內(nèi)，驗(yàn)證了當(dāng)光纖環(huán)長(zhǎng)度小于空間分辨率3 m時(shí)，測(cè)溫誤差達(dá)不到分布式光纖溫度傳感器的測(cè)溫精度的結(jié)論。對(duì)于3、4、5(單位:m)光纖環(huán)(檢測(cè)光纖長(zhǎng)度≥空間分辨率)的誤差均值結(jié)果，它們的溫度誤差分布趨勢(shì)是一致的，主要誤差來(lái)源于系統(tǒng)硬件電路的隨機(jī)性和各個(gè)干擾因素。

3.3 光纖位置的影響試驗(yàn)分析

根據(jù)光纖位置影響試驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果，計(jì)算出誤差均值如表3所示。

表3 溫度絕對(duì)誤差數(shù)據(jù)表Tab.3 Temperature absolute error data

由表3可知，針對(duì)相同長(zhǎng)度光纖環(huán)的不同位置，隨著光纖位置距離光源越遠(yuǎn)，分布式光纖溫度傳感器的絕對(duì)誤差越大。其根本原因是光在光纖中傳播時(shí)光強(qiáng)會(huì)一直衰減，攜帶溫度信息的光強(qiáng)本身較弱，當(dāng)光傳播到光纖末端時(shí)，該信號(hào)光強(qiáng)會(huì)完全淹沒(méi)在噪聲中而無(wú)法解調(diào)出來(lái)。針對(duì)相同位置不同長(zhǎng)度的光纖環(huán)，也存在不同的誤差，且5 m光纖環(huán)比3 m、4 m光纖環(huán)的測(cè)溫誤差小，驗(yàn)證了分析結(jié)果的正確性。

3.4 試驗(yàn)結(jié)論

本試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)是分布式光纖溫度傳感器長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行所測(cè)的結(jié)果，由此可知，分布式光纖溫度傳感器的測(cè)溫穩(wěn)定性好。根據(jù)上述試驗(yàn)，分布式光纖溫度傳感器在各個(gè)溫度點(diǎn)的誤差都不同，測(cè)溫點(diǎn)距離校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)越遠(yuǎn)，其誤差越大。因此，選取不同的校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)對(duì)于3 m光纖環(huán)可實(shí)現(xiàn)小范圍滿足精度要求;而對(duì)于5 m光纖環(huán)，選取兩個(gè)校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)可使得在0～100℃溫度范圍內(nèi)，分布式光纖溫度傳感器的測(cè)溫誤差滿足精度要求。實(shí)際中測(cè)量更大的溫度范圍時(shí)，可根據(jù)具體測(cè)溫點(diǎn)來(lái)選取幾個(gè)或多個(gè)校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)過(guò)程。

研究表明，影響分布式光纖溫度傳感器測(cè)溫準(zhǔn)確性的因素包括校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)、光纖環(huán)長(zhǎng)度和光纖位置的選取?？紤]這三個(gè)因素，通過(guò)上述校準(zhǔn)方法可提高分布式光纖溫度傳感器測(cè)溫準(zhǔn)確性。

4 結(jié)束語(yǔ)

分布式光纖溫度傳感器應(yīng)用于定點(diǎn)預(yù)警報(bào)警領(lǐng)域無(wú)疑是穩(wěn)定的［12］，且測(cè)量特定溫度點(diǎn)的準(zhǔn)確性較好，但其更多地應(yīng)用于測(cè)量溫度范圍較大的變化溫度場(chǎng)。由于分布式光纖溫度傳感器的測(cè)溫誤差會(huì)隨著溫度的變化而變化，無(wú)法保證測(cè)量的準(zhǔn)確性，因此，通過(guò)校準(zhǔn)試驗(yàn)方法提高分布式光纖溫度傳感器的測(cè)溫準(zhǔn)確性，具有一定的研究?jī)r(jià)值和現(xiàn)實(shí)意義。

本文提出一種提高分布式光纖溫度傳感器測(cè)溫準(zhǔn)確性的校準(zhǔn)方法，根據(jù)分布式光纖溫度傳感器的測(cè)溫范圍選取合適的溫度校準(zhǔn)基準(zhǔn)點(diǎn)、光纖環(huán)長(zhǎng)度和光纖位置，可大大降低分布式光纖溫度傳感器的測(cè)量誤差，且在更大溫度范圍內(nèi)也能夠滿足精度要求。本文對(duì)0～100℃內(nèi)的溫度點(diǎn)進(jìn)行的研究，為將來(lái)其他溫度范圍的校準(zhǔn)奠定了基礎(chǔ)。但由于測(cè)溫范圍較小，試驗(yàn)結(jié)果具有一定的局限性，需要進(jìn)一步的試驗(yàn)和研究。

［1］倪玉婷，呂辰剛，葛春風(fēng)，等.基于OTDR的分布式光纖傳感器原理及其應(yīng)用［J］.光纖與電纜及其應(yīng)用技術(shù)，2006(1):1－4.

［2］李志全，白志華，王會(huì)波，等.分布式光纖傳感器多點(diǎn)溫度測(cè)量的研究［J］.光學(xué)儀器，2007，29(6):8 －11.

［3］何明科，張佩宗，李永麗.分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在電力設(shè)備過(guò)熱監(jiān)測(cè)的應(yīng)用［J］.電力設(shè)備，2007，10(10):30 －32.

［4］彭超，趙健康，苗付貴.分布式光纖測(cè)溫技術(shù)在線監(jiān)測(cè)電纜溫度［J］.高電壓技術(shù)，2006，32(8):43 －45.

［5］劉媛，雷濤，張勇，等.油井分布式光纖測(cè)溫及高溫標(biāo)定實(shí)驗(yàn)［J］.山東科學(xué)，2008，21(6):40 －44.

［6］張利勛，歐中華，劉永智，等.分布式光纖喇曼溫度傳感器的循環(huán)解調(diào)法［J］.光子學(xué)報(bào)，2005，34(8):1176 －1178.

［7］史曉鋒，李錚，蔡志權(quán).分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)及其測(cè)溫精度分析［J］.測(cè)控技術(shù)，2002，21(1):9 －12.

［8］常程.基于拉曼散射測(cè)溫系統(tǒng)溫度標(biāo)定問(wèn)題的研究［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，27(5):522 －524.

［9］黃松.拉曼分布式光纖溫度傳感器及其空間分辨率研究的提高［D］.成都:電子科技大學(xué)，2004.

［10］劉大木.水三相點(diǎn)溫度的獲得及標(biāo)準(zhǔn)鉑電阻溫度計(jì)Rtp的測(cè)定［J］.上海計(jì)量測(cè)試，2006，34(4):27 －28.

［11］王磊，陶梅.精通 LabVIEW 8.0［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2007.

［12］崔文華，陳志斌.分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)與報(bào)警系統(tǒng)的研究［J］.紅外與激光工程，2002，31(2):175－178.