分布式光纖測溫系統(tǒng)的實(shí)時校準(zhǔn)

景 霞 劉愛蓮 黃 俊 肖 范 趙振剛 李英娜 李 川

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

分布式光纖測溫系統(tǒng)的實(shí)時校準(zhǔn)

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

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

分布式光纖測溫系統(tǒng)(Distributed Temperature Sensing,DTS)是一種利用自發(fā)拉曼散射效應(yīng)進(jìn)行測溫，并利用光時域反射技術(shù)進(jìn)行定位的溫度傳感器[1～3]。DTS可實(shí)現(xiàn)溫度場的分布式測量，突破了傳統(tǒng)溫度傳感器只能實(shí)現(xiàn)溫度點(diǎn)測量的工作方式[4]，具有施工簡單、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[7]、電力電纜溫度在線監(jiān)測[8]及油氣輸送管道泄漏檢測[9]等場合。

對于分布式光纖溫度傳感器的校準(zhǔn)，現(xiàn)有的方法大都通過提升硬件條件或改進(jìn)解調(diào)算法來提高DTS測溫精度。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比的方法來進(jìn)行校準(zhǔn)[11]。但由于光電器件隨時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)簡單且成本較低的實(shí)時校準(zhǔn)型DTS，以提高系統(tǒng)測溫精度。

1.1 DTS測溫原理

分布式光纖測溫的主要依據(jù)是后向拉曼散射效應(yīng)[12]。拉曼光在光纖的散射過程中，會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——絕對溫度；

λas——Anti-Stokes光波長；

λs——Stokes光波長；

Δγ——拉曼頻移。

對比式(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，在某時刻t=t0，使光纖處于固定溫度狀態(tài)，此時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，從而確定溫度場的分布情況，實(shí)現(xiàn)測溫功能。

1.2實(shí)時校準(zhǔn)型DTS

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

圖1 實(shí)時校準(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信號進(jìn)行采集(不同的采樣時間對應(yīng)著不同的光纖長度)；油槽四周貼有散熱片，使油槽內(nèi)形成均勻的溫度場，采用高精度Pt1000A實(shí)時讀取油槽內(nèi)的溫度，并與數(shù)據(jù)采集卡里存儲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量曲線。

1.3信號解調(diào)原理

光電器件隨時間逐步老化或受溫度、恒溫槽溫度誤差等因素的影響，會導(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，從而造成測量誤差。因此，在本系統(tǒng)解調(diào)中，通過實(shí)時讀取校準(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 信號解調(diào)流程

2 測溫實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)采用實(shí)時校準(zhǔn)型DTS測試傳感光纖沿線溫度，測試系統(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，Anti-Stokes光和Stokes光的光強(qiáng)度將會發(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)出來的標(biāo)定系數(shù)，通過上位機(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)置一個檢測點(diǎn)，將上位機(jī)解調(diào)的溫度與恒溫恒濕機(jī)的溫度進(jìn)行對比，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見表1。由表1可以看出，實(shí)時校準(zhǔn)型DTS測溫精度可達(dá)±0.05℃。

表1 測溫實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) ℃

3 結(jié)束語

筆者提出了一種分布式光纖測溫系統(tǒng)的實(shí)時校準(zhǔn)方法，通過讀取校準(zhǔn)油槽中的溫度信息，并實(shí)時與實(shí)際解調(diào)溫度進(jìn)行對比，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溫系統(tǒng)的測量誤差。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該實(shí)時校準(zhǔn)技術(shù)能夠保證系統(tǒng)溫度解調(diào)的準(zhǔn)確性，測溫精度可達(dá)±0.05℃。同時，分布式光纖測溫系統(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：國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(51567013)；中國博士后科學(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)