分布式光纖測溫系統的實時校準

景 霞 劉愛蓮 黃 俊 肖 范 趙振剛 李英娜 李 川

(昆明理工大學信息工程與自動化學院,昆明 650500)

分布式光纖測溫系統的實時校準

景 霞 劉愛蓮 黃 俊 肖 范 趙振剛 李英娜 李 川

(昆明理工大學信息工程與自動化學院,昆明 650500)

為消除溫度標定系數變化而造成的測溫誤差，提出一種實時校準型分布式光纖測溫系統。給出測溫原理、系統結構和解調流程。測溫實驗結果表明：實時校準技術能夠消除溫度標定系數變化而引起的測量誤差，保證系統溫度解調的準確性，系統測溫精度可達±0.05℃。

分布式光纖測溫系統 實時校準 標定系數 解調

分布式光纖測溫系統(Distributed Temperature Sensing,DTS)是一種利用自發拉曼散射效應進行測溫，并利用光時域反射技術進行定位的溫度傳感器[1～3]。DTS可實現溫度場的分布式測量，突破了傳統溫度傳感器只能實現溫度點測量的工作方式[4]，具有施工簡單、精度高及定位準確等優點，適用于易燃易爆、強電磁干擾的環境[5,6]，因此被廣泛應用于煤礦井火災監測[7]、電力電纜溫度在線監測[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，現有的方法大都通過提升硬件條件或改進解調算法來提高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解調法[10]；李小箭采用將標準溫度計與分布式光纖溫度傳感器對比的方法來進行校準[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致溫度標定系數變化，進而造成系統測溫誤差。為此，筆者在原DTS的基礎上，提出了一種結構簡單且成本較低的實時校準型DTS，以提高系統測溫精度。

1.1 DTS測溫原理

分布式光纖測溫的主要依據是后向拉曼散射效應[12]。拉曼光在光纖的散射過程中，會與光纖分子相互作用發生非彈性碰撞，進而產生Stokes光和Anti-Stokes光[13]。當光纖受到外部溫度環境的調制后，光纖中散射的Stokes光和Anti-Stokes光的光強度將發生變化。Stokes光和Anti-Stokes光的光強度與溫度有關。

Stokes光強度Is為：

(1)

Anti-Stokes光強度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光強較Stokes光強更易由較小溫度引起變化，即Anti-Stokes光強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光的光強之比，即：

(3)

將式(3)變換之后可得：

(4)

取定標溫度，在某時刻t=t0，使光纖處于固定溫度狀態，此時T=T0，則根據式(4)有：

(5)

根據式(4)、(5)可得：

(6)

由式(6)可以看出，Anti-Stokes光強度和Stokes光強度的比值與光纖溫度有關，在DTS定標后，只要測出Anti-Stokes光強度和Stokes光強度，就能確定DTS中光纖各點的溫度值，從而確定溫度場的分布情況，實現測溫功能。

1.2實時校準型DTS

事實上，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，會導致DTS溫度標定系數變化，從而造成測量誤差。如果不采取必要的措施，DTS將難以滿足工業環境長期在線高精度的測溫要求。為此，筆者提出了一種實時校準型DTS，其結構如圖1所示。

圖1 實時校準型DTS結構示意圖

該系統的工作原理為：在同步脈沖的觸發下，脈沖光源通過WDM波分復用器中的耦合器將激光脈沖耦合進傳感光纖中，脈沖光在光纖中傳輸時與介質分子相互作用產生自發拉曼散射光，自發拉曼散射光經WDM波分復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行光電轉換和電壓放大；然后由高速數據采集模塊以一定的采樣率對信號進行采集(不同的采樣時間對應著不同的光纖長度)；油槽四周貼有散熱片，使油槽內形成均勻的溫度場，采用高精度Pt1000A實時讀取油槽內的溫度，并與數據采集卡里存儲的信息一起傳遞給計算機中的溫度解調模塊進行解調處理，最終由數據顯示模塊顯示出溫度測量曲線。

1.3信號解調原理

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，會導致式(6)中的溫度標定系數發生變化，而傳統的解調過程卻并未考慮標定系數發生變化的情況，從而造成測量誤差。因此，在本系統解調中，通過實時讀取校準油槽中的溫度信息，并代入解調公式進行解調，以達到實時校準標定系數的目的。具體解調流程如圖2所示。

圖2 信號解調流程

2 測溫實驗與結果分析

實驗采用實時校準型DTS測試傳感光纖沿線溫度，測試系統由恒溫恒濕機、DTS與PC機組成。將傳感光纖放入恒溫恒濕機中，并將DTS通過USB連接線與上位機軟件連接，控制恒溫恒濕機的溫度。當恒溫恒濕機的溫度發生變化時，Anti-Stokes光和Stokes光的光強度將會發生變化，根據Anti-Stokes光和Stokes光的光強度比與校準油槽解調出來的標定系數，通過上位機軟件解調出傳感光纖沿線的溫度信息。

恒溫恒濕機的溫度在0～100℃范圍內，每隔10℃設置一個檢測點，將上位機解調的溫度與恒溫恒濕機的溫度進行對比，實驗數據見表1。由表1可以看出，實時校準型DTS測溫精度可達±0.05℃。

表1 測溫實驗數據 ℃

3 結束語

筆者提出了一種分布式光纖測溫系統的實時校準方法，通過讀取校準油槽中的溫度信息，并實時與實際解調溫度進行對比，修正標定系數，進行溫度校準，極大地降低了分布式光纖測溫系統的測量誤差。實驗結果表明，該實時校準技術能夠保證系統溫度解調的準確性，測溫精度可達±0.05℃。同時，分布式光纖測溫系統取消了恒溫槽與控制板，因此也降低了系統成本。

[1] 李川.光纖傳感器技術[M].北京:科學出版社,2012.

[2] Lees G P,Wait P C,Cole M J,et al.Advances in Optical Fiber Distributed Temperature Sensing Using the Landau-Placzek Ratio[J].IEEE Photonics Technology Letters,1998,10(1):126～128.

[3] Zhang Z,Wang J,Li Y,et al.Recent Progress in Distributed Optical Fiber Raman Photon Sensors at China Jiliang University[J].Photonic Sensors,2012,2(2):127～147.

[4] 張在宣,劉天夫,張步新,等.激光拉曼型分布光纖溫度傳感器系統[J].光學學報,1995,15(11):1585～1589.

[5] 王偉杰.基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統設計及優化[D].濟南:山東大學,2013.

[6] Bao X Y,Chen L.Recent Progress in Brillouin Scattering Based Fiber Sensors[J].Sensors,2011,11(4):4152～4187.

[7] 赫庭玉.分布式光纖測溫系統在塔山煤礦的應用[J].中國煤炭,2015,41(9):78～80.

[8] 王偉.分布式光纖測溫系統在電廠電纜熱故障中的開發和應用[D].北京:華北電力大學,2013.

[9] 劉冰,王潔,吳健宏,等.分布式光纖測溫系統在LNG儲罐泄漏和冷卻溫度監測中的應用[J].化工自動化及儀表,2014,41(12): 1445～1448.

[10] 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解調法[J].光子學報,2005,34(8):1176～1178.

[11] 李小箭.分布式光纖溫度傳感器在井下設置的要求[J].中國煤炭,2006,32(6):48.

[12] Hausner M B,Francisco S,Glander K E,et al.Calibrating Single-ended Fiber-optic Raman Spectra Distributed Temperature Sensing Data[J].Sensors,2010,11(11):10859～10879.

[13] 葉宗順,劉艷平,劉果,等.分布式光纖測溫系統的研制及其應用[J].水電廠自動化,2012,33(1):43～46.

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基金項目：國家自然科學基金項目(51567013)；中國博士后科學基金面上項目(一等資助)(2014M552552XB)；昆明理工大學人才培養基金項目(KKSY201303044)