[发明专利]一种实时校准的分布式光纤测温装置及校准方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种分布式光纤传感技术，特别涉及一种实时校准的分布式光纤测温装置及校准方法。

背景技术

分布式光纤温度传感装置（DTS）是一种新兴的线型火灾探测系统，它利用自发拉曼散射效应以及光时域反射技术获得沿光纤分布的实时温度测量。该装置不仅可以实时测量温度的大小，而且可以精确定位火灾位置，具有测量距离长、无测量盲区、抗电磁干扰、适合易燃易爆等恶劣环境下工作等优点，在公路交通隧道、高压电缆沟、输煤皮带、油井、大坝等领域有较广泛应用。分布式光纤测温装置的应用场合均属于重大关键基础设施，对温度测量准确性的要求较高，并且需要保持长期的稳定性，尤其是大坝渗漏监测以及稠油热采井井下温度测量等应用对温度长期测量稳定性的要求更高。

理论上，利用传感光纤背向散射信号中的反斯托克斯Anti-stokes信号与斯托克斯信号Stokes的强度之比即可光纤各点的温度值。事实上，由于分布式光纤测温装置中的分光、耦合存在差异以及雪崩光电二极管APD光电探测响应有较大离散性，因此，如同叶宗顺等人的论文中报道的装置（叶宗顺, 刘艳平, 刘果 等. 分布式光纤测温系统的研制及其应用, 水电厂自动化, 2012, Vol. 33, No. 1, pp. 43-45, 68），常规的分布式光纤测温装置是通过在一段内置的长度为数十米或者数百米的参考光纤作为基准，参考光纤可以置于温度已知的恒温盒内，也可以用热敏电阻、铂电阻等测温元件实时测得参考光纤周围的温度，根据参考光纤的反斯托克斯Anti-stokes信号与斯托克斯Stokes信号的强度比以及参考光纤的温度，可以消除由于分光、耦合差异以及雪崩光电二极管APD离散性造成的测量误差。此外，受限于分光器的隔离度，反斯托克斯Anti-stokes信号以及斯托克斯Stokes信号中将不可避免地混入一定比例的瑞利Rayleigh散射光，混入的瑞利Rayleigh散射光会影响温度测量值，因此分布式光纤测温装置在出厂前或者投运前需进行温度标定。在常用的-40~+300℃范围内，反斯托克斯Anti-stokes信号与斯托克斯Stokes信号的比值与温度成近似线性关系，因此温度标定可采用两点法标定：将一段传感光纤先后置于低温区域（如室温）和高温区域（如100℃恒温水槽）。然后，由于分布式光纤测温装置中的激光二极管、分光器、雪崩光电二极管APD等光电器件容易受温度影响或者随时间逐步老化，从而影响温度标定系数；如果不采取必要的措施，分布式光纤测温装置的温度测量会出现误差，难以满足工业环境长期在线稳定测量的要求。

发明内容

为了解决现有技术中的上述不足，本发明提供了一种结构简单的实时校准的分布式光纤测温装置，以消除因光电器件受温度影响或者随时间逐步老化而导致温度标定系数变化而造成的测量误差。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：一种实时校准的分布式光纤测温装置，包括脉冲激光源、分光器、探测器、参考光纤盒、校准光纤盒、测量光纤和电路模块。脉冲光源的输出端与分光器的输入端相连，分光器的第一输出端依次与参考光纤盒、校准光纤盒、测量光纤相连，分光器的第二输出端和第三输出端与探测器的输入端相连，探测器的输出端与电路模块相连。

所述的参考光纤盒和校准光纤盒均盘绕有一段长度为数十米至数百米的光纤，并且所述的参考光纤盒和校准光纤盒的温度不相同，参考光纤盒的温度处于0~45℃的低温区，校准光纤盒的温度处于50℃以上的高温区。

所述的脉冲光源为窄脉冲宽度、高峰值功率的半导体激光光源或者光纤激光光源。

所述的探测器为雪崩光电二极管APD，用于探测器微弱的光纤散射信号：反斯托克斯光P_a(z)和斯托克斯光P_s(z)。