[发明专利]分布式光纤温度传感器及消除该传感器非线性误差的方法

权利要求书

1.一种分布式光纤温度传感器，其特征在于：主要包括机壳(12)及设置在机壳(12)内并顺次连接的脉冲激光源(1)、波分复用器(2)及光开关(3)，所述光开关(3)上还连接一光纤盒(4)，所述光纤盒(4)内设有参考光纤环(5)，所述光纤盒(4)上还设有一与参考光纤环(5)集成的温度探头(6)，所述参考光纤环(5)的尾端通过设置在所述机壳(12)上的光纤端子(7)与外部的传感光纤(8)连接；

所述的波分复用器(2)上还依次连接有将拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光转换为对应模拟电信号的光电探测模块(9)、将模拟电信号转换为数字电信号的高速采集卡(10)及工控机板卡(11)，其中：

所述的波分复用器(2)有四个端口，所述脉冲激光源(1)的输出端连接波分复用器(2)的输入端，脉冲激光源(1)的光从波分复用器(2)的输入端到正向输出端穿过，反向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光被波分复用器(2)分离，分别从波分复用器(2)的两个反向输出端输出并传送至光电探测模块(9)，所述波分复用器(2)的正向输出端连接光开关(3)的主端，所述光开关(3)的支端连接放置于光纤盒(4)内部的参考光纤环(5)，光纤盒(4)上的温度探头(6)测量参考光纤环(5)的温度，参考光纤环(5)的尾端连接机壳(12)上的光纤端子(7)对外输出，外部的传感光纤(8)连接在光纤端子(7)上，利用光开关(3)将波分复用器(2)输出的激光最终送入传感光纤(8)，所述的光电探测模块(9)将拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光转换为对应的模拟电信号并输出给高速采集卡(10)，所述的高速采集卡(10)将模拟电信号转换为数字电信号，输出给工控机板卡(11)进行计算处理，从而解调出温度分布的曲线。

2.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器，其特征在于，所述的脉冲激光源(1)为直接调制半导体激光器或光纤激光器，并脉冲激光源(1)的中心波长为1550.12nm，脉冲宽度为10ns，峰值功率为15W，重复周期为152us。

3.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器，其特征在于，所述的参考光纤环(5)的长度为20-50m，绕制直径为8-15cm，传感光纤(8)长度为15km。

4.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器，其特征在于：绕制所述参考光纤环(5)的光纤类型与传感光纤(8)相同且均为单模光纤或是多模光纤。

5.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器，其特征在于：所述光纤盒(4)和机壳(12)的材料为金属材料：铝、铝合金、铜或不锈钢中的任意一种。

6.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器，其特征在于：所述的温度探头(6)为热电偶、铂电阻、热敏电阻、二极管或是专用测温芯片。

7.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器，其特征在于：所述的光纤端子(7)为FC、SC法兰盘或E2000端子中的一种。

8.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器，其特征在于：所述的光电探测模块(9)的电路带宽为100-150MHz，所述高速采集卡(10)的采集速度为500-503MS/s。

9.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感器，其特征在于：所述的高速采集卡(10)与工控机板卡(12)的接口为PCI接口或是USB接口。

10.用于消除权利要求1-9中任一权利要求所述的分布式光纤温度传感器非线性误差的方法，其特征在于：利用分段补偿损耗差异的方法消除拉曼斯托克斯及反斯托克斯光损耗差异带来的非线性误差，具体步骤如下：

(1)利用分布式温度传感器中所述的光电探测模块(9)探测斯托克斯光和反斯托克斯光的功率并记录下来，托克斯光和反斯托克斯光功率表达式如下：

Ps=P0·Ks·Sb·vs4·Rs(T)·e-(α0+αs)x---(1)]]>

Pas=P0·Kas·Sb·vas4·Ras(T)·e-(α0+αas)x---(2)]]>

其中，P_s、P_as分别表示斯托克斯光和反斯托克斯光功率，P₀为光源功率，K_s、K_as分别为斯托克斯光和反斯托克斯光的散射界面系数，S_b为光纤背向散射系数，v_s、v_as分别为斯托克斯光和反斯托克斯光的频率，α₀、α_s、α_as分别为光源、斯托克斯光和反斯托克斯光在光纤中传输的损耗系数，x为传感光纤中的位置；R_s(T)、R_as(T)是光纤的拉曼散射系数表达公式如下：

Rs(T)=11-e-h·Δvk·T---(3)]]>

Ras(T)=1eh·Δvk·T-1---(4)]]>

其中，h为普朗克常量，Δv为拉曼频移，k为玻尔兹曼常数，T为绝对温度；

(2)以斯托克斯光为参考光，将式(3)、式(4)分别对应带入式(1)、式(2)中并用步骤(1)中的式(2)除以式(1)，即得到关于温度分布的函数：

f(T,x)=Kas·vas4Ks·vs4·e-h·Δvk·T·e-(αas-αs)·x---(5)]]>

那么，参考光纤环所处位置的温度分布函数为：

f(Tref,xref)=Kas·vas4Ks·vs4·e-h·Δvk·Tref·e-(αas-αs)·xref---(6)]]>

由式(5)、式(6)解调出温度分布信息为：

1T=1Tref-kh·Δv[ln(f(T,x)f(Tref,xref))+(αas-αs)·(x-xref)]---(7);]]>

(3)将传感光纤分为N段，并计算每一段的损耗差异并加入式(7)中进行分段损耗差异补偿，具体如下：

步骤(2)的式(7)中(α_as-α_s)为反斯托克斯光和斯托克斯光的损耗差异令其为Δα，

传感光纤第1段(0到x₁)的损耗差异为Δα₁，第2段(x₁到x₂)的损耗差异为Δα₂，…，第N段(x_N-1到x_N)的损耗差异为Δα_N；计算传感光纤的第1段温度时，将式(7)加上一项进行损耗差异补偿；同理，计算传感光纤的第2段温度时，将式(7)加上一项计算传感光纤的第N段温度时，将式(7)加上一项

(4)对于步骤(3)中的计算公式进行运算整合，得到一条消除损耗差异影响的平直的传感光纤温度曲线如下：

1T=1Tref-kh·Δv·ln(f(T,x)f(Tref,xref))---(8).]]>