[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

说明书

技术领域

本发明公开了一种光纤温度传感器及其消除该传感器非线性误差的方法，具体涉及一种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，属于光纤传感领域。

背景技术

自1985年J.P.Dakin等人首次成功实现了基于拉曼散射的分布式测温技术以来，人们对实现分布式光纤温度传感的各种技术开展了广泛研究，其中基于拉曼散射的分布式传感技术得到了最为广泛的实际应用。与传统的传感器相比，分布式光纤温度传感器具有诸多卓越的优势：以光纤本身作为传感媒介，一次测量就可以得到沿光纤分布的数千点温度信息，实现了连续分布式测量，降低了测量不确定度；测量距离远，测量时间短，适合远程实时监控；灵敏度高，测量精度高，误报率、漏报率低；耐腐蚀、耐水、耐火、电磁干扰免疫，可靠性高，维护成本低。

基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器的基本原理是：在传感光纤的一端注入激光脉冲，当激光脉冲在光纤中传播时由于纤芯分子的热振动与光子相互作用而发生能量交换，产生了拉曼散射。具体的说，当光子的一部分能量传递给分子的热振动时，那么将发出波长比原来激光波长长的光子，称为拉曼斯托克斯(Raman Stokes)光；当分子热振动的一部分能量传递给光子时，那么将发出波长比原来激光波长短的光子，称为拉曼反斯托克斯(Raman Anti-Stokes)光。其中，拉曼反斯托克斯光对温度很敏感，而拉曼斯托克斯光对温度不敏感，所以人们通常用拉曼反斯托克斯光来解调出温度信息；并且，为了消除光源功率波动的影响，通常采用拉曼斯托克斯光作为参考光。拉曼散射技术结合光时域反射技术(OTDR，Optical Time Domain Reflectometer)，就能够定位温度信息，从而实现了分布式光纤温度传感。通常称这种传感技术为Raman-DTS(Raman Distributed Temperature Sensing)。

中国发明专利(公开号：CN101696896A)公开了一种分布式光纤温度传感系统的光电装置，如附图2所示，包括激光器21、光纤Raman-WDM耦合器22、第一光接收模块31、第二光接收模块41、第一放大匹配电路32、第二放大匹配电路42、参考光纤环26、传感光纤。激光器能够产生给采集卡的同步信号27，32输出反斯托克斯光转换的电信号，42输出斯托克斯光转换的电信号。这是一种典型的Raman-DTS方案。

众所周知，光纤的损耗大小与光波长相关，由于拉曼反斯托克斯光和拉曼斯托克斯光的波长相差很大(例如在1550nm光源的Raman-DTS系统中，两者波长相差约200nm)，所以两者在光纤中传输损耗也不同。并且，在实际应用中，传感光纤的回路有的时候是由若干段光纤熔接而成的，每段光纤的损耗也可能各不相同。尤其是，随着测量距离增加，损耗差异对系统测量精度的影响更大。解调温度时，如果不考虑这些损耗的影响，就会造成系统的非线性误差，解调得到的温度曲线是扭曲的，系统将不能正常工作，研发一种分布式光纤温度传感器及能消除该传感器非线性误差的方法成为本领域技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对以上现有技术存在的缺点，提出一种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，该分布式光纤温度传感器成本低，结构简单，信噪比好，工作时稳定性好，可靠且温度分辨率高；利用分段补偿损耗差异的方法消除斯托克斯及反斯托克斯光损耗差异带来的非线性误差从而消除分布式光纤温度传感器非线性误差的方法，能够使得Raman-DTS系统解调出来的温度曲线与实际情况相符，从而提高了系统的测温精度和可靠性。

本发明解决以上技术问题的技术方案是：

一种分布式光纤温度传感器，主要包括机壳及设置在机壳内并顺次连接的脉冲激光源、波分复用器及光开关，光开关上还连接一光纤盒，光纤盒内设有参考光纤环，光纤盒上还设有一与参考光纤环集成的温度探头，参考光纤环的尾端通过设置在所述机壳上的光纤端子与外部的传感光纤连接；

波分复用器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、将模拟电信号转换为数字电信号的高速采集卡及工控机板卡，其中：