專利名稱：脈沖編碼自校正分布式光纖溫度傳感器及測溫裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光纖溫度傳感器，具體的說是一種結(jié)構(gòu)合理，且能夠有效提高測溫精度的脈沖編碼自校正分布式光纖溫度傳感器及測溫裝置和方法。
背景技術(shù)：
在分布式光纖傳感器中，利用光纖自發(fā)拉曼散射光強(qiáng)收溫度調(diào)制的原理和光時(shí)域反射原理組成的分布式光纖拉曼溫度傳感器，具有廣闊的應(yīng)用市場。它可以在線實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)現(xiàn)場的溫度及其變化的趨勢，設(shè)置報(bào)警溫度對(duì)現(xiàn)場溫度變化進(jìn)行監(jiān)測，是一種本質(zhì)安全型的線型感溫探測器，已成功應(yīng)用于石油石化、電力及港口等領(lǐng)域。
目前，大多采用斯托克斯與反斯托克斯的比值來解調(diào)溫度，但由于斯托克斯與反斯托克斯波長不同，測溫光纖的損耗不同，在解調(diào)時(shí)因彎曲等非線性損耗造成測溫誤差，降低了測溫精度，需要解決因波長損耗而引入的測溫誤差。雖然引入反射鏡的方案可以較好解決波長損耗差異，但因其自身原因?qū)е孪到y(tǒng)的信噪比下降，同樣降低了系統(tǒng)的測溫精度。
張?jiān)谛?011年提出《光纖拉曼頻移器雙波長脈沖編碼光源自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器》(中國專利CN201110226344. O )，采用主副兩套激光器來解決測溫的校正問題，但額外需要一套激光器、一路ADP監(jiān)測及放大通道。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中存在的缺點(diǎn)和不足，提出一種結(jié)構(gòu)合理、操作簡便，設(shè)備連接復(fù)雜度低，測溫精度高的脈沖編碼自校正分布式光纖溫度傳感器及測溫裝置和方法。
本發(fā)明可以通過以下措施達(dá)到一種脈沖編碼自校正分布式光纖溫度傳感器，包括濾波片、光電接收及放大模塊、數(shù)據(jù)采集卡，以及依次相連接的脈沖編碼驅(qū)動(dòng)器、脈沖激光器、放大器、光纖波分復(fù)用器、傳感光纖，其中光纖波分復(fù)用器的反射光信號(hào)輸出端與濾波片輸入端相連接，濾波片輸出端與光電接收及放大模塊相連接，光電接收及放大模塊的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端相連接， 其特征在于數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)還設(shè)有編碼生成模塊，編碼生成模塊的輸出端與脈沖編碼驅(qū)動(dòng)器的輸入端相連接，所述傳感光纖為單模光纖，單模光纖的始端與光纖波分復(fù)用器的com輸出端相連接，單模光纖的末端與反射鏡相連接。
本發(fā)明中所述脈沖激光器采用脈沖編碼半導(dǎo)體DFB激光器，中心波長為1550nm， 譜寬為O. Inm,功率為IOmW,所述放大器為摻館光纖放大器,其工作波長為1550± IOnm,輸入功率范圍l_15mW，輸出功率范圍為2-15W，所述光纖波分復(fù)用器設(shè)有com輸出端，1550nm 輸入端以及1450nm輸出端,其中摻鉺光纖放大器的輸出端與光纖波分復(fù)用器的1550nm輸入端相連接，光電接收及放大模塊與光纖波分復(fù)用器的1450nm輸出端相連接。
本發(fā)明中所述的反射鏡對(duì)1550nm及1450nm的光信號(hào)的反射率> 99%，反射鏡熔焊在傳感光纖的末端。
本發(fā)明中所述濾波片的中心波長1450nm，光譜帶寬為28nm，透過率98%，對(duì)1550nm光信號(hào)的隔離度>45dB。
本發(fā)明還提出一種脈沖編碼自校正分布式光纖測溫裝置，包括光纖溫度傳感器以及工控機(jī)，其特征在于所述的光纖溫度傳感器為上述脈沖編碼自校正分布式光纖拉曼溫度傳感器。
本發(fā)明還提出一種利上述脈沖編碼自校正分布式光纖測溫裝置測溫的方法，其特征在于數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)的編碼生成模塊生成格雷編碼，并將其送入脈沖編碼驅(qū)動(dòng)器，脈沖編碼半導(dǎo)體DFB激光器在脈沖編碼驅(qū)動(dòng)器的控制下重復(fù)輸出4組格雷編碼激光脈沖信號(hào)，該激光編碼脈沖信號(hào)經(jīng)摻鉺光纖放大器放大后輸出高功率的激光編碼脈沖，高功率的激光編碼脈沖信號(hào)通過光纖波分復(fù)用器進(jìn)入傳感光纖，并經(jīng)位于傳感光纖尾端的反射鏡反射后， 獲得反斯托克斯拉曼背向散射信號(hào)，反斯托克斯拉曼背向散射信號(hào)經(jīng)1450nm濾波片濾除后，由光電接收及放大模塊接收并進(jìn)行處理，然后由數(shù)據(jù)采集卡接收處理后的信號(hào)兵上傳至工控機(jī)，上傳至工控機(jī)的反斯托克斯信號(hào)經(jīng)解碼解調(diào)后，經(jīng)過溫度定標(biāo)，計(jì)算得出整條光纖上各段的溫度和溫度變化。
本發(fā)明提供的遠(yuǎn)程脈沖編碼自校正分布式光纖溫度傳感器，采用格雷編碼脈沖原理有效地提高了進(jìn)入傳感光纖的光子數(shù)，提高了系統(tǒng)的信噪比，使得當(dāng)傳感光纖的長度較長或同等光纖長度條件下，有效提高測量精度，降低測量時(shí)間，并基于反射鏡方案，采用一只反射鏡，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自校正功能，克服了由于波長不同導(dǎo)致的絕對(duì)溫度測量存在誤差的問題。


附圖I是本發(fā)明中光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖2是本發(fā)明中光纖測溫裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
附圖標(biāo)記脈沖編碼驅(qū)動(dòng)器I、脈沖激光器2、放大器3、光纖波分復(fù)用器4、反射鏡 5、濾波片6、光電接收及放大模塊7、數(shù)據(jù)采集卡8、工控機(jī)9、傳感光纖10。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
如附圖I所示，本發(fā)明提出的一種脈沖編碼自校正分布式光纖溫度傳感器，包括濾波片6、光電接收及放大模塊7、數(shù)據(jù)采集卡8，以及依次相連接的脈沖編碼驅(qū)動(dòng)器I、脈沖激光器2、放大器3、光纖波分復(fù)用器4、傳感光纖10，其中光纖波分復(fù)用器4的反射光信號(hào)輸出端與濾波片6輸入端相連接,濾波片6的輸出端與光電接收及放大模塊7相連接,光電接收及放大模塊7的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡8的輸入端相連接，其特征在于數(shù)據(jù)采集卡8內(nèi)還設(shè)有編碼生成模塊，編碼生成模塊的輸出端與脈沖編碼驅(qū)動(dòng)器I的輸入端相連接，所述傳感光纖10為單模光纖，單模光纖的始端與光纖波分復(fù)用器4的com輸出端相連接，單模光纖的末端與反射鏡5相連接。
本發(fā)明中所述脈沖激光器2采用脈沖編碼半導(dǎo)體DFB激光器，其中心波長為 1550nm,譜寬為O. Inm,功率為10mW，所述放大器3為摻餌光纖放大器，其工作波長為 1550± 10nm，輸入功率范圍l_15mW，輸出功率范圍為2-15W，所述光纖波分復(fù)用器4設(shè)有com 輸出端，1550nm輸入端以及1450nm輸出端,其中摻鉺光纖放大器3的輸出端與光纖波分復(fù)用器4的1550nm輸入端相連接,光電接收及放大模塊7與光纖波分復(fù)用器4的1450nm輸出端相連接。
本發(fā)明中所述的反射鏡5對(duì)1550nm及1450nm的光信號(hào)的反射率彡99%。
本發(fā)明中所述濾波片6的中心波長1450nm，光譜帶寬為28nm，透過率98%，對(duì) 1550nm光信號(hào)的隔離度>45dB。
本發(fā)明還提出一種脈沖編碼自校正分布式光纖測溫裝置，包括光纖溫度傳感器以及工控機(jī)11，其特征在于所述的光纖溫度傳感器為上述脈沖編碼自校正分布式光纖溫度傳感器，工控機(jī)11與數(shù)據(jù)采集卡8的輸出端相連接。
本發(fā)明還提出一種利上述脈沖編碼自校正分布式光纖測溫裝置測溫的方法，其特征在于數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)的編碼生成模塊生成格雷編碼，并將其送入脈沖編碼驅(qū)動(dòng)器，脈沖編碼半導(dǎo)體DFB激光器在脈沖編碼驅(qū)動(dòng)器的控制下重復(fù)輸出4組格雷編碼激光脈沖信號(hào)，該激光編碼脈沖信號(hào)經(jīng)摻鉺光纖放大器放大后輸出高功率的激光編碼脈沖，高功率的激光編碼脈沖信號(hào)通過光纖波分復(fù)用器進(jìn)入傳感光纖，并經(jīng)位于傳感光纖尾端的反射鏡反射后， 獲得反斯托克斯拉曼背向散射信號(hào)，反斯托克斯拉曼背向散射信號(hào)經(jīng)1450nm濾波片濾除后，由光電接收及放大模塊接收并進(jìn)行處理，然后由數(shù)據(jù)采集卡接收處理后的信號(hào)兵上傳至工控機(jī)，上傳至工控機(jī)的反斯托克斯信號(hào)經(jīng)解碼解調(diào)后，經(jīng)過溫度定標(biāo)，計(jì)算得出整條光纖上各段的溫度和溫度變化。
其中本發(fā)明所述傳感器的編碼脈沖是格雷編碼序列，即由“O”和“ I ”元素組成的 4組編碼序列，而每2組可以組成一個(gè)元素為“ I ”和“-I ”的格雷互補(bǔ)序列。格雷互補(bǔ)序列中的一個(gè)的自相關(guān)函數(shù)的峰值等于碼的個(gè)數(shù)(L)，旁瓣大約有峰值的10%左右，而當(dāng)兩組自相關(guān)函數(shù)相加后，峰值增加為原來的二倍(2L)而旁瓣可以完全對(duì)消掉，由格雷編碼原理推導(dǎo)可知，采用N位的格雷編碼序列可獲得的信噪比改善為
權(quán)利要求
1.一種脈沖編碼自校正分布式光纖溫度傳感器，包括濾波片、光電接收及放大模塊、數(shù)據(jù)采集卡，以及依次相連接的脈沖編碼驅(qū)動(dòng)器、脈沖激光器、放大器、光纖波分復(fù)用器、傳感光纖，其中光纖波分復(fù)用器的反射光信號(hào)輸出端與濾波片輸入端相連接，濾波片輸出端與光電接收及放大模塊相連接，光電接收及放大模塊的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端相連接，其特征在于數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)還設(shè)有編碼生成模塊，編碼生成模塊的輸出端與脈沖編碼驅(qū)動(dòng)器的輸入端相連接，所述傳感光纖為單模光纖，單模光纖的始端與光纖波分復(fù)用器的com輸出端相連接，單模光纖的末端與反射鏡相連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種脈沖編碼自校正分布式光纖溫度傳感器，其特征在于所述脈沖激光器采用脈沖編碼半導(dǎo)體DFB激光器，中心波長為1550nm，譜寬為O. lnm，功率為IOmW,所述放大器為摻館光纖放大器,其工作波長為1550± IOnm,輸入功率范圍l_15mW,輸出功率范圍為2-15W,所述光纖波分復(fù)用器設(shè)有com輸出端，1550nm輸入端以及1450nm輸出端，其中摻鉺光纖放大器的輸出端與光纖波分復(fù)用器的1550nm輸入端相連接，光電接收及放大模塊與光纖波分復(fù)用器的1450nm輸出端相連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種脈沖編碼自校正分布式光纖溫度傳感器，其特征在于所述反射鏡對(duì)1550nm及1450nm的光信號(hào)的反射率彡99%。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種脈沖編碼自校正分布式光纖溫度傳感器，其特征在于所述濾波片的中心波長1450nm，光譜帶寬為28nm，透過率98%，對(duì)1550nm光信號(hào)的隔離度>45dB。
5.一種脈沖編碼自校正分布式光纖測溫裝置，包括光纖溫度傳感器以及工控機(jī)，其特征在于所述的光纖溫度傳感器為權(quán)利要求4所述的脈沖編碼自校正分布式光纖溫度傳感器，其中數(shù)據(jù)采集卡的輸出端與工控機(jī)的輸入端相連接。
6.一種利用如權(quán)利要求5所述的脈沖編碼自校正分布式光纖測溫裝置測溫的方法，其特征在于數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)的編碼生成模塊生成格雷編碼并將其送入脈沖編碼驅(qū)動(dòng)器，脈沖編碼半導(dǎo)體DFB激光器在脈沖編碼驅(qū)動(dòng)器的控制下重復(fù)輸出4組格雷編碼激光脈沖信號(hào)，該激光編碼脈沖信號(hào)經(jīng)摻鉺光纖放大器放大后輸出高功率的激光編碼脈沖，高功率的激光編碼脈沖信號(hào)通過光纖波分復(fù)用器進(jìn)入傳感光纖，并經(jīng)位于傳感光纖尾端的反射鏡反射后，獲得反斯托克斯拉曼背向散射信號(hào)，反斯托克斯拉曼背向散射信號(hào)經(jīng)1450nm濾波片處理后，由光電接收及放大模塊接收濾波片輸出的信號(hào)并進(jìn)行處理，然后由數(shù)據(jù)采集卡接收處理后的信號(hào)并上傳至工控機(jī)，上傳至工控機(jī)的反斯托克斯信號(hào)經(jīng)解碼解調(diào)后，經(jīng)過溫度定標(biāo)，計(jì)算得出整條光纖上各段的溫度和溫度變化。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種利用如權(quán)利要求5所述的脈沖編碼自校正分布式光纖測溫裝置測溫的方法，其特征在于采用N位格雷編碼，N彡128。
8.根據(jù)權(quán)利要求7中所述的一種利用如權(quán)利要求5所述的脈沖編碼自校正分布式光纖測溫裝置測溫的方法，其特征在于數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)上傳至工控機(jī)后，工控機(jī)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行以下處理，以完成溫度的獲取傳感光纖中的背向散射反斯托克斯光在經(jīng)過反射鏡前后的信號(hào)強(qiáng)度分別由式(2)和式(3)來表示 II Ixi (I) = P0g(i,T) exp (-J ap {z)dz-J (z)dz) + C(2) οο
全文摘要
本發(fā)明涉及光纖溫度傳感器，具體的說是一種結(jié)構(gòu)合理，且能夠有效提高測溫精度的脈沖編碼自校正分布式光纖溫度傳感器及測溫裝置和方法，其特征在于數(shù)據(jù)采集卡內(nèi)還設(shè)有編碼生成模塊，編碼生成模塊的輸出端與脈沖編碼驅(qū)動(dòng)器的輸入端相連接，所述傳感光纖為單模光纖，單模光纖的始端與光纖波分復(fù)用器的com輸出端相連接，單模光纖的末端與反射鏡相連接，本發(fā)明提供的遠(yuǎn)程脈沖編碼自校正分布式光纖溫度傳感器，采用格雷編碼脈沖原理有效地提高了進(jìn)入傳感光纖的光子數(shù)，提高了系統(tǒng)的信噪比，使得當(dāng)傳感光纖的長度較長或同等光纖長度條件下，有效提高測量精度，降低測量時(shí)間，并基于反射鏡方案，采用一只反射鏡，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)的自校正功能，克服了由于波長不同導(dǎo)致的絕對(duì)溫度測量存在誤差的問題。
文檔編號(hào)G01K11/32GK102980683SQ20121047760
公開日2013年3月20日 申請(qǐng)日期2012年11月22日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月22日
發(fā)明者李德和, 史振國, 王永強(qiáng), 喬秋曉, 劉偉, 于娟 申請(qǐng)人:威海北洋電氣集團(tuán)股份有限公司