一种分布式光纤温度传感器的校准方法

张小丽 陈 乐 孙 坚 郑坚璐

(中国计量学院机电工程学院，浙江 杭州 310018)

0 引言

分布式光纤温度传感器在民用、军工、科技应用等领域有着独特的优点［1－2］，它在航空航天、远程控制、化学、生物化学、医疗、安全保险、电力工业等特殊环境下拥有广阔的应用前景［3－4］。现有的研究方法大多采用提升硬件条件和改进解调算法来提高分布式光纤温度传感器的测温精度［5－7］。目前，分布式光纤温度传感器在计量方面还没有相关的校准规程和标准。本文在原有分布式光纤温度传感器的基础上，对分布式光纤温度传感器的实际测温误差进行温度校准，使分布式光纤温度传感器达到温度计量标准，具有十分深远的理论和现实意义。

1 理论基础

分布式光纤温度传感器在硬件上由传感光纤、终端机和计算机三部分组成，在功能上由激光光源、传感光纤和检测单元组成。终端机是系统的核心组成部分，包括光源、耦合器、波分复用器和光电探测器，其主要功能是实现信号的发射、接收、滤波、放大和信息处理，以及数据分析和输出。计算机可以实现系统的控制、信号处理、显示储存以及外部其他扩展功能。

在分布式光纤温度传感器中，前端检测光纤既是传输媒体又是传感媒体［8］。分布式光纤温度传感器是基于拉曼散射效应和光时域反射技术实现温度分布式测量的传感器。拉曼散射效应即光纤所处空间各点的温度场调制光纤中反斯托克斯背向拉曼散射光的强度，由波分复用器和光电检测器采集带有温度信息的背向拉曼散射光电信号，再经信号处理器将温度信息实时地从噪声中提取出来并显示在计算机上。因此，分布式光纤温度传感器是一种典型的光纤温度通信网络。光时域反射技术是利用光在光纤中的传播速度和背向光回波的时间间隔，对所测温度点定位并显示定位温度，体现分布式的特点。

光在光纤中传播，由光信号转化为计算机能采集到的电信号需要3个过程:激光源注入激光脉冲(传播过程)、光电探测器响应(接收过程)和处理器转换(采集过程)。由于光在光纤中传播的速度比硬件电路响应信号的速度快得多，当硬件电路响应到光纤上A点的信号时，实际A点位置的光信号已经传播到达B点，因此，需要一定的光纤长度实现对一个温度点的准确测量。在光学领域中，这段光纤长度L(即为A到B的距离，如图1所示)被定义为空间分辨率［9］。空间分辨率越小越好，但受到技术水平和成本的限制，分布式光纤温度传感器存在空间分辨率的问题。实际应用中，前端检测光纤环长度至少要等于空间分辨率，且这一段光纤环所测温度点相当于一般温度计量器具所测的一个温度点。理论上，分布式光纤温度传感器可测得光纤长度上每个点的温度值，体现其分布式优势。但实际上根据分布式光纤温度传感器的理论原理和构成，分布式光纤温度传感器是很难实现真正意义上每个温度点的测量。

光纤分辨率的产生过程如图1所示。

图1 空间分辨率的产生过程Fig.1 The generation procedures of spatial resolution

2 试验设计

在0～100℃的温度范围内，选取3 m(空间分辨率)光纤环进行测温试验，验证分布式光纤温度传感器的测温误差是否满足测温精度(±1 K)，从而对分布式光纤温度传感器进行温度校准。所需试验设备包括恒温水槽、二等标准铂电阻温度计、数字万用表和分布式光纤温度传感器。

前端检测光纤以自然半径盘绕成环状(简称光纤环)作为分布式光纤温度传感器的温度探头。根据温度解调算法，将光纤环测得温度最大值作为该光纤环的温度测量值。试验光纤环位置和长度的对应关系如表1所示。表1中，光纤位置为光纤环测得温度最大值的位置点，光纤环长度为以光纤位置为中心所量取的长度。

表1 位置和长度的对应关系Tab.1 Relationship between position and length

在分布式光纤温度传感器校准试验中，恒温水槽提供恒温环境，二等标准铂电阻温度计所测的温度数据作为标准温度［10］。二等标准铂电阻温度计采用四线电阻制连接安捷伦34401A数字万用表，以获取铂电阻阻值，再利用RS-232串口连接计算机与数字万用表进行通信，最后利用LabVIEW软件转换得到所测恒温环境的标准温度值［11］。当计算机软件平台指示恒温水槽达到稳定状态时，开始校准试验。在校准试验中，将所需长度的光纤环与标准器放置在同一环境下，并保持分布式光纤温度传感器和二等标准铂电阻温度计的同步采集。该方法具有一定的可比性和准确性。

2.1 3m光纤环校准试验设计

3 m光纤环校准试验的目的是对3 m光纤环以校准6个温度点为基准，分析0～100℃范围内所测温度误差情况。

首先开启恒温水槽控温，选取0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100(单位:℃)作为试验温度点，然后量取3 m光纤环放入恒温水槽中。试验时分别选取0、30、40、70、80、100(单位:℃)为基准点进行 6 组试验，每组试验通过校准一个温度点为基准，实现对试验温度点的测量误差研究。

2.2 5m光纤环校准试验设计

5 m光纤环校准试验的目的是对5 m光纤环以校准2个温度点为基准，分析0～100℃范围内所测温度误差情况。同时，量取2、3、4、5(单位:m)光纤环作为同步试验研究对象，分析不同长度光纤环对于所测温度误差情况的空间分辨率问题。

首先开启恒温水槽控温，选取0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100(单位:℃)作为试验温度点，然后量取2、3、4、5(单位:m)光纤环放入恒温水槽中。试验时分别选取50、80(单位:℃)为基准点进行2组试验，每组试验通过校准一个温度点为基准，实现对试验温度点的试验测温误差研究。

2.3 光纤位置的影响试验设计

光纤位置的影响试验的目的是对3、4、5(单位:m)光纤环和对应的光纤位置(见表1)产生的测温误差进行研究，解决不同光纤环长度和对应的光纤位置对测温精度的影响问题。

首先开启恒温水槽控温，选取50℃作为试验温度点，然后在整段光纤上分别取5个不同位置作为研究对象，分别为 101、551、911、1431、1907(单位:m)，并分别量取3、4、5(单位:m)光纤环进行3组试验。以上述5个位置点为中心分别选取3、4、5(单位:m)光纤环，再对50℃试验温度点进行3组测温试验。

3 试验分析及结论

为了消除随机误差，将所得的大量随机数据取平均值进行比较分析。误差均值是分布式光纤温度传感器的温度均值与标准温度均值之间的差值，将误差均值作为试验数据结果，可由Matlab软件计算得到。由于数据的随机性，校准点的误差均值足够小但很难保证为零。

3.1 3m光纤环校准试验分析

根据3 m光纤环校准试验的数据结果，计算出误差均值如表2所示。其中，S表示标准温度均值;T1表示未校准时分布式光纤温度传感器的绝对误差均值;T2～ T7分别表示以 30、40、70、80、100、0(单位:℃)基准点校准后，分布式光纤温度传感器的绝对误差均值。由T2～T7可知，校准后分布式光纤温度传感器在校准基准点处的绝对误差均值足够小;而由T1可知，在校准基准点处，未校准时的绝对误差均值较大。

表2 校准后温度绝对误差表Tab.2 Absolute temperature error after calibration

由表2数据可知，分布式光纤温度传感器在各个温度点所测的误差随着温度的升高而升高，且误差较大;针对不同的校准点，本试验校准方法可改善分布式光纤温度传感器的测温误差。观察纵向数据可以发现，绝对误差均值是随着测温点与校准基准点差值增大而增大。因此，每个校准基准点只能保证在小范围内满足系统测温精度。

在测量大于 60℃的温度点时，以 0、70、80、100(单位:℃)为校准基准点比以30、40(单位:℃)为校准基准点的测量温度点绝对误差均值要小得多。因此，以 0、70、80、100(单位:℃)为校准基准点，可有效减小测量温度点的绝对误差均值，且明显降低50～100℃温度段的绝对误差均值，并使误差保证在2 K范围内。

试验表明，分布式光纤温度传感器需要根据实际测温点选取校准基准点进行温度测量。对于定点测温，其测温准确度满足精度要求，但如果需要测量较大范围的温度，就需要考虑校准基准点的选取和误差的分布情况。

3.2 5m光纤环校准试验分析

根据5 m光纤环校准试验的数据结果，计算出误差均值如图2所示。

图2 温度误差图Fig.2 Temperature error chart

由图2可知，选取一个校准基准点时，校准5 m光纤环效果明显比校准3 m光纤环要好，可大大提高满足系统精度要求的温度范围。在0～100℃温度范围内，本试验选取两个校准基准点，50℃校准基准点保证低温段的绝对误差在1 K内，满足精度要求;80℃校准点保证高温段的绝对误差在1 K内，满足精度要求。这样可大大减少测温误差，从而提高校准的试验效率。

图2中，由2 m光纤环的误差均值明显不在±1 K以内，验证了当光纤环长度小于空间分辨率3 m时，测温误差达不到分布式光纤温度传感器的测温精度的结论。对于3、4、5(单位:m)光纤环(检测光纤长度≥空间分辨率)的误差均值结果，它们的温度误差分布趋势是一致的，主要误差来源于系统硬件电路的随机性和各个干扰因素。

3.3 光纤位置的影响试验分析

根据光纤位置影响试验的数据结果，计算出误差均值如表3所示。

表3 温度绝对误差数据表Tab.3 Temperature absolute error data

由表3可知，针对相同长度光纤环的不同位置，随着光纤位置距离光源越远，分布式光纤温度传感器的绝对误差越大。其根本原因是光在光纤中传播时光强会一直衰减，携带温度信息的光强本身较弱，当光传播到光纤末端时，该信号光强会完全淹没在噪声中而无法解调出来。针对相同位置不同长度的光纤环，也存在不同的误差，且5 m光纤环比3 m、4 m光纤环的测温误差小，验证了分析结果的正确性。

3.4 试验结论

本试验测量数据是分布式光纤温度传感器长时间运行所测的结果，由此可知，分布式光纤温度传感器的测温稳定性好。根据上述试验，分布式光纤温度传感器在各个温度点的误差都不同，测温点距离校准基准点越远，其误差越大。因此，选取不同的校准基准点对于3 m光纤环可实现小范围满足精度要求;而对于5 m光纤环，选取两个校准基准点可使得在0～100℃温度范围内，分布式光纤温度传感器的测温误差满足精度要求。实际中测量更大的温度范围时，可根据具体测温点来选取几个或多个校准基准点，实现校准过程。

研究表明，影响分布式光纤温度传感器测温准确性的因素包括校准基准点、光纤环长度和光纤位置的选取。考虑这三个因素，通过上述校准方法可提高分布式光纤温度传感器测温准确性。

4 结束语

分布式光纤温度传感器应用于定点预警报警领域无疑是稳定的［12］，且测量特定温度点的准确性较好，但其更多地应用于测量温度范围较大的变化温度场。由于分布式光纤温度传感器的测温误差会随着温度的变化而变化，无法保证测量的准确性，因此，通过校准试验方法提高分布式光纤温度传感器的测温准确性，具有一定的研究价值和现实意义。

本文提出一种提高分布式光纤温度传感器测温准确性的校准方法，根据分布式光纤温度传感器的测温范围选取合适的温度校准基准点、光纤环长度和光纤位置，可大大降低分布式光纤温度传感器的测量误差，且在更大温度范围内也能够满足精度要求。本文对0～100℃内的温度点进行的研究，为将来其他温度范围的校准奠定了基础。但由于测温范围较小，试验结果具有一定的局限性，需要进一步的试验和研究。

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