分布式光纤测温系统的实时校准

景 霞 刘爱莲 黄 俊 肖 范 赵振刚 李英娜 李 川

(昆明理工大学信息工程与自动化学院,昆明 650500)

分布式光纤测温系统的实时校准

景 霞 刘爱莲 黄 俊 肖 范 赵振刚 李英娜 李 川

(昆明理工大学信息工程与自动化学院,昆明 650500)

为消除温度标定系数变化而造成的测温误差，提出一种实时校准型分布式光纤测温系统。给出测温原理、系统结构和解调流程。测温实验结果表明：实时校准技术能够消除温度标定系数变化而引起的测量误差，保证系统温度解调的准确性，系统测温精度可达±0.05℃。

分布式光纤测温系统 实时校准 标定系数 解调

分布式光纤测温系统(Distributed Temperature Sensing,DTS)是一种利用自发拉曼散射效应进行测温，并利用光时域反射技术进行定位的温度传感器[1～3]。DTS可实现温度场的分布式测量，突破了传统温度传感器只能实现温度点测量的工作方式[4]，具有施工简单、精度高及定位准确等优点，适用于易燃易爆、强电磁干扰的环境[5,6]，因此被广泛应用于煤矿井火灾监测[7]、电力电缆温度在线监测[8]及油气输送管道泄漏检测[9]等场合。

对于分布式光纤温度传感器的校准，现有的方法大都通过提升硬件条件或改进解调算法来提高DTS测温精度。如张利勋等提出一种分布式光纤喇曼传感器的循环解调法[10]；李小箭采用将标准温度计与分布式光纤温度传感器对比的方法来进行校准[11]。但由于光电器件随时间逐步老化或受温度、恒温槽温度误差等因素影响将导致温度标定系数变化，进而造成系统测温误差。为此，笔者在原DTS的基础上，提出了一种结构简单且成本较低的实时校准型DTS，以提高系统测温精度。

1.1 DTS测温原理

分布式光纤测温的主要依据是后向拉曼散射效应[12]。拉曼光在光纤的散射过程中，会与光纤分子相互作用发生非弹性碰撞，进而产生Stokes光和Anti-Stokes光[13]。当光纤受到外部温度环境的调制后，光纤中散射的Stokes光和Anti-Stokes光的光强度将发生变化。Stokes光和Anti-Stokes光的光强度与温度有关。

Stokes光强度Is为：

(1)

Anti-Stokes光强度Ias为：

(2)

式中c——真空中的光速；

h——普朗克常量；

k——玻尔兹曼常量；

T——绝对温度；

λas——Anti-Stokes光波长；

λs——Stokes光波长；

Δγ——拉曼频移。

对比式(1)、(2)可知，Anti-Stokes光强较Stokes光强更易由较小温度引起变化，即Anti-Stokes光强能够更灵敏地检测出温度变化信息。

由式(2)除以式(1)可以得到Anti-Stokes光和Stokes光的光强之比，即：

(3)

将式(3)变换之后可得：

(4)

取定标温度，在某时刻t=t0，使光纤处于固定温度状态，此时T=T0，则根据式(4)有：

(5)

根据式(4)、(5)可得：

(6)

由式(6)可以看出，Anti-Stokes光强度和Stokes光强度的比值与光纤温度有关，在DTS定标后，只要测出Anti-Stokes光强度和Stokes光强度，就能确定DTS中光纤各点的温度值，从而确定温度场的分布情况，实现测温功能。

1.2实时校准型DTS

事实上，由于光电器件随时间逐步老化或受温度、恒温槽温度误差等因素的影响，会导致DTS温度标定系数变化，从而造成测量误差。如果不采取必要的措施，DTS将难以满足工业环境长期在线高精度的测温要求。为此，笔者提出了一种实时校准型DTS，其结构如图1所示。

图1 实时校准型DTS结构示意图

该系统的工作原理为：在同步脉冲的触发下，脉冲光源通过WDM波分复用器中的耦合器将激光脉冲耦合进传感光纤中，脉冲光在光纤中传输时与介质分子相互作用产生自发拉曼散射光，自发拉曼散射光经WDM波分复用器中的薄膜干涉滤光片滤出Stokes光和Anti-Stokes光，并输入到双通道APD光电探测器模块中进行光电转换和电压放大；然后由高速数据采集模块以一定的采样率对信号进行采集(不同的采样时间对应着不同的光纤长度)；油槽四周贴有散热片，使油槽内形成均匀的温度场，采用高精度Pt1000A实时读取油槽内的温度，并与数据采集卡里存储的信息一起传递给计算机中的温度解调模块进行解调处理，最终由数据显示模块显示出温度测量曲线。

1.3信号解调原理

光电器件随时间逐步老化或受温度、恒温槽温度误差等因素的影响，会导致式(6)中的温度标定系数发生变化，而传统的解调过程却并未考虑标定系数发生变化的情况，从而造成测量误差。因此，在本系统解调中，通过实时读取校准油槽中的温度信息，并代入解调公式进行解调，以达到实时校准标定系数的目的。具体解调流程如图2所示。

图2 信号解调流程

2 测温实验与结果分析

实验采用实时校准型DTS测试传感光纤沿线温度，测试系统由恒温恒湿机、DTS与PC机组成。将传感光纤放入恒温恒湿机中，并将DTS通过USB连接线与上位机软件连接，控制恒温恒湿机的温度。当恒温恒湿机的温度发生变化时，Anti-Stokes光和Stokes光的光强度将会发生变化，根据Anti-Stokes光和Stokes光的光强度比与校准油槽解调出来的标定系数，通过上位机软件解调出传感光纤沿线的温度信息。

恒温恒湿机的温度在0～100℃范围内，每隔10℃设置一个检测点，将上位机解调的温度与恒温恒湿机的温度进行对比，实验数据见表1。由表1可以看出，实时校准型DTS测温精度可达±0.05℃。

表1 测温实验数据 ℃

3 结束语

笔者提出了一种分布式光纤测温系统的实时校准方法，通过读取校准油槽中的温度信息，并实时与实际解调温度进行对比，修正标定系数，进行温度校准，极大地降低了分布式光纤测温系统的测量误差。实验结果表明，该实时校准技术能够保证系统温度解调的准确性，测温精度可达±0.05℃。同时，分布式光纤测温系统取消了恒温槽与控制板，因此也降低了系统成本。

[1] 李川.光纤传感器技术[M].北京:科学出版社,2012.

[2] Lees G P,Wait P C,Cole M J,et al.Advances in Optical Fiber Distributed Temperature Sensing Using the Landau-Placzek Ratio[J].IEEE Photonics Technology Letters,1998,10(1):126～128.

[3] Zhang Z,Wang J,Li Y,et al.Recent Progress in Distributed Optical Fiber Raman Photon Sensors at China Jiliang University[J].Photonic Sensors,2012,2(2):127～147.

[4] 张在宣,刘天夫,张步新,等.激光拉曼型分布光纤温度传感器系统[J].光学学报,1995,15(11):1585～1589.

[5] 王伟杰.基于拉曼散射的分布式光纤测温系统设计及优化[D].济南:山东大学,2013.

[6] Bao X Y,Chen L.Recent Progress in Brillouin Scattering Based Fiber Sensors[J].Sensors,2011,11(4):4152～4187.

[7] 赫庭玉.分布式光纤测温系统在塔山煤矿的应用[J].中国煤炭,2015,41(9):78～80.

[8] 王伟.分布式光纤测温系统在电厂电缆热故障中的开发和应用[D].北京:华北电力大学,2013.

[9] 刘冰,王洁,吴健宏,等.分布式光纤测温系统在LNG储罐泄漏和冷却温度监测中的应用[J].化工自动化及仪表,2014,41(12): 1445～1448.

[10] 张利勋,欧中华,刘永智,等.分布式光纤喇曼温度传感器的循环解调法[J].光子学报,2005,34(8):1176～1178.

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[12] Hausner M B,Francisco S,Glander K E,et al.Calibrating Single-ended Fiber-optic Raman Spectra Distributed Temperature Sensing Data[J].Sensors,2010,11(11):10859～10879.

[13] 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[J].水电厂自动化,2012,33(1):43～46.

Real-timeCalibrationofDistributedTemperatureSensingSystem

JING Xia, LIU Ai-lian, HUANG Jun, XIAO Fan, ZHAO Zhen-gang, LI Ying-na, LI Chuan

(FacultyofInformationEngineeringandAutomation,KunmingUniversityofScience&Technology,Kunming650500,China)

In order to eradicate the optoelectronic device’s measurement error caused by the variation of temperature calibration coefficient, the temperature sensing system’s working principle and structure and demodulation process were presented. The experimental results show that the real-time calibration technology can eradicate the above-said measurement error and can ensure the accuracy in temperature demodulation. The sensing system’s accuracy can reach ±0.05℃.

distributed fiber temperature measurement system, real-rime calibration, calibration coefficient,demodulation

TH811

A

1000-3932(2016)06-0596-03

2015-11-19基金项目：国家自然科学基金项目(51567013)；中国博士后科学基金面上项目(一等资助)(2014M552552XB)；昆明理工大学人才培养基金项目(KKSY201303044)