一种拉曼测温仪的制作方法

本实用新型涉及矿井采空区煤自燃在线监测分布式光纤拉曼测温系统中的新型装置，具体是一种拉曼测温仪。

背景技术：

以电信号为工作基础的传统测温方式在某些特殊工业环境如易燃易爆、高电压、大电流、强电流场干扰等环境下显得无能为力。以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术——光纤传感技术随之应运而生。分布式光纤传感器是近十多年来迅速发展的一种新型传感器，由于它不仅具有光纤传感器的非导电性、体积小、抗电磁干扰强等优点，而且能实现对一维连续空间作多点测量，因而能对许多大型设备或物体(如发电机组、智能大厦等)进行实时多点监测。

在分布式光纤拉曼测温系统中，目前常用的温度解调方法是利用stokes后向散射光作为参考通道，利用anti-stokes后向散射光作为信号通道，然后利用这两种后向散射光的光强比值来解调光纤沿线的温度信息。然而实践表明，现有温度解调方法由于自身原理所限，存在如下问题：其一，温度变化量对拉曼比值的改变量非常小，从激光器启动运作到长期工作的情况下，激光器的功率必然发生波动，如果使用以往的定标方式会导致两个相差很大的温度对应的拉曼比值一样，这对温度的解调和精度都有很大的影响，特别是在长距离测温的前提下。其二，在利用动态定标装置解决上述问题的前提下，其他装置的波动也对系统的稳定性造成了一定的影响，从而影响了拉曼比值，导致测温漂移大。

基于此，受拉曼测温仪体积大小的影响，有必要提供一种合适体积的动态定标模块装置，来避免分布式光纤拉曼测温系统中脉冲激光器的功率波动、开关电源功率波动以及外界环境波动导致系统的测温漂移大的问题。

技术实现要素：

为了防止分布式光纤拉曼测温系统中脉冲激光器的功率波动、开关电源功率波动以及外界环境波动导致系统的测温漂移大的问题，本实用新型的目的在于提出了一种拉曼测温仪。

为实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案实现：

一种拉曼测温仪，包括脉冲激光器、wdm、第一apd、第二apd、第一lna、第二lna、数据采集卡、计算机、第一传感光纤以及动态定标模块装置；

脉冲激光器的输出端与wdm的输入端连接；wdm两个输出端分别与第一apd与第二apd的输入端连接；第一apd的输出端与第一lna的输入端连接；第二apd的输出端与第二lna的输入端连接；第一lna和第二lna的输出端均与数据采集卡的输入端连接；数据采集卡的输出端与计算机的输入端连接；

wdm的公共端与动态定标模块装置上缠绕的传感光纤的输入端相连，动态定标模块装置上缠绕的传感光纤的输出端与第一传感光纤的输入端相连，第一传感光纤的输出端连接有多模光纤反射镜。

本实用新型进一步的改进在于，动态定标模块装置包括结构相同第一加热模块与第二加热模块，第一加热模块包括第一圆柱形铝块，第二加热模块包括和第二圆柱形铝块，第一圆柱形铝块的侧壁开设有第一环形凹槽，用于缠绕传感光纤；第二圆柱形铝块的侧壁开设有第二环形凹槽，用来缠绕传感光纤；wdm的公共端与第一加热模块上缠绕的传感光纤的输入端相连，第一加热模块上缠绕的传感光纤的输出端与第二加热模块上缠绕的传感光纤的输入端相连，第二加热模块上缠绕的传感光纤的输出端与第一传感光纤的输入端相连，第一传感光纤的输出端连接有多模光纤反射镜。

本实用新型进一步的改进在于，第一圆柱形铝块的顶面开设有第一凹槽，第一凹槽设置有第一ptc加热块；第二圆柱形铝块的顶面开设有第二凹槽，第二凹槽设置有第二ptc加热块。

本实用新型进一步的改进在于，第一圆柱形铝块的顶面还开设有第三凹槽；第三凹槽内设置有第一热电偶；第二圆柱形铝块的顶面还开设有第四凹槽；第四凹槽内设置有第二热电偶。

本实用新型进一步的改进在于，第一加热模块上安装有第一温控器；第二加热模块上安装有第二温控器。

与现有分布式光纤传感系统相比，本实用新型具有如下有益效果：从自身来讲，动态定标模块装置的体积小，价格便宜；从整套设备作用来讲，动态定标模块装置避免了由脉冲激光器在长期使用中功率波动、外界环境变化以及开关电源功率波动的问题。动态温度定标装置以其体积小、精度高、加热均匀、稳定等性能，所以容易安装在本实用新型的动态温度定标自校准装置中，并且提高了温度定标的精度，对后续的温度解调提供的直线拟合方法提供了保障，还能够有效避免分布式光纤拉曼测温系统中脉冲激光器的功率波动、开关电源功率波动以及外界环境波动导致系统的测温漂移大的问题。

进一步的，在设定好的圆柱形铝块上缠绕一定长度的光纤利用恒温ptc加热模块对其加热，并用热电偶和智能温控器对其温度进行控制，动态温度定标装置具有其体积小、精度高、加热均匀、稳定等优点。

本实用新型通过采用动态温度解调算法，实时的动态的解调每次记录的拉曼比值，将拉曼比值曲线放平，减小了随着距离的增加，脉冲激光器发出的光信号衰减对解调温度的影响。本实用新型设计合理，有效解决了现有分布式光纤拉曼测温系统中的由脉冲激光器在长期使用中功率波动、外界环境变化以及开关电源功率波动对温度解调精度低、漂移大的问题以及减小了随着距离的增加，脉冲激光器发出的光信号衰减对解调温度的影响。

附图说明

图1为本实用新型提供的动态温度定标装置的第一加热模块的结构示意图。

图2为本实用新型提供的分布式光纤拉曼测温系统的动态温度定标自校准装置的结构示意图。

图3为本实用新型在使用动态定标之前的25度到100度拉曼比值与温度的曲线示意图。

图4为本实用新型在使用动态定标后但未做直线拟合的光强量化值比值与距离的曲线示意图。

图5为本实用新型在使用动态定标并且做完直线拟合后的光强量化值比值与距离的曲线示意图。

其中，1为脉冲激光器；2为wdm；3为第一加热模块；4为第二加热模块；5为第一温控器；6为第二温控器；7为第一apd；8为第二apd；9为第一lna；10为第二lna；11为采集卡；12为计算机；13为第一传感光纤，14为第一环形凹槽，15为第一凹槽，16为第一导线孔，17为第二凹槽，18为第二导线孔。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细说明。

参见图2，本实用新型提供的一种拉曼测温仪，包括脉冲激光器1、wdm2、第一apd7、第二apd8、第一lna9、第二lna10、数据采集卡11、计算机12、第一传感光纤13以及合适体积的动态定标模块装置，其中，参见图1，合适体积的动态定标模块装置包括结构相同第一加热模块3与第二加热模块4，第一加热模块3包括第一圆柱形铝块，第二加热模块4包括和第二圆柱形铝块，参见图1，第一圆柱形铝块为一个直径为62mm、高度为19mm的圆柱形铝块，在圆柱形铝块的外壁上(在距离底面1mm，顶面8mm)挖去高10mm，厚1mm的第一环形凹槽14，形成一个内嵌区域用来缠绕一定长度的传感光纤，以防止光纤脱落；在圆柱形铝块的顶面挖去一个31mm*31mm*7mm长方体状第一凹槽15和两个孔直径为5mm的第一导线孔16，长方体状第一凹槽15用来放置第一ptc加热块；再在圆柱形铝块的顶面挖去一个40mm*4mm*7mm长方体状第二凹槽17和一个孔直径为5mm的第二导线孔18，长方体状第二凹槽用来放置第一热电偶。第二圆柱形铝块为一个直径为62mm、高度为19mm的圆柱形铝块，在圆柱的外壁上(在距离底面1mm，顶面8mm)挖去高10mm，厚1mm的第二环形凹槽，形成一个内嵌区域用来缠绕一定长度的传感光纤，以防止光纤脱落；在圆柱形铝块的顶面挖去一个31mm*31mm*7mm长方体状第三凹槽和两个孔直径为5mm的导线孔，用来放置第二ptc加热块；再在圆柱形铝块的顶部挖去一个40mm*4mm*7mm长方体状第四凹槽和一个孔直径为5mm的导线孔，长方体状第四凹槽用来放置第二热电偶。

有了上述合适体积的动态定标模块装置后，搭建分布式光纤拉曼测温系统，即构建动态温度定标自校准装置。

参见图2，本实用新型的基于分布式光纤拉曼测温系统的动态温度定标自校准装置包括(1550nm)脉冲激光器1、wdm2、两个加热模块(两个加热模块分别为第一加热模块3与第二加热模块4，两个ptc加热模块、两个热电偶、缠绕一定同种多模的光纤)、两个温控器、两个apd、两个lna、计算机、多模传感光纤以及多模光纤反射镜。

具体的，脉冲激光器1的输出端与wdm2的输入端连接；wdm2两个输出端分别与第一apd7与第二apd8的输入端连接；第一apd7的输出端与第一lna9的输入端连接；第二apd8的输出端与第二lna10的输入端连接；第一lna9和第二lna10的输出端均与数据采集卡11的输入端连接；数据采集卡11的输出端与计算机12的输入端连接；

wdm2的公共端与第一加热模块3上缠绕的传感光纤的输入端连接，第一加热模块3上缠绕的传感光纤的输出端与第二加热模块4上缠绕的传感光纤的输入端相连，第二加热模块4上传感光纤的输出端与多模第一传感光纤13的输入端相连。多模第一传感光纤13的输出端连接有多模光纤反射镜；第一加热模块3上的第一热电偶与第一温控器5连接；第二加热模块4上的第二热电偶与第二温控器6连接。

本实用新型的基于上述装置的温度定标自校准方法，包括以下步骤：

1)制作如图1所示的合适体积的动态定标模块装置；

2)搭建如图2所示的基于光纤拉曼测温系统的动态温度定标自校准装置

3)获取背向stokes光强和anti-stokes光强的数据值。

在打开分布式光纤拉曼测温仪之前，将第一温控器5的温度值设定为t1，将第二温控器的温度值设定为t2，然后启动拉曼测温仪，数据采集卡11向脉冲激光器1发出周期信号，接收到周期信号的脉冲激光器1发出的具有一定周期的脉冲光，激光脉冲经过wdm2入射到第一加热模块3上缠绕的传感光纤和第二加热模块4上缠绕的传感光纤后进入多模第一传感光纤13。激光脉冲在多模第一传感光纤13中传播时发生自发拉曼散射。这个时候多模第一传感光纤13中任何位置都存在这向各个方向散射的stokes光和anti-stokes光，背向散射的stokes光和anti-stokes光就是需要的有用光信号。

背向散射的stokes光经wdm2、第一apd7、第一lna9入射到数据采集卡11，数据采集卡11对stokes光进行模数转换；

背向散射的anti-stokes光经wdm2、第二apd8、第二lna10入射到数据采集卡11，数据采集卡11对anti-stokes光进行模数转换；

最后(累加平均次数设置为60000及以上)数据采集卡11将模数转换后的电信号进行采集，然后传送给计算机12存储和处理。计算机12进行处理的具体过程如下：

根据大量实验结果表明，传感光纤上某一点的温度与该点anti-stokes光和stokes光的光强的量化值ratio呈一定的线性关系，即：

t＝k*ratio+b(1)

第一加热模块3和第二加热模块4上缠绕的光纤长度均为s米，将此时第一加热模块3上缠绕的传感光纤和第二加热模块4上缠绕的传感光纤上的s个点的anti-stokes光和stokes光的光强的量化值ratio，通过计算机12分别记入在arr1[s]和arr2[s]两个数组中；将采集的值代入公式(1)有：

其中，t1为第一温控器5设定的固定温度值，t2为第二温控器6设定的固定温度值，由公式(4)和公式(5)得出斜率k和偏置b：

第一传感光纤13的长度为l米，将此时l个点的anti-stokes光和stokes光的光强的量化值ratio通过计算机12记入在数组arr3[l]中，根据arr3[l]中的值动态拟合出来的拟合直线的斜率k1和b1分别是：

其中，系数为一常数，系数为一常数，系数为一常数，为一常数，arr_x[i]＝i，0＝<i＝1,2,3<＝l；

由公式(6)和公式(7)得到拟合直线的数据，将数据记入到arr_fitting[l]中：

arr_fitting[i]＝k1*arr3[i]+b1(8)

其中，i：0＝<i＝1,2,3<＝l；arr3[i]为第一传感光纤上第i点的anti-stokes光和stokes光的光强的量化值ratio；

由公式(8)可知，通过拟合直线补偿后的整条第一传感光纤13上第i点的光强量化比值ratio_new[i]为：

最后得到整条第一传感光纤13上第i点的温度值t[i]为：

其中，t1为第一温控器5设定的固定温度值，t2为第二温控器6设定的固定温度值；第一加热模块与第二加热模块上缠绕的传感光纤长度均为s米；arr1[i]与arr2[i]分别是第一加热模块上缠绕的传感光纤上第i点的anti-stokes光和stokes光的光强的量化值ratio和第二加热模块上缠绕的传感光纤上第i点的anti-stokes光和stokes光的光强的量化值ratio；其中，0＝<i＝1,2,3<＝s；ratio_new[i]为通过拟合直线补偿后的整条第一传感光纤13上第i点的光强量化比值，参见图4和图5。

具体实施时，所述脉冲激光器的波长为1550nm、脉宽为20ns、重复频率为10khz；所述wdm的工作波长为1550nm/1450nm/1663nm；所述apd的带宽为100mhz、光谱响应范围为900～1700nm；所述lna的带宽为100mhz；所述数据采集卡的为usb接口、通道数为4、采样率为100m/s，t1为40℃，t2为60℃；所述多模传感光纤为普通多模光纤；所述计算机是笔记本电脑；所述ptc加热模块为特殊规格的普通ptc加热片，所述温控器为普通无源开关式温控器。其中采集的数据都是实时值，包括arr1[s]、arr2[s]、arr3[l]、arr_fitting[l]、k、b。根据采集一次数据的时常而改变。

与现有分布式光纤传感系统相比，本实用新型提出了一种合适体积的动态定标模块装置和动态温度解调算法具有如下优点：

其一，从自身来讲，动态定标模块装置的体积小，设计巧妙，价格便宜；从整套设备作用来讲，动态定标模块装置避免了由脉冲激光器在长期使用中功率波动、外界环境变化以及开关电源功率波动的问题。

其二，动态温度解调算法，实时的动态的解调每次记录的拉曼比值，将拉曼比值曲线放平，减小了随着距离的增加，脉冲激光器发出的光信号衰减对解调温度的影响，参见图3。

本实用新型设计合理，有效解决了现有分布式光纤拉曼测温系统中的由脉冲激光器在长期使用中功率波动、外界环境变化以及开关电源功率波动对温度解调精度低、漂移大的问题以及减小了随着距离的增加，脉冲激光器发出的光信号衰减对解调温度的影响。

在设定好的圆柱形铝块上缠绕一定长度的光纤利用恒温ptc加热模块对其加热，并用热电偶和智能温控器对其温度进行控制，新型动态温度定标装置以其体积小、精度高、加热均匀、稳定等性能容易安装在本实用新型的动态温度定标自校准装置中，提高了温度定标的精度，对后续的温度解调提供的直线拟合方法提供了保障。能有效避免分布式光纤拉曼测温系统中脉冲激光器的功率波动、开关电源功率波动以及外界环境波动导致系统的测温漂移大的问题。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照本实用新型实施例进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本实用新型的技术方案的精神和范围，均应涵盖本实用新型的权利要求保护范围中。