一种消除1xn光开关影响的分布式光纤温度传感装置的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种消除1XN光开关影响的分布式光纤温度传感装置，包括激光源、分光器、探测器、1XN光开关、首端参考光纤盒、尾端温箱、测量光纤、数据模块。每条通道首端参考光纤盒为环境温度，尾端温箱为水浴温度90℃。利用校准光纤盒和计算温度可以对分布式光纤测温装置进行校准。将首端参考光纤盒放在1XN机械式多模光开关之后，可有效消除因光开关自身损耗不确定性引起通道参数的不一致，增加了现场标定温度的准确性，达到长时间准确测量的目的。减少出厂温度标定和现场标定时的繁琐步骤，节省人力和时间。
【专利说明】
一种消除1XN光开关影响的分布式光纤温度传感装置
技术领域
[0001] 本实用新型涉及一种温度传感装置，特别是一种消除1XN光开关影响的分布式光 纤温度传感装置
【背景技术】
[0002] 分布式光纤测温的基本原理是拉曼散射效应和光时域反射原理，能准确探测光缆 沿线的温度值，相邻温度值之间的最小距离能达到〇.5m，无测量盲区。传感器为光纤，单通 道可达32km，易于安装，体积小，外形可变，适合在易燃易爆及空间复杂的环境中使用。目 前，分布式光纤测温技术比较成熟，是一种先进的工业在线检测手段，广泛应用在石油化 工、电力电缆、管道输送、核电站、公路隧道等领域。
[0003] 目前，分布式光纤测温装置的生产厂家会让一台测量主机包含多通道，从而提高 单台测量主机的使用效率和扩大温度测量范围。常规的单台测量主机通道规格有1X4，1X8， 1X16,1X32。单通道测量距离有21〇11，41〇11，81〇11，161〇11，321〇11。为满足多通道同时测量，需要通道 之间有顺序的切换，一般产品采用通信级别的多模光开关模块切换各个通道。当光信号通 过光开关时，会有不同情况的衰减。主要原因有两个：1、插入损耗的不确定性，导致每个通 道之间的损耗是不一样的，随机的。2、光开关自身材料对光信号产生的损耗。我们通过实验 发现，光开关的损耗不确定性要远远大于光纤的介入损耗。机械式多模光开关自身损耗具 有不确定性，导致N条通道的参数不同，一般情况下在通信领域，光开关损耗小，因此不将这 部分损耗考虑进去，可以忽略的。但是在分布式光纤测温领域，基于光反射原理的拉曼散射 信号十分微弱，这部分损耗在经过放大后十分明显。所以，消除通道之间的不一致性，显得 尤为重要。当分布式光纤传感器出厂时，部分参数已经设置好，在实验室理想条件下，温度 较为正确。但是在安装现场，光纤是提前施工铺设完成的，本身存在弯曲，沿途温度不一致 等问题，会给现场标定的精度带来影响，导致后续的使用过程中带来误报、漏报等错误报 警。消除通道不一致性，对机器安装和使用的精度有现实意义。
【发明内容】
[0004] 为解决光开关衰减不确定性的问题，本实用新型提供了一种结构较为简单，消除 不同通道之间的因为光开关自身的损耗而引起的通道参数不同，消除了 1XN光开关的影响。 提高现场标定的准确性，减少出厂温度标定和现场标定时的繁琐步骤，节省人力和时间。
[0005] 本实用新型的技术方案如下：
[0006] -种消除1XN光开关影响的分布式光纤测温系统，主机没有单一温度标准，而是在 光通过光开关之后每条通道都有一个温度标准。
[0007] 前述的分布式光纤测温系统主机，包括激光源、分光器、探测器、1XN光开关、首端 温度盒、测量光纤、尾端温箱、数据模块。高频窄带激光源与分光器的输入端相连，之后连接 分光器，分光器的第一输出连接光开关的输入端，机械式光开关的输出端N路连接N块首端 温度盒，之后连接测量光纤，最后连接尾端温箱。分光器的二输出口和三输出口与探测器相 连接，探测器输出端与数据模块相连接。每通道的首端温度盒与尾端温箱与数据模块连接。
[0008] 前述的激光器为高频窄带高功率脉冲激光器。
[0009] 前述的温度标准，既是首端温度盒的温度，首端温度盒中含有一段几十米到一百 米的参考光纤，包含一个铂电阻与数据模块连接。
[0010] 前述的分布式光纤温度尾端温箱，是温度较高的恒温箱，温箱里包含温度传感器 与数据模块连接。
[0011] 前述的首端温度盒中的铂电阻为PT1000型铂电阻。
[0012] 前述的尾端温箱中的温度计为小型数字显示温度计。
[0013] 前述的数据模块利用公式计算出传感光缆的各点温度值。
[0014] 前述的探测器测器A4和探测器B5为InGaAs APD。
[0015] 与传统的光纤测温传感装置相对比，本实用新型的优点在于：
[0016] 在1XN多模光开关后安装与通道数相对应的首端温度盒，既可以消除由于光开关 本身对于不同通道光信号衰减的随机性，从而达到通道参数的一致性。在工程现场标定时， 保证系统的测温更加精确。
[0017] 本实用新型的分布式光纤测温装置结构简单，只需按照通道在光开关之后增加与 通道数对应的首端温度盒，温度操作简单，成本低廉。
【附图说明】
[0018] 图1是本实用新型一种消除1XN光开关影响的分布式光纤温度传感装置。
【具体实施方式】
[0019] 如图1所示，一种消除1XN光开关影响的分布式光纤温度传感装置，包括激光源1、 分光器2、1XN光开关3、探测器A4、探测器B5、首端温度盒7、尾端温箱9、传感光纤8、数据模块 6〇
[0020] 所述的激光源1为高频高功率窄带脉冲光源，本实例选用的激光中心波长为 1550nm，脉冲为4~8ns，功率为1~501
[0021 ] 所述分光器2，用于分离反向的stocks光和anti-stocks光，本例选用1X3WDM分光， 输入为1550nm，第一输出为1550,二输出为1450nm，三输出为1650nm
[0022]所述的首端温度盒7，盒内温度为其所处的环境温度，内含有一段30m光纤，并且有 一个铂电阻与测温主机相连接。
[0023]所述的尾端温箱9,温箱为恒温水浴箱，温度控制为90°C±2°C，内含有50m传感光 纤，并且有小型数字显示温度计。
[0024]所述的传感光纤8是通信光纤，本例选择带宽较宽、抗压抗拉的GI62.5/125通信多 模销装光缆。
[0025]所述的探测器A4,探测器B5,分别连接分光器的二输出端、三输出端。用于探测传 感光纤8反射回来信号微弱的stocks和anti-stocks光。本例选用铟镓砷雪崩二极管。
[0026] 所述的数据模块7连接探测器A4和探测器B5的电信号，计算整条传感光缆8温度。
[0027] 高功率的窄带脉冲从激光器发出之后，沿着光纤经过分光器，然后进入1XN光开 关，通过光开关有规律的切换，脉冲激光分别进入N条通道。根据光时域反射原理，反射光中 携带着拉曼散射的stocks光和anti-stocks光，经过WDM分光器分光，将两种不同波长的光 从反射光中离出来。两种光分别经由二极管AH)的放大探测，将拉曼光信号的光强转变为电 信号，进入数据模块计算得整条光缆温度。
[0028]为了消除激光源波动等影响，一般都会利用Anti-Stokes和Stokes光强度的比值 进行计算。本实例的理论计算公式为(1)，利用公式，能根据光强的比值，求出L处的温度值T
(1)
[0029]
[0030] 式（1)中：Ka，Ks是光纤特性决定的Stokes光和六111:;[-31:01^8光截面系数;￥ ￡1，￥3是 八111:;[-31:01^8和31:01^8的光子频率，]^;33、3￡1是4111:;[-31:01^8光和31:01^8光在光纤中的传输 损耗，dB; L是测温光缆的长度，m; Is、Ia是的Anti-Stokes和Stokes光强，Δ v是拉曼频移。 [0031 ] 其中Ka，Ks，va，Vs，as，a a，Is，Ia，h，Δ v参数在同一台测温主机固定不变，光传输损耗 随距离L变化而增大。
[0032] 光通过光开关时，光开关每条通道的衰减值不同，用的令b为可利用首端温度盒的 温度T/和尾端温箱的温度Tn两个温度值的比值，，在不同距离下，通过，以及，可以确定将数 据带入(1)得到准确温度。
[0033] 首端温度盒在光开关之前计算公式(2):
[0034]
(2)
[0035] 式中Tn是η路尾端温箱温度，To是原有技术里的单一参考温度。Tn为尾端温箱温度， To是原有技术里的单一参考温度，为η通道的ant i-stocks光强，μη为光开关对于η通道 &111：；[-81：001^光强的衰减，75"为81：001^光强，以 /11为光开关对于11通道3111：；[-81：001^光强的衰 减。V "和^不同，二者在η通道里的系数不同
[0036] 在光开关的后端，每通道加装首端温度盒以后，原来的标定公式变为公式(2)，消 除光开关对于每一通道不同的衰减。
[0037]
⑵
[0038] 式中Τη是η路尾端温箱温度，Tr/是通道的首端温度盒。人氏为]!通道的anti-stocks 光强，μη为光开关对于η通道anti-stocks光强的衰减，ls"Sstocks光强，μ' n为光开关对于η 通道anti-stocks光强的衰减，a为与温度无关的常数。
[0039] 本实用新型未详细说明的地方属于分布式光纤测温领域的公开技术。
【主权项】
1. 一种消除1XN光开关影响的分布式光纤温度传感装置，其特征在于:包括激光源（1)、 与激光源（1)相连的分光器(2 )、所述分光器(2)的第一输出端与光开关(3)的输入端相连， 所述光开关(3)的输出端有N路，每一路分别与一个温度校准模块相连，所述的温度校准模 块由首端温度盒(7)、尾端温箱(9)、以及连接首端温度盒(7)和尾端温箱(9)的传感光纤(8) 组成，所述分光器(2)的第二输出端与探测器A(4)相连，所述分光器(2)的第三输出端与探 测器B(5)相连，还包括与探测器A(4)、探测器B(5)相连的数据模块(6)。2. 根据权利要求1所述的一种消除1XN光开关影响的分布式光纤温度传感装置，其特征 在于所述首端温度盒(7)的温度处于-10~40°C的常温区。3. 根据权利要求1所述的一种消除1XN光开关影响的分布式光纤温度传感装置，其特征 在于所述尾端温箱(9)的温度处于90°C的高温区。
【文档编号】G01K15/00GK205607564SQ201620289951
【公开日】2016年9月28日
【申请日】2016年3月29日
【发明人】董林翰, 曲方, 李二明
【申请人】中国计量学院