一种通道分离式的分布式光纤测温装置

技术领域

本申请涉及光纤传感测温技术领域，具体涉及一种通道分离式的分布式光纤测温装置。

背景技术

近年来，分布式光纤测温系统得到了快速发展。它是一种长距离实时测量感温光纤周围温度场的分布式传感器。该系统基于拉曼散射效应和OTDR(Optical Time DomainReflectometer光时域反射仪)技术实现。

与传统的电温度传感器相比，分布式光纤测温系统具有灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、易更换、寿命长等优点。基于上述优点，它可以广泛应用于地铁隧道、油气管道、电力电缆、煤矿巷道、石油储罐等温度监控和火灾报警中。

但是，在高压输电系统中，由于分布式光纤测温系统的感温光纤需要与一次导体缠绕，并与二次端的测温设备相连，所以有爬电风险。可能会出现将一次端大电流引导至二次的严重故障。

发明内容

本申请实施例提供一种通道分离式的分布式光纤测温装置，包括激光器、波分复用器、第一准直器、第二准直器、感温光纤、探测器和处理器，所述激光器发出第一脉冲激光；所述波分复用器连接所述激光器，允许所述第一脉冲激光中预设波段的激光通过形成第二脉冲激光；所述第一准直器连接所述波分复用器，对所述第二脉冲激光进行准直后形成第三脉冲激光；所述第二准直器与所述第一准直器空间耦合，接收并传送所述第三脉冲激光；所述感温光纤连接所述第二准直器，接收所述第三脉冲激光，所述第三脉冲激光在所述感温光纤中产生随温度变化的第一散射光，背向传送的所述第一散射光经过所述第二准直器、所述第一准直器准直，形成第二散射光返回到所述波分复用器，输出信号光；所述探测器连接所述波分复用器，接收并转换所述信号光为电信号；所述处理器连接所述探测器，接收并解调所述电信号得到所述信号光的光强，基于所述信号光的光强确定所述感温光纤的温度。

根据一些实施例，所述处理器还连接所述激光器，控制所述激光器发出所述第一脉冲激光。

根据一些实施例，调节所述第一准直器和所述第二准直器之间的耦合比，以调节所述第三脉冲激光的光强。

根据一些实施例，所述波分复用器形成两束不同波长的第一信号光和第二信号光。

根据一些实施例，所述第一信号光的波长为1450nm，所述第二信号光的波长为1660nm。

根据一些实施例，所述第一准直器包括第一增透膜，所述第一增透膜调节所述第一准直器的损耗，以调节所述第一信号光的光强；所述第二准直器包括第二增透膜，所述第二增透膜调节所述第二准直器的损耗，以调节所述第二信号光的光强。

根据一些实施例，所述波分复用器包括激励光输入端口、激励光输出端口、信号光输出端口，所述激励光输入端口连接所述激光器，允许所述第一脉冲激光中预设波段的激光通过形成第二脉冲激光；所述激励光输出端口连接所述第一准直器，输出所述第二脉冲激光到所述第一准直器；所述信号光输出端口连接所述探测器，输出所述信号光到所述探测器。

根据一些实施例，所述信号光输出端口包括激励光输入端口、激励光输出端口、第一信号光输出端口和第二信号光输出端口，所述激励光输入端口，连接所述激光器允许所述第一脉冲激光中预设波段的激光通过形成第二脉冲激光；所述激励光输出端口连接所述第一准直器，输出所述第二脉冲激光到所述第一准直器；所述第一信号光输出端口连接所述探测器，输出第一信号光到所述探测器；所述第二信号光输出端口连接所述探测器，输出第二信号光到所述探测器。

根据一些实施例，所述探测器转换所述第一信号光为第一电信号，转换所述第二信号光为第二电信号。

根据一些实施例，所述处理器连接所述探测器，接收并解调所述第一电信号得到所述第一信号光的光强，接收并解调所述第二电信号得到所述第二信号光的光强，基于所述第一信号光的光强和所述第二信号光的光强确定所述感温光纤的温度。

本申请实施例提供的技术方案，具有分布式光纤测温系统的灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、易更换、寿命长等优点，而应用在高压输电系统中时，使用一对准直器的空间链接代替了光纤之间的硬链接，消除了在高压环境中应用可能存在的爬电问题。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请实施例提供的一种通道分离式的分布式光纤测温装置；

图2是本申请实施例提供的另一种通道分离式的分布式光纤测温装置；

图3是本申请实施例提供的又一种通道分离式的分布式光纤测温装置。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

光纤测温装置的原理是拉曼散射原理。光从感温光纤的一端射入时，会沿着感温光纤向前传播。由于激光脉冲与感温光纤内部的分子发生弹性碰撞和非弹性碰撞，所以，脉冲激光在传播中的每一点都会产生反射，反射中有一小部分的反射光，方向正好与入射光的方向相反，也可称为后向。这种后向反射光的强度与光线中的反射点的温度有一定的相关关系。反射点的温度也就是该点感温光纤所处的环境温度越高，反射光的强度越大。利用这个现象，如果能测出后向反射光的强度，就可以计算出反射点的温度，这就是利用光纤测量温度的基本原理。

图1是本申请实施例提供的一种通道分离式的分布式光纤测温装置，包括激光器2、波分复用器4、第一准直器5、第二准直器6、感温光纤7、探测器3和处理器1。

激光器2发出第一脉冲激光。波分复用器4连接激光器2，允许第一脉冲激光中预设波段的激光通过形成第二脉冲激光。第一准直器5连接波分复用器4，对第二脉冲激光进行准直后形成第三脉冲激光。第二准直器6与第一准直器5空间耦合，接收并传送第三脉冲激光。感温光纤7连接第二准直器6，接收第三脉冲激光，第三脉冲激光在感温光纤7中产生随温度变化的第一散射光，背向传送的第一散射光经过第二准直器6、第一准直器5准直，形成第二散射光返回到波分复用器4，输出信号光。探测器3连接波分复用器4，接收并转换信号光为电信号。处理器1连接探测器3，接收并解调电信号得到信号光的光强，基于信号光的光强确定感温光纤的温度。

根据一些实施例，激光器2发出的第一脉冲激光，其脉冲宽度要与位置分辨率相匹配。例如测量位置为1米，对应的第一脉冲激光的脉冲宽度一般为10ns，但并不以此为限。另外，第一脉冲激光的脉冲功率与探测长度相匹配，例如10公里的温度测量，通常峰值功率为10W，但并不以此为限。

根据一些实施例，通过波分复用器4的预设波段的激光，波长要躲过水吸收峰。一般预设波长为1550nm和980nm的激光能通过的波分复用器应用广泛，而且器件便宜，因而比较合适，但并不以此为限。

根据一些实施例，第二准直器6与第一准直器5空间耦合，空间距离可以包括米量级，但并不以此为限。

第三脉冲激光从感温光纤7的一端射入时，会沿着感温光纤7向前传播。第三脉冲激光在传播中的每一点都会产生反射，反射中有一小部分的反射光，方向正好与入射光的方向相反，也可称为后向。这种后向反射光的强度与光线中的反射点的温度有一定的相关关系。反射点的温度也就是该点感温光纤所处的环境温度越高，反射光的强度越大。

本实施例提供的技术方案，具有分布式光纤测温系统的灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰、易更换、寿命长等优点，而应用在高压输电系统中时，使用一对准直器的空间链接代替了光纤之间的硬链接，消除了在高压环境中应用可能存在的爬电问题。

图2是本申请实施例提供的另一种通道分离式的分布式光纤测温装置，包括激光器2、波分复用器4、第一准直器5、第二准直器6、感温光纤7、探测器3和处理器1。

处理器1连接激光器2，控制激光器2发出第一脉冲激光，控制驱动激光器2发出第一脉冲激光的电流。波分复用器4连接激光器2，允许第一脉冲激光中预设波段的激光通过形成第二脉冲激光。第一准直器5连接波分复用器4，对第二脉冲激光进行准直后形成第三脉冲激光。第二准直器6与第一准直器5空间耦合，接收并传送第三脉冲激光。感温光纤7连接第二准直器6，接收第三脉冲激光，第三脉冲激光在感温光纤7中产生随温度变化的第一散射光，背向传送的第一散射光经过第二准直器6、第一准直器5准直，形成第二散射光返回到波分复用器4，输出信号光。探测器3连接波分复用器4，接收并转换信号光为电信号。处理器1连接探测器3，接收并解调电信号得到信号光的光强，基于信号光的光强确定感温光纤的温度。

调节第一准直器5和第二准直器6之间的耦合比，可以调节第三脉冲激光的光强。合适的耦合比，可以提高检测精度。

波分复用器4包括激励光输入端口41、激励光输出端口42、信号光输出端口43。

激励光输入端口41连接激光器2，允许第一脉冲激光中预设波段的激光通过形成第二脉冲激光。激励光输出端口42连接第一准直器5，输出第二脉冲激光到第一准直器5。信号光输出端口43连接探测器3，输出信号光到探测器3。

本实施例提供的技术方案，作为一种改进，处理器能够控制激光器发出的第一脉冲激光，并且通过调节装置中的第一准直器5和第二准直器6的耦合比，可以根据实际感温光纤6长度进行输入光功率的强度调节，避免传统装置中脉冲激励激光过强引发的受激拉曼散射，提高测量精度。

图3是本申请实施例提供的又一种通道分离式的分布式光纤测温装置，包括激光器2、波分复用器4、第一准直器5、第二准直器6、感温光纤7、探测器3和处理器1。

处理器连接激光器2，控制激光器2发出第一脉冲激光，控制驱动激光器2发出第一脉冲激光的电流。波分复用器4连接激光器2，允许第一脉冲激光中预设波段的激光通过形成第二脉冲激光。第一准直器5连接波分复用器4，对第二脉冲激光进行准直后形成第三脉冲激光。第二准直器6与第一准直器5空间耦合，接收并传送第三脉冲激光。感温光纤7连接第二准直器6，接收第三脉冲激光，第三脉冲激光在感温光纤7中产生随温度变化的第一散射光，背向传送的第一散射光经过第二准直器6、第一准直器5准直，形成第二散射光返回到波分复用器4，输出两束不同波长的第一信号光和第二信号光信号光。探测器3连接波分复用器4，接收并转换第一信号光为第一电信号，转换第二信号光为第二电信号。处理器1连接探测器3，接收并解调第一电信号得到第一信号光的光强，接收并解调第二电信号得到第二信号光的光强，基于第一信号光的光强和第二信号光的光强确定感温光纤的温度。

在拉曼效应中，光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射。散射光中在每条原始入射谱线(频率为v0)的两侧对称地伴有频率为v0±vi(i＝1，2，3…)的谱线，长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线。频率差vi与入射光频率v0无关，由散射物质的性质决定。

反斯托克斯光是散射光频率大于激发光波频率的分量，斯托克斯光是散射光小于激发光波频率的分量。上述的第一信号光为反斯托克斯光，波长为1450nm，第二信号光为斯托克斯光，波长为1660nm。凡斯托克斯光的强度远远小于斯托克斯光的强度。斯托克斯光和对应的反斯托克斯光对应于物质的某两个能级间的差值，被作为一个分析物质结构的有力工具。

处理器1基于后向信号光的光强确定感温光纤的温度，公式如下。

其中，T是待测温度值，T

可选地，调节第一准直器5和第二准直器6之间的耦合比，可以调节第三脉冲激光的光强。

波分复用器4包括激励光输入端口41、激励光输出端口42、第一信号光输出端口43、第二信号光输出端口44。

激励光输入端口41连接激光器2，允许第一脉冲激光中预设波段的激光通过形成第二脉冲激光。激励光输出端口42连接第一准直器5，输出第二脉冲激光到第一准直器5。第一信号光输出端口43连接探测器3，输出第一信号光到探测器3。第二信号光输出端口44连接探测器3，输出第二信号光到探测器3。

可选地，第一准直器5包括第一增透膜，第一增透膜能够调节第一准直器5的损耗，以调节第一信号光的光强。第二准直器6包括第二增透膜，第二增透膜能够调节第二准直器6的损耗，以调节第二信号光的光强。

本实施例提供的技术方案，作为一种改进，通过第一准直器5和第二准直器6的膜系设计，能够改变斯托克斯光和反斯托克斯光的光强比例，进而提升测量精度。

以上对本申请实施例进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明仅用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。同时，本领域技术人员依据本申请的思想，基于本申请的具体实施方式及应用范围上做出的改变或变形之处，都属于本申请保护的范围。综上所述，本说明书内容不应理解为对本申请的限制。