CN107990998B - 一种多通道分布式光纤测温装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多通道分布式光纤测温装置。它由硬件电路、激光器、探测器、波分复用器、激励光投送光纤、光纤耦合器和感温光纤组成。相应的提供一种多通道分布式光纤测温装置的测温方法。与传统分布式测温装置相比，该装置由激励光投送光纤和光纤耦合器代替了动作型光开关。所以该装置无运动器件，寿命长，有较好的抗震效果。
Description
技术领域
本发明涉及光纤传感测温技术领域，特别的涉及一种多通道分布式光纤测温装置及方法。
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。但是现有多通道分布式光纤测温装置中都使用光开关与各通道感温光纤相连，实现光在多个通道之间的切换，如图1所示。传统结构无法根据感温光纤长度动态调整激励光功率。如果多个通道之间的感温光纤长度相差过大，为了避免受激拉曼散射的产生，短感温光纤工作的时候要调低输出光功率；为了增强末端信号的信噪比，长感温光纤工作的时候要调高输出光功率。除此之外，无论是马达型光开关还是MEMS型光开关，都是由运动元件组成，长期可靠性和抗震动能力都有隐患。
发明内容
本发明的目的是提出一种多通道分布式光纤测温装置及方法，使用激励光投送光纤和光纤耦合器代替光开关，消除运动元件切换寿命短、切换速度慢的缺陷，大幅提升测温装置的抗震动能力和可靠性。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：
一种多通道分布式光纤测温装置，包括硬件电路1、激光器2、探测器3、波分复用器4、激励光投送光纤5、光纤耦合器6、感温光纤7；
所述硬件电路1与激光器2和探测器3相连；激光器2和探测器3均与波分复用器4相连；激励光投送光纤5连通波分复用器4和光纤耦合器6；光纤耦合器6与感温光纤7相连；激励光投送光纤5、光纤耦合器6和感温光纤7数量根据具体所需通道数配置。
其中，所述硬件电路1的作用是同步和解调信号，激光器2产生作为激励源的脉冲激光，探测器3将光信号转为电信号，波分复用器4传递激励光和分离出信号光，激励光投送光纤5将激励光传送至各个测温区域，光纤耦合器6负责从激励光投送光纤5中分离出激励光给感温光纤7，感温光纤7负责对温度敏感量的产生。
进一步的，所述波分复用器4包括波分复用器激励光输入端口4.1、两个波分复用器信号光输出端口4.2和4.3、波分复用器激励光输出端口4.4；所述光纤耦合器6包括光纤耦合器输入端口6.1、光纤耦合器输出端口6.2、光纤耦合器输出端口6.3；所述激光器2与波分复用器激励光输入端口4.1相连；探测器3与两个波分复用器信号光输出端口4.2和4.3相连；激励光投送光纤5一端与波分复用器激励光输出端口4.4相连，另一端与光纤耦合器6的光纤耦合器输入端口6.1连接；光纤耦合器输出端口6.2与感温光纤7相连；光纤耦合器输出端口6.3与下一个测温区域光纤耦合器的光纤耦合器输入端口6.1相连。
进一步的，所述光纤耦合器6有光强调节功能，通过调节光纤耦合器6输出端的耦合比改变到达感温光纤7的激励光强大小。
进一步的，所述光纤耦合器6不同输出端的耦合比由感温光纤7长度决定；感温光纤7所需激励激光的强度与其长度成正比。
进一步的，在每个光纤耦合器6的出射端口，与之相连的激励光投送光纤5长度大于与之相连的感温光纤7长度。以保证不同测温区域的信号不发生混叠。
进一步的，激励光投送光纤5和感温光纤7为单模光纤、多模光纤、保偏光纤或者光子晶体光纤。
本发明还提供了一种多通道分布式光纤测温装置的测温方法，硬件电路1控制激光器2发出激励脉冲激光；激励光通过波分复用器4后达到激励光投送光纤5；光纤耦合器6把激励光按比例分为两部分；一部分传递给与之相连的感温光纤7，一部分传递给下一段的光纤耦合器6；激励光在感温光纤7中产生携带温度信息的散射光；背向散射光经光纤耦合器6原路返回到波分复用器4，从波分复用器4分离出的两束信号光到探测器3转变为电信号；硬件电路1接受电信号后解调出温度信息。
进一步的，上述多通道分布式光纤测温装置的测温方法中，所述光纤耦合器6有光强调节功能，通过调节光纤耦合器6输出端的耦合比改变到达感温光纤7的激励光强大小。
进一步的，上述多通道分布式光纤测温装置的测温方法中，所述光纤耦合器6不同输出端的耦合比由感温光纤7长度决定；感温光纤7所需激励激光的强度与其长度成正比。
本发明使用激励光投送光纤5和光纤耦合器6代替了光开关，没有运动元件，消除了光开关的切换寿命短和切换速度慢等缺陷，具有响应快、寿命长和抗震动的优势。不仅如此，装置中的光纤耦合器6还可以根据实际感温光纤7长度进行输入光功率的强度调节，避免了传统装置中脉冲激励激光过强引发的受激拉曼散射，提高了测量精度。
附图说明
图1是传统分布式测温装置的系统结构示意图；
图2是本发明的系统结构示意图；
图3是波分复用器各端口示意图；
图4是光纤耦合器各端口示意图；
其中：1、硬件电路，2、激光器，3、探测器，4、波分复用器，5、激励光投送光纤，6、光纤耦合器，7、感温光纤，8、光开关，4.1、波分复用器激励光输入端口，4.2、波分复用器信号光输出端口，4.3、波分复用器信号光输出端口，4.4波分复用器激励光输出端口，6.1、光纤耦合器激励光输入端口，6.2、光纤耦合器激励光输出端口，6.3、光纤耦合器激励光输出端口。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案做进一步说明：
如图2所示，本发明设计了一种多通道分布式光纤测温装置。它由由硬件电路1、激光器2、探测器3、波分复用器4、若干段激励光投送光纤5、若干个光纤耦合器6和若干根感温光纤7组成。激励光投送光纤5、光纤耦合器6和感温光纤7视具体所需通道数而定。硬件电路1的作用是同步控制激光器2发光和探测器3接受光，并对信号做解调。激光器2产生作为激励源的脉冲激光，探测器3将光信号转为电信号，波分复用器4从返回光中分离出信号光，激励光投送光纤5将激励光传送至各个测温区域，光纤耦合器6负责从激励光投送光纤5中分离出激励光给感温光纤7，感温光纤7负责对温度敏感量的产生。
硬件电路1与激光器2和探测器3相连。波分复用器4的结构如图3所示，光纤耦合器6的结构如图4所示。激光器2与波分复用器激励光输入端口4.1相连；探测器3与两个波分复用器信号光输出端口4.2和4.3相连；激励光投送光纤5一端与波分复用器激励光输出端口4.4相连，另一端与光纤耦合器6的光纤耦合器输入端口6.1连接；光纤耦合器输出端口6.2与感温光纤7相连；光纤耦合器输出端口6.3与下一个测温区域光纤耦合器的光纤耦合器输入端口6.1相连。
工作方式为：硬件电路1控制激光器2发出激励脉冲激光。激励光通过波分复用器4后达到激励光投送光纤5。光纤耦合器6把激励光把激励光按比例分为两部分。一部分传递给与之相连的感温光纤7，一部分传递给下一段的光纤耦合器6。激励光在感温光纤7中产生携带温度信息的散射光。背向散射光经光纤耦合器6原路返回到波分复用器4。波分复用器4的激励光输出端口同时也是散射光的输入端口。散射光经波分复用器4后分离出两束信号光。探测器3把两束信号光转变为电信号。硬件电路1接受电信号后解调出温度信息。
光纤耦合器6的输出端6.2连接的感温光纤7长度要小于光纤耦合器6的输出端6.3连接的激励光投送光纤5长度。这样从不同测温区域返回的的信号有时间差，不会发生混叠。另外，光纤耦合器有光强调节功能。光纤耦合器6可以通过两个输出端的耦合比改变到达感温光纤7的激励光强大小。
各通道区域的激励光投送光纤5和感温光纤7均可以用单模、多模、保偏光纤或者光子晶体光纤。
以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。
Claims (8)
1.一种多通道分布式光纤测温装置，其特征在于：包括硬件电路(1)、激光器(2)、探测器(3)、波分复用器(4)、激励光投送光纤(5)、光纤耦合器(6)、感温光纤(7)；
所述硬件电路(1)与激光器(2)和探测器(3)相连；激光器(2)和探测器(3)均与波分复用器(4)相连；激励光投送光纤(5)连通波分复用器(4)和光纤耦合器(6)；光纤耦合器(6)与感温光纤(7)相连；激励光投送光纤(5)、光纤耦合器(6)和感温光纤(7)数量根据具体所需通道数配置；
所述光纤耦合器(6)有光强调节功能，通过调节光纤耦合器(6)输出端的耦合比改变到达感温光纤(7)的激励光强大小。
2.根据权利要求1所述的多通道分布式光纤测温装置，其特征在于：所述波分复用器(4)包括波分复用器激励光输入端口(4.1)、两个波分复用器信号光输出端口(4.2，4.3)、波分复用器激励光输出端口(4.4)；所述光纤耦合器(6)包括光纤耦合器输入端口(6.1)、光纤耦合器输出端口(6.2)、光纤耦合器输出端口(6.3)；所述激光器(2)与波分复用器激励光输入端口(4.1)相连；探测器(3)与两个波分复用器信号光输出端口(4.2，4.3)相连；激励光投送光纤(5)一端与波分复用器激励光输出端口(4.4)相连，另一端与光纤耦合器(6)的光纤耦合器输入端口(6.1)连接；光纤耦合器输出端口(6.2)与感温光纤(7)相连；光纤耦合器输出端口(6.3)与下一个测温区域光纤耦合器的光纤耦合器输入端口(6.1)相连。
3.根据权利要求1所述的多通道分布式光纤测温装置，其特征在于：所述光纤耦合器(6)不同输出端的耦合比由感温光纤(7)长度决定；感温光纤(7)所需激励激光的强度与其长度成正比。
4.根据权利要求1所述的多通道分布式光纤测温装置，其特征在于：在每个光纤耦合器(6)的出射端口，与之相连的激励光投送光纤(5)长度大于与之相连的感温光纤(7)长度。
5.根据权利要求1所述的多通道分布式光纤测温装置，其特征在于：激励光投送光纤(5)和感温光纤(7)为单模光纤、多模光纤、保偏光纤或者光子晶体光纤。
6.如权利要求1所述的一种多通道分布式光纤测温装置的测温方法，其特征在于：硬件电路(1)控制激光器(2)发出激励脉冲激光；激励光通过波分复用器(4)后达到激励光投送光纤(5)；光纤耦合器(6)把激励光按比例分为两部分；一部分传递给与之相连的感温光纤(7)，一部分传递给下一段的光纤耦合器(6)；激励光在感温光纤(7)中产生携带温度信息的散射光；背向散射光经光纤耦合器(6)原路返回到波分复用器(4)，从波分复用器(4)分离出的两束信号光到探测器(3)转变为电信号；硬件电路(1)接受电信号后解调出温度信息。
7.根据权利要求6所述的一种多通道分布式光纤测温装置的测温方法，其特征在于：所述光纤耦合器(6)有光强调节功能，通过调节光纤耦合器(6)输出端的耦合比改变到达感温光纤(7)的激励光强大小。
8.根据权利要求7所述的一种多通道分布式光纤测温装置的测温方法，其特征在于：所述光纤耦合器(6)不同输出端的耦合比由感温光纤(7)长度决定；感温光纤(7)所需激励激光的强度与其长度成正比。
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