CN104897301A - 一种分布式光纤温度报警器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分布式光纤温度报警器，包括第一光源、第二光源、偏振分束器、环形器、感温光纤、波分复用器、光电探测器、信号采集模块、通信模块以及数据处理模块，基于光纤径向折射率差变化。第一光源和第二光源发出信号光，利用感温光纤中产生的瑞利散射，经波分复用器分离特定信号光，基于光纤径向折射率差获得传感区温度信息，数据处理报警模块对信号进行处理分析，当分析出的温度高于预设温度时，实现报警功能。本发明的测量精度高范围广，可实现长距离分布式温度监测。通过通信模块实现探测信号的远程传输，可以广泛应用于矿山、油田、隧道和智能大厦等大型设施中，对温度变化进行在线监测。

Description

一种分布式光纤温度报警器

技术领域

本发明属于分布式温度传感器技术领域，具体涉及一种基于光纤径向折射率差变化的分布式光纤温度报警器。

背景技术

光纤温度传感器是上世纪70年代发展起来的一门新型的测温技术，利用光信号传递信息，具有绝缘、抗电磁干扰、耐高压电等优势特征，被广泛应用于交通、电力、煤矿、石化等行业，对保证工业设备正常运行，保障生命和财产安全起着重要作用。

现有的光纤传感器通常是基于拉曼散射效应及光时域反射计(OTDR)技术实现，其基本原理是：拉曼光谱对温度是敏感的，传感器通过分析后向散射光的拉曼散射信号，在经过光电转换和信号放大处理后进行数据采集及运算，最终得出温度数据。

但是现有的拉曼型分布光纤温度传感器存在一个弱点，即后向拉曼散射光的信号较弱，此信号与瑞利后向散射信号比较还要弱20-30dB，限制了测量的长度和精度，同时拉曼型光纤温度传感器还存在空间分辨率低的问题，有待于进一步的解决。

发明内容

本发明的目的是解决上述问题，提供一种测量精度高范围广且可实现多点连续测量的基于光纤径向折射率差变化的分布式光纤温度报警器。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种分布式光纤温度报警器，包括第一光源、第二光源、偏振分束器、环形器、感温光纤、波分复用器、光电探测器、信号采集模块、通信模块以及数据处理报警模块，所述第一光源和第二光源输出的信号光经偏振分束器耦合，输出至环形器一端口，再经环形器二端口注入感温光纤，环形器接收感温光纤的瑞利散射光，并由其三端口输入波分复用器进行信号分离，再依次进入光电探测器、信号采集模块、通信模块以及数据处理报警模块，所述信号采集模块用于采集信号，所述通信模块用于将信号采集模块采集的信号传输至数据处理报警模块，数据处理报警模块用于对信号的处理及报警。

优选地，所述偏振分束器的两个入射端为偏振方向相互垂直的保偏光纤,输出端为普通单模光纤。

优选地，所述波分复用器的输出波长分别与第一光源和第二光源的输出波长一致。

优选地，所述信号采集模块为采集卡。

优选地，所述第一光源和第二光源为输出波长相差0.4nm其它参数均一致的可调式脉冲光源。

优选地，所述第一光源和第二光源输出脉宽度均为200ns，平均输出功率为-6dBm，工作波长分别为1550nm和1550.4nm。

优选地，感温光纤的长度为20km。

本发明的有益效果是：本发明提供的分布式光纤温度报警器，利用径向折射率差的变化来获得传感区域温度信息，系统的测量精度与分辨率都有效得到保证与提高；本发明利用感温光纤既可以做传感介质又可以做传输介质的特性，实现沿光纤分布温度场的长距离分布式测量，测试用光纤即感温光纤的跨距可达几十千米，实现更长长距离分布式温度监测，测试范围广；光纤数据传输及读取速度快，在有效测量范围内，传感分辨率测量精度最优化，通过通信模块与数据处理报警模块的通信，进行远程控制，实现实时监测。

附图说明

图1是本发明分布式光纤温度报警器系统结构示意图；

图2是本发明感温光纤横截面温度变化原理示意图；

图3是本发明温度沿光纤长度分布的信号报警示意图。

附图标记说明：1、第一光源；2、第二光源；3、偏振分束器；4、环形器；5、感温光纤；6、波分复用器；7、光电探测器；8、信号采集模块；9、通信模块；10、数据处理报警模块；11、感温光纤纤芯；12、光纤涂覆层；13、热源；14、热力波。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的说明：

如图1-3所示，分布式光纤温度报警器的系统结构示意图，本发明的一种分布式光纤温度报警器，包括第一光源1、第二光源2、偏振分束器3、环形器4、感温光纤5、波分复用器6、光电探测器7、信号采集模块8、通信模块9以及数据处理报警模块10。信号采集模块8用于采集信号，通信模块9用于实现信号采集模块8和数据处理报警模块10之间的通信，数据处理报警模块10用于对信号的处理及报警。

上述元部件的连接关系如下：第一光源1和第二光源2的输出端分别与偏振分束器3的两个输入端口相连接，偏振分束器3的输出端与环形器4的一端口连接，环形器4的二端口与感温光纤5连接，环形器4的三端口与波分复用器6的输入端连接，波分复用器6的两个输出端口与光电探测器7的输入端相连接，光电探测器7的输出端与信号采集模块8的输入端连接，信号采集模块8的输出端与通信模块9相连，通信模块9与数据处理报警模块10连接。

基于上述的构成要件及连接关系，本发明的光路构成是：第一光源1和第二光源2输出信号光，信号光经偏振分束器3耦合，输出至环形器4的一端口，再经环形器4的二端口注入感温光纤5。当信号光进入感温光纤5后，感温光纤5中产生瑞利散射光，环形器4接收此瑞利散射光，并从其三端口输入至波分复用器6。波分复用器6对瑞利散射中特定的信号光进行分离后输出至光电探测器7，光电探测器7将探测到的接入信号采集模块8，信号采集模块8对信号进行采集，再通过通信模块9将信号传输至数据处理报警模块10，数据处理报警模块10对信号进行处理分析，当解析出的温度高于预设温度时，实现报警功能。

本发明的原理是，由于光纤径向x轴与y轴偏振方向上传输波长不同，所以x轴与y轴折射率分别表示为：

${\mathrm{\β}}_{x_0}=f\left({\mathrm{\ϵ}}_0\right)---\left(1\right)$

${\mathrm{\β}}_{y_0}=f\left({\mathrm{\ϵ}}_0\right)\mathrm{\Δ}{\mathrm{\β}}_0---\left(2\right)$

其中，ε₀为感温光纤5的介电常数，Δβ₀为感温光纤5x轴与y轴的折射率差，可以表示为：

Δβ₀＝β_xβ_y  (3)

β_x、β_y分别是x轴与y轴折射率关于温度变化的函数。当光纤某点处的温度发生变化时，由于两个方向上受热不均匀，x轴与y轴折射率将发生不同程度的改变。光纤径向x轴与y轴方向上折射率与温度的关系如下所示：

β_x＝f(T₁)  (4)

β_y＝g(T₂)+C  (5)

其中，T₁≠T₂。

光纤受温度影响，折射率发生变化，光纤折射率与温度成函数关系，不同光纤材质不一样，折射率与温度的具体函数关系会有所不同，因此上述函数仅是给出光纤折射率与温度的函数关系一般式进行理论说明。当感温光纤5所处温度发生变化时，径向x轴与y轴折射率差的变化为β_x、β_y之积。因此利用径向折射率差的改变来实现温度监测将大大提高传感器的测量精度与灵敏度。

以下通过具体实施例对本发明作进一步描述，以进一步表示本发明的原理和优点：

实施例1：

第一光源1和第二光源2为两个输出波长相差0.4nm，其它参数均一致的可调式脉冲光源，具体的，选用B&A Technology的脉冲光源，输出脉宽度均为200ns，平均输出功率为-6dBm，输出的工作波长分别为1550nm和1550.4nm。波长差相差0.4nm是一个优选的值，如果波长差太小，x轴与y轴的信号就难以区分，波长差太大，x轴与y轴的折射率相差较大，使得偏振膜色散(PMD)太大，信号劣化严重。偏振分束器3的两个输入端为保偏光纤，偏振方向相互垂直，偏振分束器3的输出端为普通单模光纤。感温光纤5长度选用20km。波分复用器6的两个输出端口的输出波长分别与第一光源1和第二光源2的输出波长相一致，透射波长为1550nm和1550.4nm。信号采集模块8为采集卡。第一光源1和第二光源2分别输出波长为1550nm和1550.4nm的信号光，接入偏振分束器3，经耦合信号光以偏振方向相互垂直的方式注入环行器4的一端口，由环形器4二端口进入感温光纤5。感温光纤5既是感知温度变化的传感点，也是信号传输的途径，通过分布瑞利反馈实现传感信号的传递。感温光纤5中产生瑞利散射光，瑞利散射光返回环形器4，并从其三端口输入至波分复用器6，波分复用器6将瑞利散射中偏振方向不同的1550nm和1550.4nm的信号光进行分离后输出至光电探测器7。光电探测器7将探测到的信号接入信息采集模块8，再经通信模块9传输至数据处理报警模块10，由数据处理报警模块10处理分析两个不同偏振方向上的信号光差异，得到光纤径向折射率差的变化，最终获得沿光纤长度分布的温度传感信息，当分析出的温度高于预设温度T₀时，实现报警功能。如图2-3所示，分别是感温光纤横截面温度变化原理示意图，以及温度沿光纤长度分布的信号报警示意图。当感温光纤5周围环境没有温度变化时，光纤径向x轴与y轴趋势基本一致，当光纤A位置附近有一热源13，光纤径向x轴与y轴在热力波14的作用下，折射率分别发生了变化，根据折射率差变化与温度的关系，通过信号处理与分析，最终获得温度沿光纤长度分布的信号，当传感温度大于T₀时，报警器会进行报警。

需要说明的是，基于本发明给出的硬件架构，本领域技术人员能够以常规手段设计出数据处理报警模块10的软件部分。

本发明的分布式光纤温度报警器，基于光纤径向折射率差变化，测量精度与分辨率有效提升，且可实现更长的长距离分布式温度监测，通过通信模块9实现探测信号的远程传输，可以广泛应用于矿山、油田、隧道和智能大厦等大型设施中，对温度变化进行在线监测。

本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种分布式光纤温度报警器，其特征在于:包括第一光源(1)、第二光源(2)、偏振分束器(3)、环形器(4)、感温光纤(5)、波分复用器(6)、光电探测器(7)、信号采集模块(8)、通信模块(9)以及数据处理报警模块(10)，所述第一光源(1)和第二光源(2)输出的信号光经偏振分束器(3)耦合，输出至环形器(4)一端口，再经环形器(4)二端口注入感温光纤(5)，环形器(4)接收感温光纤(5)的瑞利散射光，并由其三端口接入波分复用器(6)进行信号分离，再依次进入光电探测器(7)、信号采集模块(8)、通信模块(9)以及数据处理报警模块(10)，所述信号采集模块(8)用于采集信号，所述通信模块(9)用于将信号采集模块(8)采集的信号传输至数据处理报警模块(10)，数据处理报警模块(10)用于对信号的处理及报警。

2.根据权利要求1所述的温度报警器，其特征在于:所述偏振分束器(3)的两个入射端为偏振方向相互垂直的保偏光纤，输出端为普通单模光纤。

3.根据权利要求1所述的温度报警器，其特征在于:所述波分复用器(6)的输出波长分别与第一光源(1)和第二光源(2)的输出波长一致。

4.根据权利要求1所述的温度报警器，其特征在于:所述信号采集模块(8)为采集卡。

5.根据权利要求1所述的温度报警器，其特征在于:所述第一光源(1)和第二光源(2)为输出波长相差0.4nm其它参数均一致的可调式脉冲光源。

6.根据权利要求5所述的温度报警器，其特征在于:所述第一光源(1)和第二光源(2)输出脉宽度均为200ns，平均输出功率为-6dBm，工作波长分别为1550nm和1550.4nm。

7.根据权利要求1所述的温度报警器，其特征在于:感温光纤(5)的长度为20km。