专利名称：基于分布式光纤温度传感技术的流速测量系统及其方法
技术领域：
本发明涉及一种流速测量技术，特别涉及一种基于分布式光纤温度传感技术 的流速测量系统及其方法。
背景技术：
流速测量是水工试验研究与工程实践中一项至关重要的测试项目。目前使用 较多的有5种方法毕托管流速测量法、微型旋桨流速测量法、热线流速测量法、 激光测量法与粒子图像测速法。
1、 毕托管流速测量法
使用古典的毕托管流速测量仪器，测量方法较简单，但只能用于平均速度测 量或流量测量，且测量精度不高。
2、 微型旋桨流速测量法
微型旋桨式流速仪属直读式流速仪，测量方便，但无法测量到溢洪道泄水槽 底部流速，而且测量高速水流的旋桨容易损坏。
3、 热线流速测量法
热线风速仪对流场特殊性要求少，测量过程相对简单，至今仍是湍流研究的 重要工具。但热丝长细比需要标定，而且又是接触性测量方式，对被测流场产生 干扰。
4、 激光测量法
激光流速仪为非接触测量，具有不破坏介质流态，不影响流速场中的流速分 布，测量精度高，几乎无惯性，动态响应快，测速范围大，测点小，空间分辨率 高，不需要率定，可用于有腐蚀性的流体介质等许多突出优点，因此它的研究和 应用得到迅速发展。激光流速仪用于测量固定点的流速比较方便，但用于测量泄 水槽不同过水断面的流速时，由于需要聚焦对点费时较多，因而测量的总时间长，影响测量速度，且价格太贵。 5、粒子图像测速法
粒子图像测速系统测量时不破坏流场，可以在短时间内测量大面积流速流 向，具有较高的精度，因而近年来得到了广泛的应用；缺点是在大型的物理模型 试验中该系统测量的流场为表面流场，测量过程中光度的变化以及粒子的随水性 等也会影响测量效果。
发明内容
本发明的目的就在于克服现有技术存在的缺点和不足，提供一种基于分布式 光纤温度传感技术的流速测量系统及其方法。 本发明的目的是这样实现的
分布式光纤传感技术是一种先进有效的监测手段，具有防燃、防爆、抗腐蚀、 抗电磁干扰、抗雷击、耐高压、高精度、精巧柔软而不影响被测物物性，能实现 长距离实时快速分布式测量并定位等优点，在诸多监测领域都受到科研工作者的 高度重视，得到了深入的研究，并迅速推广应用。
分布式光纤传感技术主要通过测量到的光纤温度变化来反映监测对象物性 指标的变化，而流体的运动能带走光纤内的热量，且由于光纤小巧柔软，可以制 作成任何形状，因此，采用光纤对流速进行测量，不仅可以得到某一点的流速， 还可以得到需要测量的任何一个断面的流速，因此，光纤传感技术的引进为流速 的监测提供了一种快速有效且方便的方法。
一、基于分布式光纤温度传感技术的流速测量系统(简称系统)
本系统包括被测对象一一流体，设置有分布式光纤温度测量仪、传感光纤、 加热装置和流速计算装置；
传感光纤置于流体中，加热装置、传感光纤、分布式光纤温度测量仪和流速 计算装置前后依次连接；
分布式光纤温度测量仪是一种将光信号转换成温度量的装置；
传感光纤是一种光纤温度传感器；
加热装置是一种给传感光纤提供热源的装置；
流速计算装置是一种将温度换算成流速的装置。其工作原理为
首先是分布式光纤温度测量仪向传感光纤发射激光脉冲，当激光脉冲在传感 光纤中传播的过程中与光纤分子相互作用，发生多种形式的散射，拉曼散射便是 其中一种，拉曼散射光的强度与温度有关，这些光信号再通过光纤返回给分布式 光纤温度测量仪，分布式光纤测量仪根据返回的光信号便得到沿程光纤的初始温 度值；之后，加热装置向传感光纤施加一定功率的电流，对传感光纤加热，传感 光纤温度上升，传感光纤与周围流体发生热传递，不同流速的水使传感光纤传热 量不同，即传感光纤温度上升值不一样；当传感光纤温度稳定之后，分布式光纤 温度测量仪再次向传感光纤发射激光脉冲，测得此时传感光纤温度；最后将温度 值输入流速计算装置，流速计算装置将温度值转换成流速。
综上所述，本系统是通过加热装置和传感光纤测试流速，通过分布式光纤温 度测量仪将流速转换为温度值，通过流速计算装置将温度值换算成流速。
二、基于分布式光纤温度传感技术的流速测量方法(简称方法)
本方法是一种直接测量方法，采用直流电对放置于流体中的传感光纤加热， 通过分布式光纤温度测量仪测量流体中传感光纤的温度，利用水力学、传热学等 基本原理建立温差与流速、加热功率、水体导热系数等之间的关系，并开发相应 的计算程序，最终得到流速大小。
测量基本步骤为
① 按照流速测量要求，将传感光纤制作成需要的形状放入流体中；
② 将传感光纤两头与分布式光纤温度测量仪连接好，将加热装置连接在传 感光纤的两头；
③ 采用分布式光纤温度测量仪测量流体中传感光纤的温度，得到传感光纤 沿程流体的初始温度值；
启动加热装置，根据实际情况，采用适当的恒定功率(一般数瓦/m)对 传感光纤加热，当传感光纤温度达到稳定时，测量此时传感光纤的温度；
⑤将测量到的传感光纤温度值输入流速计算装置，按计算机软件编制程序 得到不同传感光纤位置点的流体速度。
本方法的工作原理是
首先是分布式光纤温度测量仪向传感光纤发射激光脉冲，当激光脉冲在传感
6光纤中传播的过程中与光纤分子相互作用，发生多种形式的散射，拉曼散射便是 其中一种，拉曼散射光的强度与温度有关，这些光信号再通过传感光纤返回给分 布式光纤温度测量仪，分布式光纤温度测量仪根据返回的光信号便得到沿程传感 光纤的初始温度值；之后，加热装置向传感光纤施加一定功率的电流，对传感光 纤加热，传感光纤温度上升，传感光纤与周围流体发生热传递，不同的流速的流 水与传感光纤传热量不同，即传感光纤温度上升值不一样；分布式光纤温度测量 仪再次向传感光纤发射激光脉冲，测得此时传感光纤的温度；最后将温度值输入 流速计算装置，流速计算装置将温度值换算成流速。 本发明具有下列优点和积极效果
1、 能有效快速测量流体的流速场；
2、 能对流体的流速进行实时监控；
3、 监测简便，可以满足各种测量要求；
4、 适用于各种流体流速的测量，尤其适用于大体积流体不同位置流速的测量。
图l是本系统的结构示意图2是分布式光纤温度测量仪的结构方框图3是加热装置的结构方框图4是流速计算装置的结构方框图5是流速计算装置的计算机软件编制程序的工作流程图。
其中
OO—流体；
IO—分布式光纤温度测量仪，
ll一激光组件， 12—光纤及光纤绕组温度传感器;
13—光电接受放大组件， 14一光纤波分复用器，
15—信号处理系统； 20—传感光纤；
30—加热装置，31—交流电源， 34—整流器， 40—流速计算装置，
41一数据输入模块，
32—调压器， 35—加热电线；
42—数据处理模块，
33—稳压器，
43—数据输出模块。
具体实施例方式
下面结合附图和实施例详细说明 一、系统
1、 总体
如图1，本系统包括被测对象一一流体00，设置有分布式光纤温度测量仪
10、传感光纤20、加热装置30和流速计算装置40;
传感光纤20置于流体00中，加热装置30、传感光纤20、分布式光纤温度 测量仪10和流速计算装置40前后依次连接；
分布式光纤温度测量仪10是一种将光信号转换成温度量的装置；
传感光纤20是一种光纤温度传感器；
加热装置30是一种给传感光纤20提供热源的装置；
流速计算装置40是一种将温度换算成流速的装置。
2、 功能块
(1)分布式光纤温度测量仪io
如图2，分布式光纤温度测量仪10有现成产品，包括前后依次连接的激光 组件ll、光纤及光纤绕组温度传感器12、光电接受放大组件13、光纤波分复用 器14和信号处理系统15。
其工作原理是
激光组件11向光纤及光纤绕组温度传感器12发射激光，光纤及光纤绕组温 度传感器12将激光信号传输给光纤，激光在光纤内产生散射，再将散射光信号 反回给光纤绕组温度传感器，光纤绕组温度传感器将散射光信号传输给光电接收 放大组件13，放大后的光信号被光电接受收放大组件13传输给光纤波分复用器 14,光纤波分复用器14将信号进一步处理后传输给信号处理系统15，信号处理 系统15将光信号转换成温度量。① 激光组件11
激光组件ll由带尾纤MOCVD InGaAsP高功率脉冲半导体激光器(出纤功率 >500mW)和激光器驱动电源组成。
② 光纤及光纤绕组温度传感器12
光纤及光纤绕组温度传感器12是指线性分布的光纤和光纤绕组温度传感
器o
③ 光电接受放大组件13
光电接受放大组件13由带尾纤、带前放的光雪崩二极管(APD)和高增益、 宽带、低噪声主放大器组成。
④ 光纤波分复用器12
光纤波分复用器12由1X3双向光纤耦合器(BDC)和波分复用器系统(多 光束干涉型高隔离度光学滤光片)组成。
⑤ 信号处理系统14
信号处理系统14由双通道高速瞬态(50MHz)信号采集处理卡和信号处理软 件组成。
(2) 传感光纤20
传感光纤20是一种线性分布光纤温度传感器；它是在裸纤外层套以一定尺 寸的不锈钢铠装，以提高温度传感的稳定性和防止外界硬物对光纤的损伤。
(3) 加热装置30
加热装置30包括前后依次连接的交流电源31、调压器32、稳压器33、整 流器34和加热电线35; 其工作原理是
交流电源31将交流电输入调压器32，调压器32将交流电调成需要的电压， 利用稳压器33稳定该电压，通过整流器34将稳压交流电转换成直流电，再供给 加热电线35加热。
① 调压器32
调压器32是一种将电源电压调节成所需要电压的设备；其功能是根据光纤 长度、光纤电阻率大小以及所测流速大小，选择相应的电压。
② 稳压器33稳压器33是一种稳定输入电压的设备；其功能是保证施加的电压恒定。 ③整流器34
整流器34是一种将交流电转换成直流电的设备；其功能是是把交流电整流 成直流电，依靠直流电对传感光纤20进行加热。 (4)流速计算装置40
流速计算装置40包括前后依次连接的数据输入模块41、数据处理模块42 和数据输出模块43。
其工作原理是数据输入模块41将温度数据输入数据处理模块42，数据处 理模块42将温度转换成流速，之后通过数据输出模块43通过可视化屏幕输出。
流速计算装置40的作用就是采用计算机软件编制程序，将分布式光纤温度 测量仪10所测温度自动输入程序，根据标定的数据系统，将温度变化量转换成 流速指标。
如图6，计算机软件编制程序的工作流程包括下列步骤
① 数据输入模块41:数据采集设置411和采集所需温度数据；
② 数据处理模块42:温度于流速关系式421和不同位置流速计算422;
③ 数据输出模块43:存储流速数据431和流速与位置的可视化图像。 二、方法
本方法的具体流程为
首先是DTS (分布式光纤温度测量仪)向传感光纤的"6ofe处发射激光信号， 传感光纤中产生拉曼散射，之后，依据传感光纤所处的环境温度差异，传感光纤 向DTS反射回来不同的拉曼散射信息，DTS根据这些信息，采用一些软硬件处理 之后，最后直接输出沿程传感光纤的温度和温度图像。根据不同的需要，输出温 度点的间隔距离可以不相同，比如可以按每0. 2m的间隔距离输出一个温度值， 也可以每0.5m输出一个温度值。DTS便可以按一定的时间间隔(8秒、15秒、 30秒、1分15秒……)连续测量整个传感光纤的温度变化。DTS也可以进行单 端测量，但是为了达到与双端测量同样的精度，需要增加测量的响应时间。
直接测量法的测量原理
未对传感光纤20加热时，即在时间7 = 0时，传感光纤20的温度r等于周
围流体oo的初始温度r。，即7;-r。。设在对加热Ar时间之后，传感光纤20与
10流体00的传热处于稳定状态，这时，传感光纤20的温度保持不变，设其温度为r2。
考虑传热稳定状态，当传感光纤20与流体00传热稳定后，加热装置30在 传感光纤20中所产生的热量等于传感光纤20向流体00传递的传导热和对流热 之和，即
尸=2义+" (1) 式中户为外界加热装置30施加于传感光纤20的功率； 込为流体00与流体00之间的传导热；
gv为流体00与流体00之间的对流热。
根据热传导公式有，2,=^、！，其中^为传感光纤20与流体00之间的
导热面积，人为流体OO的导热系数。由于假定传感光纤20和周围介质之间的
温度梯度为线性关系，上面方程可以写成差分的形式
^,手 (2) 式中Ax为传感光纤20加热之后影响的范围；
Ar为相距为Ax的两点的温度差，在此，Ar-7^-r。(传感光纤20与流 水oo之间的温度差)。
根据牛顿冷却公式以及前述已知条件，传感光纤20与流体00之间的对流
热为
"=尊2-7;)
式中/ 的计算公式为& = 其中D为与冲击角修正系数、流体OO的导
热系数、比热容、密度、运动粘滞系数及光纤直径等有关的常数，"为流体oo
速度；W为流体OO外掠单管的常数。
将仏和a代入式(1)，有
尸=风r2 — r。 +哉72 —r0)
Ax (3)
"(r2-7;)(# + /0引入过于温度^ = :^-7;,得到尸=^^(& + /0，则<formula>formula see original document page 12</formula>
(4)
将/^i).""、尸值、^值代入式(4)，变换成流速w的函数
<formula>formula see original document page 12</formula>
(5)
式中t/为加热装置30的电压； /为加热装置30的电流； 及为传感光纤20的半径；
/为传感光纤20的长度。
于是得到水流速度与传感光纤20过余温度、外界施加的电流和电压、流体 OO的热参数、传感光纤20直径和长度等的关系式，该式即为直接测量法的理论 方程。当率定好传感光纤20的热参数，测得外界所加功率、过于温度等参数量 的值之后，便可以计算出流速的大小。
参考文献李昌华，金德春.河工模型试验[M].北京:人民交通出版社，1981. 12.蔡守允,周益人,谢瑞,等.河流海岸模型测试技术[M].北京:海洋出版社，2004.11. Cai Shouyun. Measurement Technology of the Sedimentation Model Test in the Three Gorges Project(At Dam Site) [C]〃. In: CHES and I舰eds. Proceedings of the First International symposium on Hydraulic Measurement, Beijing, 1994.赵有皓，蔡辉，马虹蛟等.大型河工模型智能化数据采集与控制系统.河海大学学 报，1998， 26(7) :14~19.雒天峰.U形渠道流速分布规律及测流技术研究.[硕士学位论文D],凌阳西北农林 科技大学，2006.吴嘉.流速测量方法综述及仪器的最新进展.计测技术，2005, 25(6): 1~4.蔡守允，杨大明，朱其俊.模型试验流速测量仪器的分析研究.水资源与水工程学 报，2007, 18(3) :36~38.张沈阳，张炳蔚.多普勒剖面流速流向仪在钱塘江河口流速测量中的应用.浙江水利 科技，2008, 157(3) :31~3权利要求
1、一种基于分布式光纤温度传感技术的流速测量系统，包括被测对象——流体(00)，其特征在于设置有分布式光纤温度测量仪(10)、传感光纤(20)、加热装置(30)和流速计算装置(40)；传感光纤(20)置于流体(00)中，加热装置(30)、传感光纤(20)、分布式光纤温度测量仪(10)和流速计算装置(40)前后依次连接；分布式光纤温度测量仪(10)是一种将光信号转换成温度量的装置；传感光纤(20)是一种光纤温度传感器；加热装置(30)是一种给传感光纤(20)提供热源的装置；流速计算装置(40)是一种将温度换算成流速的装置；通过加热装置(30)和传感光纤(20)测试流速，通过分布式光纤温度测量仪(10)将流速转换为温度值，通过流速计算装置(40)将温度值换算成流速。
2、 按权利要求1所述的流速测量系统，其特征在于分布式光纤温度测量仪(10)包括前后依次连接的激光组件(11)、光纤及 光纤绕组温度传感器(12)、光电接受放大组件(13)、光纤波分复用器(14)和 信号处理系统(15)。
3、 按权利要求1所述的流速测量系统，其特征在于传感光纤(20)是一种线性分布光纤温度传感器。
4、 按权利要求1所述的流速测量系统，其特征在于-加热装置(30)包括前后依次连接的交流电源(31)、调压器(32)、稳压器 (33)、整流器(34)和加热电线(35)。
5、 按权利要求1所述的流速测量系统，其特征在于流速计算装置(40)包括前后依次连接的数据输入模块(41)、数据处理模 块(42)和数据输出模块(43)。
6、 按权利要求1所述的流速测量系统的流速测量方法，其特征在于本方法 是一种直接测量方法，采用直流电对放置于流体中的传感光纤加热，通过分布式光纤温度测量仪测量流体中传感光纤的温度，利用水力学、传热学的基本原理建 立温差与流速、加热功率、水体导热系数之间的关系，并开发相应的计算程序， 最终得到流速大小；其测量基本步骤为① 按照流速测量要求，将传感光纤制作成需要的形状放入流体中；② 将传感光纤两头与分布式光纤温度测量仪连接好，将加热装置连接在传 感光纤的两头；③ 采用分布式光纤温度测量仪测量流体中传感光纤的温度，得到传感光纤 沿程流体的初始温度值； 启动加热装置，根据实际情况，采用适当的恒定功率对传感光纤加热， 当传感光纤温度达到稳定时，测量此时传感光纤的温度；⑤将测量到的传感光纤温度值输入流速计算装置，按计算机软件编制程序 得到不同传感光纤位置点的流体速度。
7、按权利要求6所述的流速测量方法，其特征在于计算机软件编制程序的 工作流程包括下列步骤① 数据输入(41):数据采集设置(411)和采集所需温度数据(412);② 数据处理(42):温度与流速关系式(421)和不同位置流速计算(422);③ 数据输出(43):存储流速数据(431)和流速与位置的可视化图像(432)。
全文摘要
本发明公开了一种基于分布式光纤温度传感技术的流速测量系统及其方法，涉及一种流速测量技术。本装置的结构是传感光纤(20)置于流体(00)中，加热装置(30)、传感光纤(20)、分布式光纤温度测量仪(10)和流速计算装置(40)前后依次连接；通过加热装置(30)和传感光纤(20)测试流速，通过分布式光纤温度测量仪(10)将流速转换为温度值，通过流速计算装置(40)将温度值换算成流速。本发明能有效快速测量流体的流速场；能对流体的流速进行实时监控；监测简便，可以满足各种测量要求；适用于各种流体流速的测量，尤其适用于大体积流体不同位置流速的测量。
文档编号G01K11/32GK101598581SQ20091006316
公开日2009年12月9日 申请日期2009年7月14日 优先权日2009年7月14日
发明者俊 何, 巍 吴, 肖本林, 肖衡林, 胡其志 申请人:湖北工业大学土木工程与建筑学院