一种分布式光纤温度传感系统空间分辨率测试方法及装置与流程

本发明属于光纤传感技术领域，涉及一种分布式光纤温度传感系统空间分辨率测试方法及装置。

背景技术：

光纤传感技术由于其传感介质无源、耐腐蚀、抗电磁干扰、使用寿命长等优点，逐渐成为传感领域最具代表性的新兴技术之一。其中，分布式光纤传感技术，利用了光时域反射技术，可对光纤中任意一点的后向散射信号进行定位，因此，具备测量光纤沿线物理量分布的功能。通过一根光纤即可实现对几千米甚至几十千米范围的相关物理量监测。光纤中的后向散射信号，根据其波长不同，可分为瑞利散射光、拉曼散射光、布里渊散射光。瑞利散射光通常用来进行光纤损耗测量，拉曼散射光对温度敏感，一般用作分布式温度测量，布里渊散射光对温度和应变均敏感，通常可用作分布式温度或应变测量。

此类技术通过一束探测光脉冲注入传感光纤，利用光无源器件，从后向散射光信号中分离出所需波长的光信号，根据探测光脉冲入射与接收到后向散射光信号的时间差，结合光速进行定位。分布式光纤温度传感系统中，空间分辨率是最重要的性能指标之一，它决定了系统的分布式程度。空间分辨率是指能够实现温度准确测量的最小光纤长度，系统探测器每一个时间点获得的背向拉曼散射信号都不是光纤上某一点产生的，而是某一小段光纤散射信号的叠加。也就是说，在光纤长度超过系统分辨范围的情况下，其背向拉曼散射信号到达系统探测器的时间难以区分，表现为相互重叠的空间分辨率越高意味着同时测量的温度点越多。随着分布式光纤温度传感系统在大型工厂、隧道、发电站、煤矿等火灾频发场合的应用越来越成熟，对其空间分辨率的要求也越来越高，从而，分布式光纤温度传感系统空间分辨率的测试技术越来越重要。

分布式光纤温度传感系统的空间分辨率传统测试方法多采用恒温水箱测试方法，将光纤分别绕制成与空间分辨率匹配的不同长度线圈，分别置于恒温箱中加热，如果测量温度低于实际温度，则说明传感器不足以分辨线圈的温度，可判断空间分辨率大于线圈长度，如果所测温度接近于实际温度，则可判断空间分辨率小于或者等于线圈长度。测量过程中需人工绕制不同长度光纤，存在一定的长度测量误差；且手工绕制存在光纤圈分布不均匀，易引入测量误差；采用水箱恒温加热的方法存在装置体积大，不便于外场测试携带的缺点，每次测试需具备足够的加热水源，对测试场合要求较高；且采用水箱恒温加热，升温较慢，测试效率较低。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提出一种分布式光纤温度传感系统空间分辨率测试方法及装置，可高效、准确、快速便捷地测试分布式光纤温度传感系统的空间分辨率，通过将光纤绕制在铝合金圆盘上可使光纤快速均匀受热，减小受热光纤的长度偏差，提高测试精度；通过加热片对铝合金圆盘加热大大减小了水槽油槽等加热时间，提高了测试效率。

本发明解决技术的方案是：

一种分布式光纤温度传感系统空间分辨率测试方法，具体步骤如下：

(1)将待测分布式光纤温度传感系统与传感光纤相连接；

(2)对待测分布式光纤温度传感系统的空间分辨率做预估，确定分辨率区间[la,lb]，其中lb大于系统理论空间分辨率，la小于系统理论空间分辨率；

(3)按长度对光纤进行分段并标记，得到长度依次增加的若干段，l1、l2、l3…ln，其中l1＝la、ln＝lb，每段光纤之间间隔一定长度作为冗余光纤；

(4)将各段待测传感光纤l1、l2、l3…ln及各段间的冗余光纤布设在光纤加热装置中；

(5)打开光纤加热装置的电源，对绕制在其中的传感光纤进行加热；

(6)测量各段待测传感光纤的温度分布信息，根据温度数据进行空间分辨率分析和计算。

进一步的，步骤(6)中，若lb≥3m，则空间分辨率分析和计算的方法步骤如下：

(6.1.1)通过分布式光纤温度传感系统获取各段被测传感光纤l1、l2、l3…ln的温度分布曲线，确定各段被测传感光纤平均温度t1、t2、t3...tn；

(6.1.2)通过铂电阻温度计，测量当前铝合金加热圆筒准确温度th；

(6.1.3)将温度t1、t2、t3...tn与准确温度th的90％进行比较，最接近且不小于90％th的温度所对应的待测光纤段长度ln即为该分布式光纤温度传感系统的空间分辨率l。

进一步的，步骤(6)中，若lb＜3m，则空间分辨率分析和计算的方法步骤如下：

(6.2.1)通过分布式光纤温度传感系统获取最长一段被测传感光纤ln的温度分布曲线；

(6.2.2)分析光纤ln的温度分布曲线，确定温度发生阶跃变化上升沿的10％-90％对应的光纤长度l，该长度即为待测系统的空间分辨率l。

进一步的，步骤(6)中，空间分辨率l与待测分布式光纤传感系统空间分辨率指标l0比较，当(1-5％)l0≤l≤(1+5％)l0时，待测分布式光纤传感系统空间分辨率指标达标，测试结束，否则，不达标，测试结束。

一种分布式光纤温度传感系统空间分辨率测试装置，包括分布式光纤温度传感系统、传感光纤和光纤加热单元，

分布式光纤温度传感系统，基于光在光纤中产生的非弹性散射效应及光时域反射原理实现分布式温度测量和定位，分布式光纤温度传感系统与传感光纤相连接；

传感光纤布设于被测物表面，光纤加热单元用来加热传感光纤，使传感光纤温度变化，分布式光纤温度传感系统测量光纤的温度分布并获取温度分布曲线，得到被测物的温度信息，从而计算出分布式光纤温度传感系统的分辨率。

进一步的，在光纤的自发拉曼散射光中，反斯托克斯光的强度与外部温度存在一定关系，通过测量反斯托克斯光和斯托克斯光的强度并进行解算，得到散射点处的温度信息，实现对整个光纤所处温度场的分布式温度测量。

进一步的，光纤加热单元包括铝合金加热圆筒、加热片、冗余光纤缠绕圆筒、电源和底座，

铝合金加热圆筒由若干片铝合金圆盘和加热片底座组成，

铝合金圆盘上开有光纤走线槽，通过设置在边缘的螺钉相互组合；

铝合金加热片底座安装在所述铝合金加热圆筒中间位置；

加热片放置在所述铝合金加热片底座上，并与电源连接；铝合金加热圆筒、冗余光纤缠绕圆筒和电源均固定在底座上。

进一步的，各段待测传感光纤l1、l2、l3…ln依次缠绕在所述各铝合金圆盘上的光纤走线槽中，各段间的冗余光纤缠绕在所述冗余光纤缠绕圆筒上。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

(1)本发明解决了传统测试方法存在的测试装置体积大、不便于外场测试携带、测试效率较低、测试误差大的问题；

(2)本发明通过将光纤缠绕在加热装置的铝合金圆盘光纤走线槽上可使光纤快速均匀受热，减小受热光纤的长度偏差；通过采用加热片对铝合金圆盘加热方式，解决了传统采用水槽油槽等装置进行加热测试时所用时间长等问题，测试效率明显提高；通过加热片可对被测光纤加热温度进行精准控制，测试精度较高；

(3)对于一些油槽水槽使用受限制的环境，以及户外实地测试等场合，本发明可便捷快速地开展空间分辨率的测试，装置不易受环境影响，测试结果较稳定，系统可靠性较高；

(4)本发明广泛适用于各类分布式光纤温度传感系统空间分辨率的测量，测试方法复杂度低、易于实现。

附图说明

图1为本发明实施例测试装置图；

图2为本发明实施例第一种测试方法流程图；

图3为本发明光纤加热装置结构图；

图4为本发明实施例第二种测试方法流程图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步阐述。

如图1所示，一种分布式光纤温度传感系统空间分辨率测试装置包含：分布式光纤温度传感系统1、传感光纤2、光纤加热装置3。

所述光纤加热装置3对所述传感光纤2加热，通过所述分布式光纤温度传感系统1读取被测光纤的温度信息，对此温度信息进行进行空间分辨率的分析和计算。

如图2所示，一种分布式光纤温度传感系统空间分辨率的第一种测试方法包括以下步骤：

(1)根据分布式光纤温度传感理论，对待测分布式光纤温度传感系统的空间分辨率做粗略评估，确定分辨率区间[la,lb]，其中lb大于系统理论空间分辨率，la小于系统理论空间分辨率；

(2)按长度对光纤进行分段并标记，得到长度依次增加的若干段，l1、l2、l3…ln，其中l1＝la、ln＝lb，每段光纤之间间隔5m长度作为冗余光纤；

(3)将各段待测传感光纤l1、l2、l3…ln及各段间的冗余光纤布设在光纤加热装置中；

(4)打开光纤加热装置的电源，对绕制在其中的传感光纤进行加热；

(5)测量各段待测传感光纤的温度分布信息，根据温度数据进行空间分辨率分析和计算。

所述将各段待测传感光纤l1、l2、l3…ln及各段间的冗余光纤布设在光纤加热装置中步骤如下：

(1)将各段待测传感光纤l1、l2、l3…ln依次缠绕在光纤加热装置的铝合金圆盘的光纤走线槽中；

(2)将各段的5m长冗余光纤缠绕在光纤加热装置的冗余光纤缠绕圆筒上，与待测部分光纤分隔开。

所述测量各段待测传感光纤的温度分布信息，根据温度数据进行空间分辨率的分析和计算步骤如下：

(1)通过分布式光纤温度传感系统读取各段待测传感光纤l1、l2、l3…ln的温度分布曲线，求出各段待测传感光纤平均温度t1、t2、t3...tn；

(2)通过铂电阻温度计，测量当前铝合金加热圆筒准确温度th；

(3)将温度t1、t2、t3...tn与准确温度th的90％进行比较，最接近且不小于90％th的温度所对应的待测光纤段长度ln即为该分布式光纤温度传感系统的空间分辨率l。

如图4所示，一种分布式光纤温度传感系统空间分辨率的第二种测试方法包括以下步骤：

(1)根据分布式光纤温度传感理论，对待测分布式光纤温度传感系统的空间分辨率做粗略评估，确定分辨率区间[la,lb]，其中lb大于系统理论空间分辨率，la小于系统理论空间分辨率；

(2)选取足够长待测传感光纤ln，ln大于系统理论空间分辨率，并将光纤末尾保留5m长的冗余光纤间隔；

(3)将待测传感光纤ln及冗余光纤布设在光纤加热装置中；

(4)打开光纤加热装置的电源，对绕制在其中的传感光纤进行加热；

(5)测量传感光纤的温度分布信息，根据温度数据进行空间分辨率分析和计算。

所述将待测传感光纤ln及其冗余光纤布设在光纤加热装置中步骤如下：

(1)将待测传感光纤ln缠绕在光纤加热装置的铝合金圆盘的光纤走线槽中；

(2)将5m长冗余光纤缠绕在光纤加热装置的冗余光纤缠绕圆筒上，与待测部分光纤分隔开。

所述测量传感光纤的温度分布信息，根据温度数据进行空间分辨率的分析和计算步骤如下：

(1)通过分布式光纤温度传感系统读取被测传感光纤ln的温度分布曲线；

(2)分析光纤长度-温度曲线，计算温度发生阶跃变化上升沿的10％-90％对应的光纤长度l，该长度即为待测系统的空间分辨率l。

如图3所示，所述光纤加热装置包括：铝合金加热圆筒4、加热片5、冗余光纤缠绕圆筒6、电源7、底座8。所述铝合金加热圆筒4由若干片铝合金圆盘9和加热片底座10组成。所述铝合金圆盘9上开有光纤走线槽11，通过设置在边缘的螺钉12相互组合。所述加热片5放置在所述铝合金加热片底座10上，并通过电源线13与电源7连接。所述铝合金加热片底座10安装在所述铝合金加热圆筒4中间位置。

本发明提出的一种分布式光纤温度传感系统空间分辨率测试方法可解决传统测试方法存在的测试装置体积大、不便于外场测试携带、测试效率较低、测试误差大的问题。

本发明通过将光纤缠绕在加热装置的铝合金圆盘光纤走线槽上可使光纤快速均匀受热，减小受热光纤的长度偏差；通过采用加热片对铝合金圆盘加热方式，解决了传统采用水槽油槽等装置进行加热测试时所用时间长等问题，测试效率较高；通过加热片可对被测光纤加热温度进行精准控制，测试精度较高；此外，对于一些油槽水槽使用受限制的环境，以及户外实地测试等场合，本发明可便捷快速地开展空间分辨率的测试，装置不易受环境影响，测试结果较稳定，系统可靠性较高。

本发明广泛适用于各类分布式光纤温度传感系统空间分辨率的测量，测试方法复杂度低、易于实现。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。