CN101696896B - 分布式光纤温度传感***的光电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分布式光纤温度传感***的光电装置，包括：激光器、光纤Raman-WDM耦合器、第一光接收模块、第二光接收模块、第一放大匹配电路、第二放大匹配电路；所述激光器的输出端与光纤Raman-WDM耦合器的输入端通过光纤相连接，所述光纤Raman-WDM耦合器的反馈端与传感光纤相连，光纤Raman-WDM耦合器的两个输出端分别与第一光接收模块和第二光接收模块相连；第一光接收模块与第一放大匹配电路相连；第二光接收模块与第二放大匹配电路相连。该装置用于产生光脉冲，将传感光纤中带有温度信息的后向拉曼散射光信号转变为电信号，并将该电信号调理输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种光纤温度传感装置，尤其是指将分布式光纤温度传感***的光路和光接收电路整合为一体的装置，属于光纤传感领域。
背景技术
分布式光纤温度传感***是一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术产品，它不仅具有普通光纤传感器的优点，还具有对光纤沿线各点的温度的分布式传感能力，利用这种特点我们可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点的温度，空间分辨率1米，定位精度1米的量级，测温精度可达1度的水平，非常适用于大范围多点测温的应用场合。因此这种光纤传感器在高压电力电缆、大型发电机定子、大型变压器、锅炉等设施的温度定点传感场合具有广泛的应用，因为在这些场合如果采用传统分散式的传感器逐点监测，不仅安装困难，而且整个***会结构庞大，使用不便，电力设施的强电磁干扰也会影响测量的可靠性。
目前常用的光纤温度传感器是利用拉曼散射以获得温度信号的。拉曼散射(Raman scattering)是指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，又称拉曼效应。在散射光谱中激发线的两侧各存在一条谱线：低频一端的曲线的频率为v0-Δv，称之为斯托克斯(Stokes)线或红伴线；高频一端曲线的频率为v0+Δv，称之为反斯托克斯(Anti-stokes)线或紫伴线。中国专利公开号为CN101344442，公开日为2009年1月14日，名称为“一种自动校准型分布式光纤测温传感装置及其使用方法”的申请案公开的就是一种利用拉曼散射原理的光纤温度传感装置。
然而，在分布式光纤温度传感***中，光路部分和光接收的电路部分通常是分散布置的，在布置***时就会产生大量的线路排布等问题，运行整个***的时候，光路部分和光接收的电路部分的稳定性、准确性也会受到影响。
鉴于此，实有必要提供一种分布式光纤温度传感***的光电装置，以解决上 述问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于提供一种分布式光纤温度传感***的光电装置，该装置用于产生光脉冲，将传感光纤中带有温度信息的后向拉曼散射光信号转变为电信号，并将该电信号调理输出。
为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种分布式光纤温度传感***的光电装置，包括：激光器、光纤Raman-WDM耦合器、第一光接收模块、第二光接收模块、第一放大匹配电路、第二放大匹配电路；
所述光纤Raman-WDM耦合器包括一个输入端，一个反馈端和两个输出端，用于获得Anti-stokes光信号和Stokes光信号；所述激光器的输出端与光纤Raman-WDM耦合器的输入端通过光纤相连接；所述光纤Raman-WDM耦合器的反馈端与传感光纤相连；光纤Raman-WDM耦合器的两个输出端分别与第一光接收模块和第二光接收模块相连，用于将获得的Anti-stokes光信号和Stokes光信号分别输出至第一光接收模块和第二光接收模块；
第一光接收模块和第二光接收模块用于分别将Anti-stokes光信号和Stokes光信号转换为Anti-stokes电信号和Stokes电信号；所述第一光接收模块与第一放大匹配电路相连，用以将获得的Anti-stokes电信号匹配放大输出；所述第二光接收模块与第二放大匹配电路相连，用以将获得的Stokes电信号匹配放大输出。
进一步地，所述激光器为大功率窄脉冲光纤激光器，用于产生宽度为5-15ns的光脉冲。
进一步地，所述光纤Raman-WDM耦合器包括：光纤环形器、Anti-stokes滤波片及Stokes滤波片；
所述光纤环形器包括一个输入端、一个输出端和一个反馈端，其输入端与激 光器的输出端相连，用于接收激光器发射的光脉冲，其反馈端与传感光纤相连，用于向传感光纤注入所述光脉冲，并后向传输在传感光纤中产生的后向散射光，其输出端将所述后向散射光输出；
所述Anti-stokes滤波片及Stokes滤波片均包括光输入端、透射光输出端与反射光输出端；所述Anti-stokes滤波片的光输入端与光纤环形器的输出端相连，其透射光输出端与第一光接收模块相连，用于分离得到Anti-stokes光信号，其反射光输出端与所述Stokes滤波片的光输入端相连；所述Stokes滤波片的透射光输出端与第二光接收模块相连，用于分离得到Stokes光信号。
进一步地，所述光纤Raman-WDM耦合器还包括光收集器，其与所述Stokes滤波片的反射光输出端相连。
进一步地，所述第一光接收模块包括第一光电探测器和与之相连的第一前级放大电路，用于将光纤Raman-WDM耦合器分离得到的Anti-stokes光信号转换为电信号，并放大得到Anti-stokes前置放大信号，即Anti-stokes电信号；所述第二光接收模块包括第二光电探测器和与之相连的第二前级放大电路，用于将光纤Raman-WDM耦合器分离得到的Stokes光信号转换为电信号，并放大得到Stokes前置放大信号，即Stokes电信号。
进一步地，所述激光器还包括同步信号输出端，用于输出同步信号，所述同步信号是与激光器输出的光脉冲同步输出的电脉冲信号。
进一步地，所述传感光纤与所述光纤Raman-WDM耦合器的反馈端之间还设有参考光纤环及与之集成的温度传感器芯片，用于提供分布式光纤温度传感***定标需要的温度测量参考值。
相较于现有技术，本发明的有益效果在于：
本装置可以将分布式光纤温度传感***中的光路和光接收电路整合于一体，可更好的保护电路器件，起到防水、防火、防爆、耐腐蚀、抗电磁干扰等作用，使其具有更佳的稳定性和准确性。此外，本装置还具有结构简单、体积小、重量轻、便于安装、成本低等特点。
附图说明
图1是实施例中分布式光纤温度传感***的光电装置的模型图；
图2是分布式光纤温度传感***的光电装置的结构示意图；
图3是光纤Raman-WDM耦合器的结构示意图；
图4是普通耦合器+拉曼光滤波器的提取方式示意图。
图中标记说明：
1激光器
2光纤Raman-WDM耦合器
21光纤环形器
22Anti-stokes滤波片
23Stokes滤波片
24光收集器
31第一光接收模块
32第一放大匹配电路
41第二光接收模块
42第二放大匹配电路
5传感光纤
6参考光纤环
7同步信号输出端
具体实施方式
下面结合附图进一步说明本发明的具体实施步骤。
本实施例中，分布式光纤温度传感***的光电装置的模型如图1所示，包括传感光纤输入口、Anti-stokes电信号输出口、Stokes电信号输出口、同步信号输出口。
图2为该装置的总体结构示意图，其包括：激光器1、光纤Raman-WDM耦合器2、第一光接收模块31、第二光接收模块41、第一放大匹配电路32、第二放 大匹配电路42；
所述光纤Raman-WDM耦合器2包括一个输入端，一个反馈端和两个输出端，用于获得Anti-stokes光信号和Stokes光信号；所述激光器1的输出端与光纤Raman-WDM耦合器2的输入端通过光纤相连接；所述光纤Raman-WDM耦合器2的反馈端与传感光纤5相连；光纤Raman-WDM耦合器2的两个输出端分别与第一光接收模块31和第二光接收模块41相连，用于将获得的Anti-stokes光信号和Stokes光信号分别输出至第一光接收模块31和第二光接收模块41；
第一光接收模块31和第二光接收模块41用于分别将Anti-stokes光信号和Stokes光信号转换为Anti-stokes电信号和Stokes电信号；所述第一光接收模块31与第一放大匹配电路32相连，用以将获得的Anti-stokes电信号匹配放大输出；所述第二光接收模块41与第二放大匹配电路42相连，用以将获得的Stokes电信号匹配放大输出。
进一步地，所述激光器1为大功率窄脉冲光纤激光器，用于产生宽度为5-15ns的光脉冲。
进一步地，所述光纤Raman-WDM耦合器2包括：光纤环形器21、Anti-stokes滤波片22及Stokes滤波片23，如图3所示；
所述光纤环形器21包括一个输入端、一个输出端和一个反馈端，其输入端与激光器1的输出端相连，用于接收激光器1发射的光脉冲，其反馈端与传感光纤5相连，用于向传感光纤5注入所述光脉冲，并后向传输在传感光纤5中产生的后向散射光，其输出端将所述后向散射光输出；
所述Anti-stokes滤波片22及Stokes滤波片23均包括光输入端、透射光输出端与反射光输出端；所述Anti-stokes滤波片22的光输入端与光纤环形器21的输出端相连，其透射光输出端与第一光接收模块31相连，用于分离得到Anti-stokes光信号，其反射光输出端与所述Stokes滤波片23的光输入端相连；所述Stokes滤波片23的透射光输出端与第二光接收模块41相连，用于分离得到Stokes光信号。
进一步地，所述光纤Raman-WDM耦合器2还包括光收集器24，其与所述 Stokes滤波片23的反射光输出端相连。
进一步地，所述第一光接收模块31包括第一光电探测器和与之相连的第一前级放大电路，用于将光纤Raman-WDM耦合器2分离得到的Anti-stokes光信号转换为电信号，并放大得到Anti-stokes前置放大信号，即Anti-stokes电信号；所述第二光接收模块41包括第二光电探测器和与之相连的第二前级放大电路，用于将光纤Raman-WDM耦合器2分离得到的Stokes光信号转换为电信号，并放大得到Stokes前置放大信号，即Stokes电信号。
进一步地，所述激光器1还包括同步信号输出端7，将同步信号经由装置外壳的同步信号输出口输出。所述同步信号是与激光器输出的光脉冲同步输出的电脉冲信号，它可通知外接A\D采集器开始A\D信号采集。触发模式可分为外同步、内触发两种模式。
进一步地，所述传感光纤5与所述光纤Raman-WDM耦合器2的反馈端之间还设有参考光纤环6及与之集成的温度传感器芯片，用于提供分布式光纤温度传感***定标需要的温度测量参考值，能为提高***稳定性进行取样校正。
本装置具体实施时：
采用后向散射探测方法，由光纤激光器产生很窄的光脉冲，即光探测脉冲。光探测脉冲的宽度确定了分布式光纤温度传感***的空间分辨率，光探测器在某个时刻探测到的光能量是与光脉冲宽度对应的一段光纤的后向散射光能量的贡献总和，因此由光脉冲宽度就决定了一个空间分辨率。一般光脉冲宽度为5-15ns，优选为10ns；重复频率：1khz～10kHz内可调，调节精度1kHz；光脉冲峰值功率：15W。光脉冲经光纤传输至光纤Raman-WDM耦合器的入射端，再进入传感光纤，在传感光纤中产生的后向散射光再经光纤Raman-WDM耦合器分离(光纤Raman-WDM耦合器内含Anti-stokes滤波片、Stokes滤波片)，分离后得到携带温度信号的后向反斯托克斯拉曼散射光和作为参考信号的后向斯托克斯拉曼散射光，自此便完成了光信号的接收工作。其中，Anti-stokes散射光和stokes散射光的波长由激光器的中心波长决定。
从Anti-stokes滤波片分离出来的后向反斯托克斯拉曼散射光和Stokes 滤波片分离出来的斯托克斯拉曼散射光再分别进入第一光电探测器和第二光电探测器进行光电转换，再经前级放大电路放大，从而完成信号的光电探测工作。此时信号已由光功率形式转换成电平形式，再分别进入第一放大匹配电路和第二放大匹配电路对电压信号进行放大，最终得到电压值为1VPP的拉曼散射信号Anti-stokes和Stokes电信号，输出电压值与外接A\D采集器的模拟输入相匹配。
所述光纤Raman-WDM耦合器，它接收光脉冲，经光纤环形器注入到传感光纤中，在传感光纤中产生的后向散射光再经光纤Raman-WDM耦合器进行光滤波和分离。与传统的普通耦合器+光滤波器的拉曼光信号的提取方式相比，这种方式有用光提取效率更高。光纤Raman-WDM耦合器的结构示意图如图3。普通耦合器+拉曼光滤波器的提取方式如图4。
本装置将分布式光纤温度传感***中的光路和光接收电路整合于一体，在布置***时更加便于安装，运行整个***的时候，由于将光路部分和光接收的电路部分整合于一体，可更好的保护电路器件，起到防水、防火、防爆、耐腐蚀、抗电磁干扰等作用，使其具有更佳的稳定性和准确性。
这里本发明的描述和应用是说明性的，并非想将本发明的范围限制在上述实施例中。这里所披露的实施例的变形和改变是可能的，对于那些本领域的普通技术人员来说实施例的替换和等效的各种部件是公知的。本领域技术人员应该清楚的是，在不脱离本发明的精神或本质特征的情况下，本发明可以以其他形式、结构、布置、比例，以及用其他元件、材料和部件来实现。在不脱离本发明范围和精神的情况下，可以对这里所披露的实施例进行其他变形和改变。
Claims (5)
1.一种分布式光纤温度传感***的光电装置，其特征在于，该装置包括：激光器(1)、光纤Raman-WDM耦合器(2)、第一光接收模块(31)、第二光接收模块(41)、第一放大匹配电路(32)、第二放大匹配电路(42)；
所述光纤Raman-WDM耦合器(2)包括一个输入端，一个反馈端和两个输出端，用于获得Anti-stokes光信号和Stokes光信号；所述激光器(1)的输出端与光纤Raman-WDM耦合器(2)的输入端通过光纤相连接；所述光纤Raman-WDM耦合器(2)的反馈端与传感光纤(5)相连；光纤Raman-WDM耦合器(2)的两个输出端分别与第一光接收模块(31)和第二光接收模块(41)相连，用于将获得的Anti-stokes光信号和Stokes光信号分别输出至第一光接收模块(31)和第二光接收模块(41)；
第一光接收模块(31)和第二光接收模块(41)用于分别将Anti-stokes光信号和Stokes光信号转换为Anti-stokes电信号和Stokes电信号；所述第一光接收模块(31)与第一放大匹配电路(32)相连，用以将获得的Anti-stokes电信号匹配放大输出；所述第二光接收模块(41)与第二放大匹配电路(42)相连，用以将获得的Stokes电信号匹配放大输出；
所述光纤Raman-WDM耦合器(2)包括：光纤环形器(21)、Anti-stokes滤波片(22)及Stokes滤波片(23)；
所述光纤环形器(21)包括一个输入端、一个输出端和一个反馈端，其输入端与激光器(1)的输出端相连，用于接收激光器(1)发射的光脉冲，其反馈端与传感光纤(5)相连，用于向传感光纤(5)注入所述光脉冲，并后向传输在传感光纤(5)中产生的后向散射光，其输出端将所述后向散射光输出；
所述Anti-stokes滤波片(22)及Stokes滤波片(23)均包括光输入端、透射光输出端与反射光输出端；所述Anti-stokes滤波片(22)的光输入端与光纤环形器(21)的输出端相连，其透射光输出端与第一光接收模块(31)相连，用于分离得到Anti-stokes光信号，其反射光输出端与所述Stokes滤波片(23)的光输入端相连；所述Stokes滤波片(23)的透射光输出端与第二光接收模块(41)相连，用于分离得到Stokes光信号；
所述光纤Raman-WDM耦合器(2)还包括光收集器(24)，其与所述Stokes滤波片(23)的反射光输出端相连。
2.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感***的光电装置，其特征在于：所述激光器(1)为大功率窄脉冲光纤激光器，用于产生宽度为5-15ns的光脉冲。
3.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感***的光电装置，其特征在于：所述第一光接收模块(31)包括第一光电探测器和与之相连的第一前级放大电路，用于将光纤Raman-WDM耦合器(2)分离得到的Anti-stokes光信号转换为电信号，并放大得到Anti-stokes前置放大信号，即Anti-stokes电信号；所述第二光接收模块(41)包括第二光电探测器和与之相连的第二前级放大电路，用于将光纤Raman-WDM耦合器(2)分离得到的Stokes光信号转换为电信号，并放大得到Stokes前置放大信号，即Stokes电信号。
4.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感***的光电装置，其特征在于：所述激光器(1)还包括同步信号输出端(7)，用于输出同步信号，所述同步信号是与激光器(1)输出的光脉冲同步输出的电脉冲信号。
5.根据权利要求1所述的分布式光纤温度传感***的光电装置，其特征在于：所述传感光纤(5)与所述光纤Raman-WDM耦合器(2)的反馈端之间还设有参考光纤环(6)及与之集成的温度传感器芯片，用于提供分布式光纤温度传感***定标需要的温度测量参考值。
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| C53 | Correction of patent of invention or patent application | ||
| CB03 | Change of inventor or designer information |
Inventor after: Yang Bin Inventor after: Liu Liang Inventor after: Gao Wei Inventor after: Xi Gang Inventor after: Zhou Zhengxian Inventor after: Tong Fangxuan Inventor after: Liu Gang Inventor after: Zhang Hongyu Inventor after: Wang Ling Inventor before: Yang Bin Inventor before: Liu Liang Inventor before: Gao Wei Inventor before: Xi Gang Inventor before: Zhou Zhengxian Inventor before: Tong Fangxuan |
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| COR | Change of bibliographic data |
Free format text: CORRECT: INVENTOR; FROM: YANG BIN LIU LIANG GAO WEI XI GANG ZHOU ZHENGXIAN TONG FANGXUAN TO: YANG BIN LIU LIANG GAO WEI XI GANG ZHOU ZHENGXIAN TONG FANGXUAN LIU GANG ZHANG HONGYU WANG LING |
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| TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20131205 Address after: Qingpu District of Shanghai city in 201711 Zhao Tun Zhen Zhao road 31 Lane 2, Yunfeng building 701 room B Patentee after: SHANGHAI BOOM FIBER SENSING TECHNOLOGY Co.,Ltd. Patentee after: BENXI POWER SUPPLY COMPANY OF STATE GRID LIAONING ELECTRIC POWER SUPPLY Co.,Ltd. Address before: Qingpu District of Shanghai city in 201711 Zhao Tun Zhen Zhao road 31 Lane 2, Yunfeng building 701 room B Patentee before: SHANGHAI BOOM FIBER SENSING TECHNOLOGY Co.,Ltd. |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20120704 Termination date: 20210805 |
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |