本發(fā)明公開了一種光纖溫度傳感器及其消除該傳感器非線性誤差的方法，具體涉及一種分布式光纖溫度傳感器及消除該傳感器非線性誤差的方法，屬于光纖傳感領(lǐng)域。

背景技術(shù)：
自1985年J.P.Dakin等人首次成功實(shí)現(xiàn)了基于拉曼散射的分布式測溫技術(shù)以來，人們對實(shí)現(xiàn)分布式光纖溫度傳感的各種技術(shù)開展了廣泛研究，其中基于拉曼散射的分布式傳感技術(shù)得到了最為廣泛的實(shí)際應(yīng)用。與傳統(tǒng)的傳感器相比，分布式光纖溫度傳感器具有諸多卓越的優(yōu)勢：以光纖本身作為傳感媒介，一次測量就可以得到沿光纖分布的數(shù)千點(diǎn)溫度信息，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)分布式測量，降低了測量不確定度；測量距離遠(yuǎn)，測量時(shí)間短，適合遠(yuǎn)程實(shí)時(shí)監(jiān)控；靈敏度高，測量精度高，誤報(bào)率、漏報(bào)率低；耐腐蝕、耐水、耐火、電磁干擾免疫，可靠性高，維護(hù)成本低。基于拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器的基本原理是：在傳感光纖的一端注入激光脈沖，當(dāng)激光脈沖在光纖中傳播時(shí)由于纖芯分子的熱振動(dòng)與光子相互作用而發(fā)生能量交換，產(chǎn)生了拉曼散射。具體的說，當(dāng)光子的一部分能量傳遞給分子的熱振動(dòng)時(shí)，那么將發(fā)出波長比原來激光波長長的光子，稱為拉曼斯托克斯(RamanStokes)光；當(dāng)分子熱振動(dòng)的一部分能量傳遞給光子時(shí)，那么將發(fā)出波長比原來激光波長短的光子，稱為拉曼反斯托克斯(RamanAnti-Stokes)光。其中，拉曼反斯托克斯光對溫度很敏感，而拉曼斯托克斯光對溫度不敏感，所以人們通常用拉曼反斯托克斯光來解調(diào)出溫度信息；并且，為了消除光源功率波動(dòng)的影響，通常采用拉曼斯托克斯光作為參考光。拉曼散射技術(shù)結(jié)合光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR，OpticalTimeDomainReflectometer)，就能夠定位溫度信息，從而實(shí)現(xiàn)了分布式光纖溫度傳感。通常稱這種傳感技術(shù)為Raman-DTS(RamanDistributedTemperatureSensing)。中國發(fā)明專利(公開號：CN101696896A)公開了一種分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的光電裝置，如附圖2所示，包括激光器21、光纖Raman-WDM耦合器22、第一光接收模塊31、第二光接收模塊41、第一放大匹配電路32、第二放大匹配電路42、參考光纖環(huán)26、傳感光纖。激光器能夠產(chǎn)生給采集卡的同步信號27，32輸出反斯托克斯光轉(zhuǎn)換的電信號，42輸出斯托克斯光轉(zhuǎn)換的電信號。這是一種典型的Raman-DTS方案。眾所周知，光纖的損耗大小與光波長相關(guān)，由于拉曼反斯托克斯光和拉曼斯托克斯光的波長相差很大(例如在1550nm光源的Raman-DTS系統(tǒng)中，兩者波長相差約200nm)，所以兩者在光纖中傳輸損耗也不同。并且，在實(shí)際應(yīng)用中，傳感光纖的回路有的時(shí)候是由若干段光纖熔接而成的，每段光纖的損耗也可能各不相同。尤其是，隨著測量距離增加，損耗差異對系統(tǒng)測量精度的影響更大。解調(diào)溫度時(shí)，如果不考慮這些損耗的影響，就會(huì)造成系統(tǒng)的非線性誤差，解調(diào)得到的溫度曲線是扭曲的，系統(tǒng)將不能正常工作，研發(fā)一種分布式光纖溫度傳感器及能消除該傳感器非線性誤差的方法成為本領(lǐng)域技術(shù)人員亟待解決的技術(shù)問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對以上現(xiàn)有技術(shù)存在的缺點(diǎn)，提出一種分布式光纖溫度傳感器及消除該傳感器非線性誤差的方法，該分布式光纖溫度傳感器成本低，結(jié)構(gòu)簡單，信噪比好，工作時(shí)穩(wěn)定性好，可靠且溫度分辨率高；利用分段補(bǔ)償損耗差異的方法消除斯托克斯及反斯托克斯光損耗差異帶來的非線性誤差從而消除分布式光纖溫度傳感器非線性誤差的方法，能夠使得Raman-DTS系統(tǒng)解調(diào)出來的溫度曲線與實(shí)際情況相符，從而提高了系統(tǒng)的測溫精度和可靠性。本發(fā)明解決以上技術(shù)問題的技術(shù)方案是：一種分布式光纖溫度傳感器，主要包括機(jī)殼及設(shè)置在機(jī)殼內(nèi)并順次連接的脈沖激光源、波分復(fù)用器及光開關(guān)，光開關(guān)上還連接一光纖盒，光纖盒內(nèi)設(shè)有參考光纖環(huán)，光纖盒上還設(shè)有一與參考光纖環(huán)集成的溫度探頭，參考光纖環(huán)的尾端通過設(shè)置在所述機(jī)殼上的光纖端子與外部的傳感光纖連接；波分復(fù)用器上還依次連接有將拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光轉(zhuǎn)換為對應(yīng)模擬電信號的光電探測模塊、將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號的高速采集卡及工控機(jī)板卡，其中：波分復(fù)用器有四個(gè)端口，脈沖激光源的輸出端連接波分復(fù)用器的輸入端，脈沖激光源的光從波分復(fù)用器的輸入端到正向輸出端穿過，反向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光被波分復(fù)用器分離，分別從波分復(fù)用器的兩個(gè)反向輸出端輸出并傳送至光電探測模塊，波分復(fù)用器的正向輸出端連接光開關(guān)的主端，光開關(guān)的支端連接放置于光纖盒內(nèi)部的參考光纖環(huán)，光纖盒上的溫度探頭測量參考光纖環(huán)的溫度，參考光纖環(huán)的尾端連接機(jī)殼上的光纖端子對外輸出，外部的傳感光纖連接在光纖端子上，利用光開關(guān)將波分復(fù)用器輸出的激光最終送入傳感光纖，光電探測模塊將拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的模擬電信號并輸出給高速采集卡，高速采集卡將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，輸出給工控機(jī)板卡，工控機(jī)板卡上運(yùn)行的軟件系統(tǒng)對數(shù)字電信號進(jìn)行計(jì)算處理，從而解調(diào)出溫度分布的曲線。進(jìn)一步的，本發(fā)明的進(jìn)一步技術(shù)方案為：前述分布式光纖溫度傳感器中，脈沖激光源為直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或光纖激光器，并脈沖激光源的中心波長為1550.12nm，脈沖寬度為10ns，峰值功率為15W，重復(fù)周期為152us，脈沖激光源的重復(fù)周期大于光脈沖在傳感光纖中的傳輸時(shí)間。本發(fā)明中的脈沖激光源為直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器或是光纖激光器，脈沖激光源的峰值功率為15瓦級，在不產(chǎn)生受激拉曼散射等非線性光學(xué)現(xiàn)象的前提下，脈沖激光源的峰值功率越高越好，可以提高系統(tǒng)的信噪比，脈沖激光源的脈沖寬度為10納秒級，窄的脈沖寬度有利于提高系統(tǒng)的空間分辨率，但是也不能太窄否則會(huì)降低信噪比不利于溫度分辨率，本發(fā)明中的參數(shù)經(jīng)過反復(fù)實(shí)驗(yàn)得到的在高與低兩者之間折中，最大限度的發(fā)揮作用。前述分布式光纖溫度傳感器中，參考光纖環(huán)的長度為20-50m，繞制直徑為8-15cm，傳感光纖長度為15km，傳感光纖既是傳輸介質(zhì)又是傳感介質(zhì)，鋪設(shè)在測溫現(xiàn)場不帶電，抗電磁干擾，耐輻射，耐腐蝕；繞制所述參考光纖環(huán)的光纖類型與傳感光纖相同且均為單模光纖或是多模光纖。本發(fā)明中的傳感光纖為15km，較短的長度方便在消除分布式光纖溫度傳感器非線性誤差方法中對傳感光纖進(jìn)行分段補(bǔ)償損耗，傳感光纖的長度越長誤差率越高，減少誤差的可能就降低。前述分布式光纖溫度傳感器中，光纖盒和機(jī)殼的材料為金屬材料：鋁、鋁合金、銅或不銹鋼中的任意一種，采用金屬材料制作盒體和殼體不容易生銹腐蝕，延長使用壽命，降低成本。前述分布式光纖溫度傳感器中，溫度探頭為熱電偶、鉑電阻、熱敏電阻、二極管或是專用測溫芯片；光纖端子為FC、SC法蘭盤或E2000端子中的一種。本發(fā)明采用接觸式的溫度測量方法，操作簡單，測量精度高，有利于后續(xù)數(shù)據(jù)與實(shí)際情況的復(fù)合性，如采用熱電偶具有結(jié)構(gòu)簡單，響應(yīng)快，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量和自動(dòng)控制的特點(diǎn)，應(yīng)用廣泛；本實(shí)用新型采用光纖端子將傳感光纖與光開關(guān)有效的連接在一起，確保傳輸?shù)膮?shù)與實(shí)際情況符合減少誤差等現(xiàn)象。前述分布式光纖溫度傳感器中，光電探測模塊的電路帶寬為100-150MHz，所述高速采集卡的采集速度為500-503MS/s。前述分布式光纖溫度傳感器中，高速采集卡與工控機(jī)板卡的接口為PCI接口或是USB接口。本發(fā)明還設(shè)計(jì)了消除上述分布式光纖溫度傳感器非線性誤差的方法，利用分段補(bǔ)償損耗差異的方法消除拉曼斯托克斯及反斯托克斯光損耗差異帶來的非線性誤差，具體步驟如下：(1)利用分布式溫度傳感器中光電探測模塊探測斯托克斯光和反斯托克斯光的功率并記錄下來，托克斯光和反斯托克斯光功率表達(dá)式如下：其中，Ps、Pas分別表示斯托克斯光和反斯托克斯光功率，P0為光源功率，Ks、Kas分別為斯托克斯光和反斯托克斯光的散射界面系數(shù)，Sb為光纖背向散射系數(shù)，vs、vas分別為斯托克斯光和反斯托克斯光的頻率，α0、αs、αas分別為光源、斯托克斯光和反斯托克斯光在光纖中傳輸?shù)膿p耗系數(shù)，x為傳感光纖中的位置；Rs(T)、Ras(T)是光纖的拉曼散射系數(shù)(跟溫度相關(guān))表達(dá)公式如下：其中，h為普朗克常量，Δv為拉曼頻移，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度；(2)以斯托克斯光為參考光，將式(3)、式(4)分別對應(yīng)帶入式(1)、式(2)中并用步驟(1)中的式(2)除以式(1)，即得到關(guān)于溫度分布的函數(shù)：那么，參考光纖環(huán)所處位置的溫度分布函數(shù)為：由式(5)、式(6)解調(diào)出溫度分布信息為：其中，(αas-αs)·(x-xref)中的項(xiàng)說明拉曼反斯托克斯光和拉曼斯托克斯光的損耗差異會(huì)影響溫度解調(diào)，(αas-αs)不是常數(shù)，例如傳感光纖是由不同的光纖熔接而成的，那么解調(diào)出來的溫度信息隨x位置變化就會(huì)呈折線分布，結(jié)果存在非線性誤差；(3)將傳感光纖分為N段，并計(jì)算每一段的損耗差異并加入式(7)中進(jìn)行分段損耗差異補(bǔ)償，具體如下：步驟(2)的式(7)中(αas-αs)為反斯托克斯光和斯托克斯光的損耗差異令其為Δα，傳感光纖第1段(0到x1)的損耗差異為Δα1，第2段(x1到x2)的損耗差異為Δα2，…，第N段(xN-1到xN)的損耗差異為ΔαN；計(jì)算傳感光纖的第1段溫度時(shí)，將式(7)加上一項(xiàng)進(jìn)行損耗差異補(bǔ)償；同理，計(jì)算傳感光纖的第2段溫度時(shí)，將式(7)加上一項(xiàng)計(jì)算傳感光纖的第N段溫度時(shí)，將式(7)加上一項(xiàng)(4)對于步驟(3)中的計(jì)算公式進(jìn)行運(yùn)算整合，得到一條消除損耗差異影響的平直的傳感光纖溫度曲線如下：有效消除分布式光纖溫度傳感器的非線性誤差，不會(huì)因?yàn)榉此雇锌怂构夂退雇锌怂构獾膿p耗差而對溫度曲線解調(diào)產(chǎn)生影響。本發(fā)明中的各器件均為現(xiàn)有的市場上能買到的，經(jīng)組合在一起能運(yùn)行的。本發(fā)明中分布式光纖溫度傳感器的工作原理：通過高功率的脈沖激光源注入傳感光纖中，沿傳感光纖傳輸所產(chǎn)生的帶有溫度信息的反向反斯托克斯散射光返回波分復(fù)用器并最終到達(dá)光電探測模塊，再經(jīng)光電探測模塊轉(zhuǎn)換為模擬電信號，由高速采集卡采集模擬電信號再轉(zhuǎn)換成數(shù)字電信號，最終傳送至工控機(jī)板卡與斯托克斯光的參數(shù)進(jìn)行對比和相關(guān)處理，最后獲得傳感光纖上各點(diǎn)的溫度信號，繪制溫度曲線。本發(fā)明的有益效果是：本發(fā)明提供了一種結(jié)構(gòu)更為簡單，成本低、信噪比好，可靠性高的分布式光纖溫度傳感器，該傳感器僅需要一個(gè)脈沖激光器、一個(gè)波分復(fù)合器、一個(gè)光開關(guān)、一個(gè)光電探測模塊就可以實(shí)現(xiàn)溫度監(jiān)測；本發(fā)明的分布式光纖溫度傳感器中采用波分復(fù)用器將反向拉曼散射光中的斯托克斯光和煩斯托克斯光分離，分別從波分復(fù)用器的兩個(gè)反向輸出端輸出，減少斯托克斯光和煩斯托克斯光之間的損耗差異對最終解調(diào)出的溫度曲線的影響；本發(fā)明的消除分布式光纖溫度傳感器非線性誤差的方法中采用將傳感光纖分段，進(jìn)行分段補(bǔ)償損耗差異的方法消除非線性誤差，在分布式光纖溫度傳感器中應(yīng)用這種方法，能消除斯托克斯光及反斯托克斯光的損耗差異對溫度曲線解調(diào)的影響，消除了非線性誤差，使得測量的溫度曲線是平直的，從而提高了系統(tǒng)測溫精度。附圖說明圖1是本發(fā)明實(shí)施例中分布式光纖溫度傳感器的結(jié)構(gòu)原理框圖；圖2是現(xiàn)有技術(shù)中的一種分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的光電裝置的原理框圖；圖3是本發(fā)明實(shí)施例沒有采用消除分布式光纖溫度傳感器非線性誤差的方法得到的溫度分布曲線；圖4是本發(fā)明實(shí)施例采用消除分布式光纖溫度傳感器非線性誤差的方法得到的溫度分布曲線；圖中：1、脈沖激光源，2、波分復(fù)用器，3、光開關(guān)，4、光纖盒，5、參考光纖環(huán)，6、溫度探頭，7、光纖端子，8、傳感光纖，9、光電探測模塊，10、高速采集卡，11、工控機(jī)板卡，12、機(jī)殼。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖1-4對本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。實(shí)施例1本實(shí)施例提供一種分布式光纖溫度傳感器，結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括機(jī)殼12及設(shè)置在機(jī)殼12內(nèi)并順次連接的波長為1550.12nm，脈沖寬度為10ns，峰值功率為15W，重復(fù)周期為152us作為脈沖激光源1的MOPA結(jié)構(gòu)的光纖激光器、波分復(fù)用器2及光開關(guān)3，光開關(guān)3上還連接一鋁合金材質(zhì)的光纖盒4，光纖盒4內(nèi)設(shè)有長度為20m，繞制直徑為15m的參考光纖環(huán)5，光纖盒4上還設(shè)有一與參考光纖環(huán)5集成的作為溫度探頭6的專用測溫芯片DS18B20，參考光纖環(huán)5的尾端通過設(shè)置在不銹鋼機(jī)殼12上的E2000端子與外部的長度為15km的50/125um的多模光纖連接；波分復(fù)用器2上還依次連接有將拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光轉(zhuǎn)換為對應(yīng)模擬電信號的電路帶寬為125MHz的光電探測模塊9、將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號的采集速度為500MS/s的ADS5474型高速采集卡10及工控機(jī)板卡11，高速采集卡10與工控機(jī)板卡11的接口為PCI接口，其中：波分復(fù)用器2有四個(gè)端口，脈沖激光源1的輸出端連接波分復(fù)用器2的輸入端，脈沖激光源1的光從波分復(fù)用器2的輸入端到正向輸出端穿過，反向拉曼散射光中的斯托克斯光和反斯托克斯光被波分復(fù)用器2分離，分別從波分復(fù)用器2的兩個(gè)反向輸出端輸出并傳送至光電探測模塊9，波分復(fù)用器2的正向輸出端連接光開關(guān)3的主端，光開關(guān)3的支端連接放置于光纖盒4內(nèi)部的參考光纖環(huán)5，光纖盒4上的溫度探頭6測量參考光纖環(huán)5的溫度，參考光纖環(huán)5的尾端連接機(jī)殼12上的光纖端子7對外輸出，外部的傳感光纖8連接在光纖端子7上，利用光開關(guān)3將波分復(fù)用器2輸出的激光最終送入傳感光纖8，光電探測模塊將拉曼斯托克斯光和反斯托克斯光轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的模擬電信號并輸出給高速采集卡10，高速采集卡10將模擬電信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電信號，輸出給工控機(jī)板卡11進(jìn)行計(jì)算處理，從而解調(diào)出溫度分布的曲線。實(shí)施例2本實(shí)施例提供一種用于消除實(shí)施例1中分布式光纖溫度傳感器非線性誤差的方法，利用分段補(bǔ)償損耗差異的方法消除拉曼斯托克斯及反斯托克斯光損耗差異帶來的非線性誤差，具體步驟如下：(1)利用分布式溫度傳感器中光電探測模塊9探測斯托克斯光和反斯托克斯光的功率并記錄下來，托克斯光和反斯托克斯光功率表達(dá)式如下：其中，Ps、Pas分別表示斯托克斯光和反斯托克斯光功率，P0為光源功率，Ks、Kas分別為斯托克斯光和反斯托克斯光的散射界面系數(shù)，Sb為光纖背向散射系數(shù)，vs、vas分別為斯托克斯光和反斯托克斯光的頻率，α0、αs、αas分別為光源、斯托克斯光和反斯托克斯光在光纖中傳輸?shù)膿p耗系數(shù)，x為傳感光纖中的位置；Rs(T)、Ras(T)是光纖的拉曼散射系數(shù)(跟溫度相關(guān))表達(dá)公式如下：其中，h為普朗克常量，Δv為拉曼頻移，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對溫度；(2)以斯托克斯光為參考光，將式(3)、式(4)分別對應(yīng)帶入式(1)、式(2)中并用步驟(1)中的式(2)除以式(1)，即得到關(guān)于溫度分布的函數(shù)：那么，參考光纖環(huán)所處位置的溫度分布函數(shù)為：由式(5)、式(6)解調(diào)出溫度分布信息為：其中，(αas-αs)·(x-xref)中的項(xiàng)說明拉曼反斯托克斯光和拉曼斯托克斯光的損耗差異會(huì)影響溫度解調(diào)，(αas-αs)不是常數(shù)，例如傳感光纖是由不同的光纖熔接而成的，那么解調(diào)出來的溫度信息隨x位置變化就會(huì)呈折線分布，結(jié)果存在非線性誤差；(3)將傳感光纖分為N段，并計(jì)算每一段的損耗差異并加入式(7)中進(jìn)行分段損耗差異補(bǔ)償，具體如下：步驟(2)的式(7)中(αas-αs)為反斯托克斯光和斯托克斯光的損耗差異令其為Δα，傳感光纖第1段(0到x1)的損耗差異為Δα1，第2段(x1到x2)的損耗差異為Δα2，…，第N段(xN-1到xN)的損耗差異為ΔαN；計(jì)算傳感光纖的第1段溫度時(shí)，將式(7)加上一項(xiàng)進(jìn)行損耗差異補(bǔ)償；同理，計(jì)算傳感光纖的第2段溫度時(shí)，將式(7)加上一項(xiàng)計(jì)算傳感光纖的第N段溫度時(shí)，將式(7)加上一項(xiàng)(4)對于步驟(3)中的計(jì)算公式進(jìn)行運(yùn)算整合，得到一條消除損耗差異影響的平直的傳感光纖溫度曲線如下：有效消除分布式光纖溫度傳感器的非線性誤差，不會(huì)因?yàn)榉此雇锌怂构夂退雇锌怂构獾膿p耗差而對溫度曲線解調(diào)產(chǎn)生影響。通過分段式的補(bǔ)償損耗差異的方法消除了拉曼反斯托克斯光和拉曼斯托克斯光的損耗差異對溫度解調(diào)的影響，從而得到一個(gè)平直的傳感光纖溫度曲線如圖4所示，使得系統(tǒng)解調(diào)出來的溫度曲線與實(shí)際情況相符誤差最大小于1攝氏度，提高了系統(tǒng)測溫精度和可靠性，同時(shí)采用本發(fā)明中的分布式光纖溫度傳感器在一樣的條件下不采用本發(fā)明的方法即得到解調(diào)出溫度分布信息：后不進(jìn)行損耗差異的補(bǔ)償，當(dāng)傳感光纖是由不同的光纖熔接而成時(shí)，(αas-αs)·(x-xref)中的(αas-αs)不是常數(shù)，那么解調(diào)出來的溫度信息隨x位置變化就會(huì)呈折線分布，結(jié)果存在非線性誤差，得到一個(gè)測溫曲線如圖3所示，能明顯看到溫度曲線呈折線狀扭曲，與實(shí)際溫度誤差最大超過4攝氏度。使用本發(fā)明中消除分布式光纖溫度傳感器非線性誤差的方法，能消除斯托克斯光及反斯托克斯光的損耗差異對溫度曲線解調(diào)的影響，消除了非線性誤差，使得測量的溫度曲線是平直的，從而提高了系統(tǒng)測溫精度及可靠性。除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式。凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍。