一种基于激光吸收光谱的分布式光纤温度传感系统技术方案

本发明专利技术提供了一种基于激光吸收光谱的分布式光纤温度传感系统，属于光纤传感器领域，包括：耦合器，其用于接收激光；分布式光纤温度传感器，其包括：中空光纤，其输入端与耦合器的第一输出端相连；多个选择性透镜，等距离设于中空光纤内，选择性透镜表面设有介质膜，其远离耦合器一侧镀有1/4λ厚度的增透膜，其中λ为激光波长；反射镜，设于中空光纤内远离耦合器的一端；光谱分析模块，其输入端与耦合器的第二输出端相连；光谱分析模块通过温度变化时，两条不同吸收谱线对应光谱吸收率积分值的比值与温度的一一对应关系得到温度值，实现温度的测量。该系统能够实现高灵敏、高分辨、高精度的温度分布式测量。度的温度分布式测量。度的温度分布式测量。

【技术实现步骤摘要】
一种基于激光吸收光谱的分布式光纤温度传感系统


[0001]本专利技术属于光纤传感器领域，具体涉及一种基于激光吸收光谱的分布式光纤温度传感系统。

技术介绍

[0002]温度是国际单位制给出的基本物理量之一，在工业生产和科学实验中经常需要进行温度的分布测量，例如长距离输油管道和通信电缆管道的沿线温度分布，大型电力变压器内部温度场，锅炉、舰船、大型建筑、仓库、高压容器、隧道，甚至飞机和航天器机身的温度场分布等等，在化工、电子、冶金、制药等许多行业的生产过程中，都需要对多点温度同时进行监控。
[0003]目前比较常见的温度传感器有热电偶和热敏电阻温度传感器，具有耐热、稳定等优点，但容易受外界电磁场干扰，也受布置方式的影响，且为温度点测量。近二十多年来，光纤温度传感器逐渐应用于工业生产生活中，其与传统温度传感器相比有很多优点，如体积小、质量轻、抗电磁干扰、传输损耗小、易于复用成网以及可埋入性等优点，被广泛应用于能源勘测、航空航天、土木工程等领域的温度监测。
[0004]基于OFDR的分布式光纤传感器和光纤光栅传感器是比较主流的分布式光线温度传感器，其原理在于利用反射波长对温度、应变和压力等的敏感特性进行对应物理量的检测，但其缺点在于单一传感器情况下无法解耦应变与温度，若想实现精确测量，需要布置多路采用不同材料的光纤温度传感器，现场布置难度较大、成本较高。且测温范围一般为
‑
40℃到120℃，在常温条件下测温精度较高，在高温区和低温区测量精度降低。
[0005]可调谐半导体吸收光谱技术(TDLAS)是以分子吸收光谱学为基础，实现温度和气体组分分析的技术。在测量的线性路径上激光能量被待测气体吸收，获得相应的吸收光谱。吸收光谱中包含了测量路径上气体浓度、温度和压力信息，由于高灵敏、环境适应性强和快速响应的特点已经被成功应用于工业分析、环境监测等领域。可调谐二极管激光吸收光谱技术包括直接吸收法和波长调制法两种方法。其中，吸收法原理更形象直观，其测量得到的光谱吸收率信号表明了气体对于激光强度吸收的强弱，从得到的信号中易于对谱线之间的干扰、各种噪音等进行分析判断，并且测量结果直接计算得到，不需要通过标准气体进行校准，实验系统也更简单。
[0006]光纤中的固体玻璃纤维不能携带很高的功率，而中空光纤不存在该问题，且抗损伤、具有更快的传输速度，并且可以避免非线性效应引起的信号失真，保证传输激光束的质量，所以在高精度传感器、激光束传输和时频测量方面比传统光纤更具优势。除此之外，中空光纤在中红外波段具有低光传输损耗且体积小、易弯曲等特点，在正常的弯曲范围内并不影响激光信号传输。所以，中空光纤在吸收光谱测量系统中是一种很理想的气池，且便于器件小型化，适用于现场测量，因此利用中空光纤对现场进行实时测量具有广泛的应用前景。

技术实现思路

[0007]为了克服上述现有技术存在的不足，本专利技术提供了一种基于激光吸收光谱的分布式光纤温度传感系统。
[0008]为了实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0009]一种基于激光吸收光谱的分布式光纤温度传感系统，包括：
[0010]耦合器，其用于接收激光；
[0011]分布式光纤温度传感器，其包括：
[0012]中空光纤，其输入端与所述耦合器的第一输出端相连；
[0013]多个选择性透镜，等距离设于所述中空光纤内，所述选择性透镜表面设有介质膜，其远离所述耦合器一侧镀有1/4λ厚度的增透膜；其中λ为激光波长；
[0014]反射镜，设于所述中空光纤内远离所述耦合器的一端；
[0015]光谱分析模块，其输入端与所述耦合器的第二输出端相连；
[0016]其中，不同波段的激光输出到耦合器中，通过耦合器进入中空光纤内，中空光纤内的多个等距离分布的选择性透镜对激光进行透射和反射，并将温度测量信号反射回耦合器中，由耦合器将温度测量信号导入光谱分析模块中，光谱分析模块通过温度变化时，两条不同吸收谱线对应光谱吸收率积分值的比值与温度的一一对应关系得到温度值，实现温度的测量。
[0017]进一步，还包括：激光发射模块，其输出端与所述耦合器的输入端相连，所述激光发射模块包括：
[0018]信号发生电路；
[0019]半导体激光温度电流控制模块，其输入端与所述信号发生电路的输出端相连；
[0020]近红外DFB半导体激光器，其输入端与所述半导体激光温度电流控制模块输出端相连；
[0021]激光输出接口，其输入端与所述近红外DFB半导体激光器输出端相连，其输出端与所述耦合器输入端相连。
[0022]进一步，所述信号发生电路发出的触发信号为方波，其周期为(n+1)T0；其中，T0＝2L0/c，c为光速，L0为选择性透镜的间隔距离。
[0023]进一步，所述光谱分析模块包括：
[0024]放大器，其输入端与所述耦合器的第二输出端相连；
[0025]示波器，其输入端与所述放大器的输出端相连；
[0026]电脑，其输入端与所述示波器的输出端相连。
[0027]进一步，所述不同吸收谱线对应光谱吸收率积分值的比值为：
[0028][0029]其中，A1、A2为光谱吸收率积分值，I0为无气体吸收时的激光强度，I
t
为经气体介质吸收后的激光强度，P为气体介质压力，X为气体体积浓度，S为气体特征谱线的线强度，L为激光在气体中传播的距离，T为气体介质的温度，R为气体特征谱线的线强度比值。
[0030]进一步，所述谱线强度为：
[0031][0032]其中，T0为参考温度，Q为总的分子内部分割函数，E
″
i
为低跃迁态的能量，v
0,i
为分子跃迁频率，h为普朗克常数，k为波尔兹曼常数，c为光速，在温度低于2500K并且波长小于2.5μm的情况下，最后一项记为1。
[0033]进一步，将所述分布式光纤温度传感器埋入测量对象，其温度响应时间为：
[0034][0035]其中，τ
m
为将分布式光纤温度传感器埋入测量对象的温度响应时间，Q'为分布式光纤温度传感器与测量对象达到热平衡所需热量，Q为分布式光纤温度传感器与测量对象的导热热量，ρ为分布式光纤温度传感器内气体介质密度，c为分布式光纤温度传感器内气体介质比热容，V为分布式光纤温度传感器内气体体积，T2为测量对象温度，T1为分布式光纤温度传感器内气体介质温度，r2为中空光纤外径，r1为中空光纤内径，λ为中空光纤材质的导热系数，A
m
为分布式光纤温度传感器的导热面积。
[0036]进一步，将所述分布式光纤温度传感器置于测量对象表面，其温度响应时间为：
[0037][0038]其中，τ
d
为将分布式光纤温度传感器置于测量对象表面测量的温度响应时间，ρ为分布式光纤温度传感器内气体介质密度，c为分布式光纤温度传感器内气体介质比热容，V为分布式光纤温度传感器内气体体积，h本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于激光吸收光谱的分布式光纤温度传感系统，其特征在于，包括：耦合器(10)，其用于接收激光；分布式光纤温度传感器(12)，其包括：中空光纤，其输入端与所述耦合器(10)的第一输出端相连；多个选择性透镜，等距离设于所述中空光纤内，所述选择性透镜表面设有介质膜，其远离所述耦合器(10)一侧镀有1/4λ厚度的增透膜；其中λ为激光波长；反射镜，设于所述中空光纤内远离所述耦合器(10)的一端；光谱分析模块，其输入端与所述耦合器(10)的第二输出端相连；其中，不同波段的激光输出到耦合器(10)中，通过耦合器(10)进入中空光纤内，中空光纤内的多个等距离分布的选择性透镜对激光进行透射和反射，并将温度测量信号反射回耦合器(10)中，由耦合器(10)将温度测量信号导入光谱分析模块中，光谱分析模块通过温度变化时，两条不同吸收谱线对应光谱吸收率积分值的比值与温度的一一对应关系得到温度值，实现温度的测量。2.根据权利要求1所述的一种基于激光吸收光谱的分布式光纤温度传感系统，其特征在于，还包括：激光发射模块，其输出端与所述耦合器(10)的输入端相连，所述激光发射模块包括：信号发生电路(2)；半导体激光温度电流控制模块(3)，其输入端与所述信号发生电路(2)的输出端相连；近红外DFB半导体激光器(4)，其输入端与所述半导体激光温度电流控制模块(3)输出端相连；激光输出接口(6)，其输入端与所述近红外DFB半导体激光器(4)输出端相连，其输出端与所述耦合器(10)输入端相连。3.根据权利要求2所述的一种基于激光吸收光谱的分布式光纤温度传感系统，其特征在于，所述信号发生电路(2)发出的触发信号为方波，其周期为(n+1)T0；其中，T0＝2L0/c，c为光速，L0为选择性透镜的间隔距离。4.根据权利要求1所述的一种基于激光吸收光谱的分布式光纤温度传感系统，其特征在于，所述光谱分析模块包括：放大器(13)，其输入端与所述耦合器(10)的第二输出端相连；示波器(15)，其输入端与所述放大器(13)的输出端相连；电脑(16)，其输入端与所述示波器(15)的输出端相连。5.根据权利要求1所述的一种基于激光吸收光谱的分布式光纤温度传感系统，其特征在于，所述不同吸收谱线对应光谱吸收率积分值的比值为：其中，A1、A2为光谱吸收率积分值，I0为无气体吸收时的激光...

【专利技术属性】
技术研发人员：王珍珍，徐哲锴，周王峥，张荣荣，覃孝伟，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：