張小麗 陳 樂 孫 堅 鄭堅璐

(中國計量學院機電工程學院，浙江 杭州 310018)

0 引言

分布式光纖溫度傳感器在民用、軍工、科技應(yīng)用等領(lǐng)域有著獨特的優(yōu)點［1－2］，它在航空航天、遠程控制、化學、生物化學、醫(yī)療、安全保險、電力工業(yè)等特殊環(huán)境下?lián)碛袕V闊的應(yīng)用前景［3－4］?，F(xiàn)有的研究方法大多采用提升硬件條件和改進解調(diào)算法來提高分布式光纖溫度傳感器的測溫精度［5－7］。目前，分布式光纖溫度傳感器在計量方面還沒有相關(guān)的校準規(guī)程和標準。本文在原有分布式光纖溫度傳感器的基礎(chǔ)上，對分布式光纖溫度傳感器的實際測溫誤差進行溫度校準，使分布式光纖溫度傳感器達到溫度計量標準，具有十分深遠的理論和現(xiàn)實意義。

1 理論基礎(chǔ)

分布式光纖溫度傳感器在硬件上由傳感光纖、終端機和計算機三部分組成，在功能上由激光光源、傳感光纖和檢測單元組成。終端機是系統(tǒng)的核心組成部分，包括光源、耦合器、波分復用器和光電探測器，其主要功能是實現(xiàn)信號的發(fā)射、接收、濾波、放大和信息處理，以及數(shù)據(jù)分析和輸出。計算機可以實現(xiàn)系統(tǒng)的控制、信號處理、顯示儲存以及外部其他擴展功能。

在分布式光纖溫度傳感器中，前端檢測光纖既是傳輸媒體又是傳感媒體［8］。分布式光纖溫度傳感器是基于拉曼散射效應(yīng)和光時域反射技術(shù)實現(xiàn)溫度分布式測量的傳感器。拉曼散射效應(yīng)即光纖所處空間各點的溫度場調(diào)制光纖中反斯托克斯背向拉曼散射光的強度，由波分復用器和光電檢測器采集帶有溫度信息的背向拉曼散射光電信號，再經(jīng)信號處理器將溫度信息實時地從噪聲中提取出來并顯示在計算機上。因此，分布式光纖溫度傳感器是一種典型的光纖溫度通信網(wǎng)絡(luò)。光時域反射技術(shù)是利用光在光纖中的傳播速度和背向光回波的時間間隔，對所測溫度點定位并顯示定位溫度，體現(xiàn)分布式的特點。

光在光纖中傳播，由光信號轉(zhuǎn)化為計算機能采集到的電信號需要3個過程:激光源注入激光脈沖(傳播過程)、光電探測器響應(yīng)(接收過程)和處理器轉(zhuǎn)換(采集過程)。由于光在光纖中傳播的速度比硬件電路響應(yīng)信號的速度快得多，當硬件電路響應(yīng)到光纖上A點的信號時，實際A點位置的光信號已經(jīng)傳播到達B點，因此，需要一定的光纖長度實現(xiàn)對一個溫度點的準確測量。在光學領(lǐng)域中，這段光纖長度L(即為A到B的距離，如圖1所示)被定義為空間分辨率［9］?？臻g分辨率越小越好，但受到技術(shù)水平和成本的限制，分布式光纖溫度傳感器存在空間分辨率的問題。實際應(yīng)用中，前端檢測光纖環(huán)長度至少要等于空間分辨率，且這一段光纖環(huán)所測溫度點相當于一般溫度計量器具所測的一個溫度點。理論上，分布式光纖溫度傳感器可測得光纖長度上每個點的溫度值，體現(xiàn)其分布式優(yōu)勢。但實際上根據(jù)分布式光纖溫度傳感器的理論原理和構(gòu)成，分布式光纖溫度傳感器是很難實現(xiàn)真正意義上每個溫度點的測量。

光纖分辨率的產(chǎn)生過程如圖1所示。

圖1 空間分辨率的產(chǎn)生過程Fig.1 The generation procedures of spatial resolution

2 試驗設(shè)計

在0～100℃的溫度范圍內(nèi)，選取3 m(空間分辨率)光纖環(huán)進行測溫試驗，驗證分布式光纖溫度傳感器的測溫誤差是否滿足測溫精度(±1 K)，從而對分布式光纖溫度傳感器進行溫度校準。所需試驗設(shè)備包括恒溫水槽、二等標準鉑電阻溫度計、數(shù)字萬用表和分布式光纖溫度傳感器。

前端檢測光纖以自然半徑盤繞成環(huán)狀(簡稱光纖環(huán))作為分布式光纖溫度傳感器的溫度探頭。根據(jù)溫度解調(diào)算法，將光纖環(huán)測得溫度最大值作為該光纖環(huán)的溫度測量值。試驗光纖環(huán)位置和長度的對應(yīng)關(guān)系如表1所示。表1中，光纖位置為光纖環(huán)測得溫度最大值的位置點，光纖環(huán)長度為以光纖位置為中心所量取的長度。

表1 位置和長度的對應(yīng)關(guān)系Tab.1 Relationship between position and length

在分布式光纖溫度傳感器校準試驗中，恒溫水槽提供恒溫環(huán)境，二等標準鉑電阻溫度計所測的溫度數(shù)據(jù)作為標準溫度［10］。二等標準鉑電阻溫度計采用四線電阻制連接安捷倫34401A數(shù)字萬用表，以獲取鉑電阻阻值，再利用RS-232串口連接計算機與數(shù)字萬用表進行通信，最后利用LabVIEW軟件轉(zhuǎn)換得到所測恒溫環(huán)境的標準溫度值［11］。當計算機軟件平臺指示恒溫水槽達到穩(wěn)定狀態(tài)時，開始校準試驗。在校準試驗中，將所需長度的光纖環(huán)與標準器放置在同一環(huán)境下，并保持分布式光纖溫度傳感器和二等標準鉑電阻溫度計的同步采集。該方法具有一定的可比性和準確性。

2.1 3m光纖環(huán)校準試驗設(shè)計

3 m光纖環(huán)校準試驗的目的是對3 m光纖環(huán)以校準6個溫度點為基準，分析0～100℃范圍內(nèi)所測溫度誤差情況。

首先開啟恒溫水槽控溫，選取0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100(單位:℃)作為試驗溫度點，然后量取3 m光纖環(huán)放入恒溫水槽中。試驗時分別選取0、30、40、70、80、100(單位:℃)為基準點進行 6 組試驗，每組試驗通過校準一個溫度點為基準，實現(xiàn)對試驗溫度點的測量誤差研究。

2.2 5m光纖環(huán)校準試驗設(shè)計

5 m光纖環(huán)校準試驗的目的是對5 m光纖環(huán)以校準2個溫度點為基準，分析0～100℃范圍內(nèi)所測溫度誤差情況。同時，量取2、3、4、5(單位:m)光纖環(huán)作為同步試驗研究對象，分析不同長度光纖環(huán)對于所測溫度誤差情況的空間分辨率問題。

首先開啟恒溫水槽控溫，選取0、10、20、30、40、50、60、70、80、90、100(單位:℃)作為試驗溫度點，然后量取2、3、4、5(單位:m)光纖環(huán)放入恒溫水槽中。試驗時分別選取50、80(單位:℃)為基準點進行2組試驗，每組試驗通過校準一個溫度點為基準，實現(xiàn)對試驗溫度點的試驗測溫誤差研究。

2.3 光纖位置的影響試驗設(shè)計

光纖位置的影響試驗的目的是對3、4、5(單位:m)光纖環(huán)和對應(yīng)的光纖位置(見表1)產(chǎn)生的測溫誤差進行研究，解決不同光纖環(huán)長度和對應(yīng)的光纖位置對測溫精度的影響問題。

首先開啟恒溫水槽控溫，選取50℃作為試驗溫度點，然后在整段光纖上分別取5個不同位置作為研究對象，分別為 101、551、911、1431、1907(單位:m)，并分別量取3、4、5(單位:m)光纖環(huán)進行3組試驗。以上述5個位置點為中心分別選取3、4、5(單位:m)光纖環(huán)，再對50℃試驗溫度點進行3組測溫試驗。

3 試驗分析及結(jié)論

為了消除隨機誤差，將所得的大量隨機數(shù)據(jù)取平均值進行比較分析。誤差均值是分布式光纖溫度傳感器的溫度均值與標準溫度均值之間的差值，將誤差均值作為試驗數(shù)據(jù)結(jié)果，可由Matlab軟件計算得到。由于數(shù)據(jù)的隨機性，校準點的誤差均值足夠小但很難保證為零。

3.1 3m光纖環(huán)校準試驗分析

根據(jù)3 m光纖環(huán)校準試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果，計算出誤差均值如表2所示。其中，S表示標準溫度均值;T1表示未校準時分布式光纖溫度傳感器的絕對誤差均值;T2～ T7分別表示以 30、40、70、80、100、0(單位:℃)基準點校準后，分布式光纖溫度傳感器的絕對誤差均值。由T2～T7可知，校準后分布式光纖溫度傳感器在校準基準點處的絕對誤差均值足夠小;而由T1可知，在校準基準點處，未校準時的絕對誤差均值較大。

表2 校準后溫度絕對誤差表Tab.2 Absolute temperature error after calibration

由表2數(shù)據(jù)可知，分布式光纖溫度傳感器在各個溫度點所測的誤差隨著溫度的升高而升高，且誤差較大;針對不同的校準點，本試驗校準方法可改善分布式光纖溫度傳感器的測溫誤差。觀察縱向數(shù)據(jù)可以發(fā)現(xiàn)，絕對誤差均值是隨著測溫點與校準基準點差值增大而增大。因此，每個校準基準點只能保證在小范圍內(nèi)滿足系統(tǒng)測溫精度。

在測量大于 60℃的溫度點時，以 0、70、80、100(單位:℃)為校準基準點比以30、40(單位:℃)為校準基準點的測量溫度點絕對誤差均值要小得多。因此，以 0、70、80、100(單位:℃)為校準基準點，可有效減小測量溫度點的絕對誤差均值，且明顯降低50～100℃溫度段的絕對誤差均值，并使誤差保證在2 K范圍內(nèi)。

試驗表明，分布式光纖溫度傳感器需要根據(jù)實際測溫點選取校準基準點進行溫度測量。對于定點測溫，其測溫準確度滿足精度要求，但如果需要測量較大范圍的溫度，就需要考慮校準基準點的選取和誤差的分布情況。

3.2 5m光纖環(huán)校準試驗分析

根據(jù)5 m光纖環(huán)校準試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果，計算出誤差均值如圖2所示。

圖2 溫度誤差圖Fig.2 Temperature error chart

由圖2可知，選取一個校準基準點時，校準5 m光纖環(huán)效果明顯比校準3 m光纖環(huán)要好，可大大提高滿足系統(tǒng)精度要求的溫度范圍。在0～100℃溫度范圍內(nèi)，本試驗選取兩個校準基準點，50℃校準基準點保證低溫段的絕對誤差在1 K內(nèi)，滿足精度要求;80℃校準點保證高溫段的絕對誤差在1 K內(nèi)，滿足精度要求。這樣可大大減少測溫誤差，從而提高校準的試驗效率。

圖2中，由2 m光纖環(huán)的誤差均值明顯不在±1 K以內(nèi)，驗證了當光纖環(huán)長度小于空間分辨率3 m時，測溫誤差達不到分布式光纖溫度傳感器的測溫精度的結(jié)論。對于3、4、5(單位:m)光纖環(huán)(檢測光纖長度≥空間分辨率)的誤差均值結(jié)果，它們的溫度誤差分布趨勢是一致的，主要誤差來源于系統(tǒng)硬件電路的隨機性和各個干擾因素。

3.3 光纖位置的影響試驗分析

根據(jù)光纖位置影響試驗的數(shù)據(jù)結(jié)果，計算出誤差均值如表3所示。

表3 溫度絕對誤差數(shù)據(jù)表Tab.3 Temperature absolute error data

由表3可知，針對相同長度光纖環(huán)的不同位置，隨著光纖位置距離光源越遠，分布式光纖溫度傳感器的絕對誤差越大。其根本原因是光在光纖中傳播時光強會一直衰減，攜帶溫度信息的光強本身較弱，當光傳播到光纖末端時，該信號光強會完全淹沒在噪聲中而無法解調(diào)出來。針對相同位置不同長度的光纖環(huán)，也存在不同的誤差，且5 m光纖環(huán)比3 m、4 m光纖環(huán)的測溫誤差小，驗證了分析結(jié)果的正確性。

3.4 試驗結(jié)論

本試驗測量數(shù)據(jù)是分布式光纖溫度傳感器長時間運行所測的結(jié)果，由此可知，分布式光纖溫度傳感器的測溫穩(wěn)定性好。根據(jù)上述試驗，分布式光纖溫度傳感器在各個溫度點的誤差都不同，測溫點距離校準基準點越遠，其誤差越大。因此，選取不同的校準基準點對于3 m光纖環(huán)可實現(xiàn)小范圍滿足精度要求;而對于5 m光纖環(huán)，選取兩個校準基準點可使得在0～100℃溫度范圍內(nèi)，分布式光纖溫度傳感器的測溫誤差滿足精度要求。實際中測量更大的溫度范圍時，可根據(jù)具體測溫點來選取幾個或多個校準基準點，實現(xiàn)校準過程。

研究表明，影響分布式光纖溫度傳感器測溫準確性的因素包括校準基準點、光纖環(huán)長度和光纖位置的選取?？紤]這三個因素，通過上述校準方法可提高分布式光纖溫度傳感器測溫準確性。

4 結(jié)束語

分布式光纖溫度傳感器應(yīng)用于定點預(yù)警報警領(lǐng)域無疑是穩(wěn)定的［12］，且測量特定溫度點的準確性較好，但其更多地應(yīng)用于測量溫度范圍較大的變化溫度場。由于分布式光纖溫度傳感器的測溫誤差會隨著溫度的變化而變化，無法保證測量的準確性，因此，通過校準試驗方法提高分布式光纖溫度傳感器的測溫準確性，具有一定的研究價值和現(xiàn)實意義。

本文提出一種提高分布式光纖溫度傳感器測溫準確性的校準方法，根據(jù)分布式光纖溫度傳感器的測溫范圍選取合適的溫度校準基準點、光纖環(huán)長度和光纖位置，可大大降低分布式光纖溫度傳感器的測量誤差，且在更大溫度范圍內(nèi)也能夠滿足精度要求。本文對0～100℃內(nèi)的溫度點進行的研究，為將來其他溫度范圍的校準奠定了基礎(chǔ)。但由于測溫范圍較小，試驗結(jié)果具有一定的局限性，需要進一步的試驗和研究。

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