一種分布式光纖溫度傳感器的校準方法

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、科技應用等領域有著獨特的優點［1－2］，它在航空航天、遠程控制、化學、生物化學、醫療、安全保險、電力工業等特殊環境下擁有廣闊的應用前景［3－4］。現有的研究方法大多采用提升硬件條件和改進解調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的校準規程和標準。本文在原有分布式光纖溫度傳感器的基礎上，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實意義。

1 理論基礎

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，其主要功能是實現信號的發射、接收、濾波、放大和信息處理，以及數據分析和輸出。計算機可以實現系統的控制、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和光時域反射技術實現溫度分布式測量的傳感器。拉曼散射效應即光纖所處空間各點的溫度場調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絡。光時域反射技術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，體現分布式的特點。

光在光纖中傳播，由光信號轉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(接收過程)和處理器轉換(采集過程)。由于光在光纖中傳播的速度比硬件電路響應信號的速度快得多，當硬件電路響應到光纖上A點的信號時，實際A點位置的光信號已經傳播到達B點，因此，需要一定的光纖長度實現對一個溫度點的準確測量。在光學領域中，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］。空間分辨率越小越好，但受到技術水平和成本的限制，分布式光纖溫度傳感器存在空間分辨率的問題。實際應用中，前端檢測光纖環長度至少要等于空間分辨率，且這一段光纖環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，體現其分布式優勢。但實際上根據分布式光纖溫度傳感器的理論原理和構成，分布式光纖溫度傳感器是很難實現真正意義上每個溫度點的測量。

光纖分辨率的產生過程如圖1所示。

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

2 試驗設計

在0～100℃的溫度范圍內，選取3 m(空間分辨率)光纖環進行測溫試驗，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。所需試驗設備包括恒溫水槽、二等標準鉑電阻溫度計、數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狀(簡稱光纖環)作為分布式光纖溫度傳感器的溫度探頭。根據溫度解調算法，將光纖環測得溫度最大值作為該光纖環的溫度測量值。試驗光纖環位置和長度的對應關系如表1所示。表1中，光纖位置為光纖環測得溫度最大值的位置點，光纖環長度為以光纖位置為中心所量取的長度。

表1 位置和長度的對應關系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境，二等標準鉑電阻溫度計所測的溫度數據作為標準溫度［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字萬用表進行通信，最后利用LabVIEW軟件轉換得到所測恒溫環境的標準溫度值［11］。當計算機軟件平臺指示恒溫水槽達到穩定狀態時，開始校準試驗。在校準試驗中，將所需長度的光纖環與標準器放置在同一環境下，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光纖環校準試驗設計

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

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，實現對試驗溫度點的測量誤差研究。

2.2 5m光纖環校準試驗設計

5 m光纖環校準試驗的目的是對5 m光纖環以校準2個溫度點為基準，分析0～100℃范圍內所測溫度誤差情況。同時，量取2、3、4、5(單位:m)光纖環作為同步試驗研究對象，分析不同長度光纖環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計

光纖位置的影響試驗的目的是對3、4、5(單位:m)光纖環和對應的光纖位置(見表1)產生的測溫誤差進行研究，解決不同光纖環長度和對應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，再對50℃試驗溫度點進行3組測溫試驗。

3 試驗分析及結論

為了消除隨機誤差，將所得的大量隨機數據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據結果，可由Matlab軟件計算得到。由于數據的隨機性，校準點的誤差均值足夠小但很難保證為零。

3.1 3m光纖環校準試驗分析

根據3 m光纖環校準試驗的數據結果，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數據可知，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。觀察縱向數據可以發現，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滿足系統測溫精度。

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。

試驗表明，分布式光纖溫度傳感器需要根據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光纖環校準試驗分析

根據5 m光纖環校準試驗的數據結果，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光纖環效果明顯比校準3 m光纖環要好，可大大提高滿足系統精度要求的溫度范圍。在0～100℃溫度范圍內，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，滿足精度要求;80℃校準點保證高溫段的絕對誤差在1 K內，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光纖環的誤差均值明顯不在±1 K以內，驗證了當光纖環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論。對于3、4、5(單位:m)光纖環(檢測光纖長度≥空間分辨率)的誤差均值結果，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

根據光纖位置影響試驗的數據結果，計算出誤差均值如表3所示。

表3 溫度絕對誤差數據表Tab.3 Temperature absolute error data

由表3可知，針對相同長度光纖環的不同位置，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出來。針對相同位置不同長度的光纖環，也存在不同的誤差，且5 m光纖環比3 m、4 m光纖環的測溫誤差小，驗證了分析結果的正確性。

3.4 試驗結論

本試驗測量數據是分布式光纖溫度傳感器長時間運行所測的結果，由此可知，分布式光纖溫度傳感器的測溫穩定性好。根據上述試驗，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光纖環可實現小范圍滿足精度要求;而對于5 m光纖環，選取兩個校準基準點可使得在0～100℃溫度范圍內，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，可根據具體測溫點來選取幾個或多個校準基準點，實現校準過程。

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、光纖環長度和光纖位置的選取。考慮這三個因素，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 結束語

分布式光纖溫度傳感器應用于定點預警報警領域無疑是穩定的［12］，且測量特定溫度點的準確性較好，但其更多地應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也能夠滿足精度要求。本文對0～100℃內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。但由于測溫范圍較小，試驗結果具有一定的局限性，需要進一步的試驗和研究。

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