低温环境下基于拉曼分布式光纤测温的标定装置、方法与流程

低温环境下基于拉曼分布式光纤测温的标定装置、方法与流程

本发明涉及低温环境的温度检测，尤其涉及低温环境下基于拉曼分布式光纤测温的标定装置、方法。

背景技术

近年来，随着各地大科学装置的建设落实，制冷和低温技术研究被广泛应用于各个科学领域，是前沿基础理论的重要支撑，而要保障低温制冷的可靠运行和低温传输的合理分配，对于极低温环境的温度检测愈加关键。

目前，在液氦温区(4k)和液氮温区(77k)的温度测量主要是以四线制测量温敏电阻阻值的方式来进行的，温敏电阻在低温下随温度波动变化的阻值是常温下的上百倍，而四线制测量法可以消除导线电阻带来的误差，因此该方法在低温下有着非常高的测量精度，温敏电阻也被广泛采购应用于低温装置的核心部件，然而这种基于温敏电阻的测量方式有着十分明显的短板，由于其十分昂贵的价格，使其无法大规模地测量低温大装置的温度分布情况，同时由于四线制测电阻时电阻丝通电会产生干扰磁场，使其无法应用于对磁场敏感的场合。

此外，基于红外成像的测温技术也逐渐被应用于低温环境中，其原理主要是基于金属面与空气的对流换热效应，这也局限了该技术难以应用于真空环境中，同时其精度提升方式与缺陷识别仍有待完善。

光纤布拉格光栅作为一种新型的温度传感器也逐渐被应用于极低温环境，与传统的温度传感器相比具有明显的优势，如体积小，易嵌入结构中，不受电磁场干扰等，但该传感器受应力干扰，需要解调出应力的变量成分，故而该系统的标定和解调较为复杂。

以上几种测温方式都属于分立式测温系统，即点对点的测温方式，每次只能测取一个点的温度变化情况，无法及时地测量温度场的分布情况，而基于拉曼分布式测温系统是可以做到同时检测传感光纤上所有点的温度分布情况，但是目前成熟的拉曼测温系统的温度精度和距离精度很低，故而很少用在低温领域。

如公开号为cn110987231a的中国发明专利申请《一种分布式光纤快速监测超导体温度系统》包括分布式单模光纤拉曼测温设备、超导体、聚酰亚胺单模光纤、液氮槽、函数发生器和示波器，超导体表面进行开槽，聚酰亚胺单模光纤安装在超导体的表面槽内，聚酰亚胺单模光纤接入到分布式单模光纤拉曼测温设备上，超导体会放置进入到液氮槽中，函数发生器接入到超导体的一端，示波器接入到超导体的另一端，实现液氮环境中对超导体进行状态监测，该温度系统只应用在液氮温区(77k)，通过示波器进行解调，解调方式是以初始温度t0作为参考量，以公式法计算得出温度-拉曼信号的关系式，可是公式法的可靠性只能在0℃至100℃有效，但在低温-196℃至0℃下，温度-拉曼信号的关系完全不满足其推导公式函数，在零下温区解调温度必须进行多点标定，只以初始常温作为参考量所得到的温度测量值完全不可信，且该温度系统通过示波器进行解调的方式由于没有消除拉曼噪声干扰，也使其测量精度几乎无法应用于低温环境。

技术实现思路

本发明所要解决的技术问题在于如何解决拉曼测温系统用在低温领域测温精度很低而无法应用的问题。

本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：低温环境下基于拉曼分布式光纤测温的标定装置，所述标定装置包括等温块，等温块位于真空腔室内，等温块上放置有标准温度计和光纤，真空腔室置于液氦温区，控制真空腔室的内部温度缓慢上升至室温，采集标准温度计的温度和光纤的拉曼信号并拟合得到拉曼光强和温度的对应关系，实现液氦温区至室温的全温区标定。

本发明将标准温度计和光纤放置于同一个等温块上，等温块置于真空腔室，通过控制真空腔室的内部温度从液氦温区逐渐缓慢上升至室温，采集标准温度计的温度作为标定的真实温度，采集光纤中返回的拉曼散射信号，由于拉曼散射信号只受温度影响，通过将标准温度与拉曼信号进行拟合，能够准确标定出液氦温区至室温环境下的拉曼光强与温度的对应关系，从而消除现有技术采用公式法计算出拉曼信号与温度关系所产生的误差，由于本发明能够实现液氦温区至室温的全温区标定，使得拉曼测温系统能够用于低温或超低温的温度测量且测量的精度能够得到保证。

优选的，所述等温块上有孔室，标准温度计置于孔室内，光纤绕在等温块的外壁。

优选的，所述真空腔室包括外隔热屏障、内隔热屏障、热沉、引线热沉，引线热沉位于热沉上用于标准温度计的布线，等温块固定在热沉的一端，内隔热屏障包裹等温块和标准温度计的引线且其开口端固定在热沉的另一端，外隔热屏障包裹内隔热屏障且其开口端固定在热沉的另一端。

优选的，所述标定装置还包括光纤真空法兰、液氦杜瓦，所述真空腔室置于液氦杜瓦内，光纤真空法兰固定在液氦杜瓦的开口端，光纤穿过光纤真空法兰接入真空腔室。

优选的，所述标定装置还包括测温主机和光纤测温系统，测温主机连接标准温度计用于监测标准温度计的温度，并通过控制标准温度计的温度缓慢回升实现控制真空腔室的内部温度缓慢上升至室温，光纤测温系统连接光纤用于采集光纤的拉曼信号。

优选的，所述光纤测温系统包括脉冲光源、波分复用器、光电探测器、采集卡、上位机，脉冲光源分别连接到波分复用器、采集卡，脉冲光源每隔设定频率自动发射脉冲光线，脉冲光线经过波分复用器筛选后进入光纤，光纤的拉曼散射光返回进入波分复用器，光电探测器连接到波分复用器，用于探测拉曼散射光并将光强模拟信号转换为电平模拟信号，采集卡连接到光电探测器，上位机连接到采集卡，采集卡以不低于200mhz的频率采集电平模拟信号，并将电平模拟信号放大后转换为电平数字信号输入到上位机。

本发明还提供低温环境下基于拉曼分布式光纤测温的标定方法，所述标定方法包括：将标准温度计和光纤分别放置在等温块上，将等温块置于真空腔室内，将真空腔室置于液氦温区并控制真空腔室的内部温度缓慢上升至室温，采集标准温度计的温度和光纤的拉曼信号并拟合得到拉曼光强和温度的对应关系，实现液氦温区至室温的全温区标定。

优选的，所述将真空腔室置于液氦温区并控制真空腔室的内部温度缓慢上升至室温的过程包括：将真空腔室插入液氦杜瓦中，向液氦杜瓦中输入液氦使真空腔室的内部温度降低至8k，继续向真空腔室内输入冷氦气将真空腔室的内部温度降低至4.3k，再抽取液氦杜瓦内的冷氦气将真空腔室内的等温块的温度降低至3.5k，操作测温主机控制标准温度计的温度缓慢回升实现控制真空腔室的内部温度缓慢上升至室温，采集液氦温区至室温的全温区标定的数据。

优选的，所述采集标准温度计的温度和光纤的拉曼信号并拟合得到拉曼光强和温度的对应关系的过程包括：

步骤1、测温主机采集标准温度计的温度，光纤测温系统采集光纤的拉曼信号；

步骤2、对光纤的拉曼信号进行分区去噪后得到去噪后的拉曼信号；

步骤3、将去噪后的拉曼信号划分为设定数量的温度区段，依次对每个温度区段的去噪后的拉曼信号、温度进行拟合获取拟合函数，得到拉曼光强和温度的对应关系。

优选的，所述步骤2中分区去噪的过程包括：设定每次的采样数量为n，将n个采样点分为拉曼采样区间、截断区间和噪声区间，对于每次采样，光纤上采集到的采样点包含在拉曼采样区间中，噪声区间的采样值为此次采集到的噪声信号，将噪声区间的信号累加后取平均得到噪声区间的平均值，将拉曼采样区间的信号减去噪声区间的平均值得到去噪后的拉曼信号。

优选的，所述标定方法还包括：根据每次开始采样到某一采样点所经历的时间计算出该采样点对应的发生拉曼反射点位置，获取该采样点在光纤上的对应距离，得到光纤上所有采样点的温度和距离关系，同时检测光纤上所有采样点的温度。

本发明提供的优点在于：

(1)本发明将标准温度计和光纤放置于同一个等温块上，等温块置于真空腔室，通过控制真空腔室的内部温度从液氦温区逐渐缓慢上升至室温，采集标准温度计的温度作为标定的真实温度，采集光纤中返回的拉曼散射信号，由于拉曼散射信号只受温度影响，通过将标准温度与拉曼信号进行拟合，能够准确标定出液氦温区至室温环境下的拉曼光强与温度的对应关系，从而消除现有技术采用公式法计算出拉曼信号与温度关系所产生的误差，由于本发明能够实现液氦温区至室温的全温区标定，使得拉曼测温系统能够用于低温或超低温的温度测量且测量的精度能够得到保证。

(2)本发明能够准确地解调出拉曼信号和温度的对应关系，将光纤置于低温大装置中能够实现分布式测温，无需在低温大装置中安装价格昂贵的温敏电阻，从而解决低温领域测温设备耗资巨大且难以检测温度分布的问题。

(3)本发明通过对光纤的拉曼信号进行分区去噪，将n个采样点分为拉曼采样区间、截断区间和噪声区间，对于每一次n采样，测温光纤上采集到的采样点包含在拉曼采样区间中，而噪声区间的采样值为此次采集到的噪声信号，将拉曼采样区间信号减去噪声区间平均值即可得到去噪后的拉曼信号，消除了由环境光和入射光造成的光噪声，优化了标定过程且提高了去噪精度，进一步提高了测温精度，无需额外增设一条光纤专用于测量噪声值。