分布式光线测温系统.docx

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分布式光线测温系统

英文摘要3

分布式光纤测温系统

摘要：

本文介绍近年来研发出的分布式光纤温度传感技术，分析其利用光脉冲测定温度的原理，分布式光纤传感器的构造和分布式光纤传感技术的相对于传统测温技术的优势，以及介绍如何获得监测点的温度变化曲线及其空间位置。

激光器发出的脉冲光作为泵浦光，经过耦合器进入传感光纤，脉冲光在传感光纤中向前传播的同时，产生向后传播的后向散射光。

后向散射光经过光滤波器滤出StokesLight，Anti-stokesLight和瑞利三种光波，再经过光电转换和放大电路，放大后的信号被高速数据采集卡采集，经过数据处理和定标，解调出温度，并计算出监测点空间位置。

这样实现温度场的在线实时监测，从而保证温度场各个检测点的正常运行，预防由于高温引起的各类事故的发生。

分布式光纤测温系统应用广泛，主要应用于对一些易燃易爆、高温高压、有辐射等环境中大范围温度场的实时在线检测，安全耐用，便宜且易于推广。

关键词：

分布式光纤测温；拉曼散射；瑞利散射

DistributedFiberTemperatureMeasurementSystem

Abstract:

Inthispaper,weintroducethedistributedfibertemperaturesensingtechnology,analyzetheprincipleofmeasuringtemperaturebypulse，thestructureofthedistributedfibersensorandtheadvantageofthedistributedfibertemperaturesensingtechnology,andexplainhowtogetthetemperaturecurveandthelocationofthemonitoringpoints.Thepulse,producedbylaser,transmitsinthefiberaspumpbycouplerandthepulsedlightproducesbackscatteringwhichtransmitsbacktothelaser,whenthepulseistransmittinginthefiber.Thebackscatteringproducesthreekindsoflight:

StokesLight，Anti-stokesLightandRayleigh.Thentheamplifiedsignalofthethreekindsoflight,afterphotoelectricconversionandamplificationcircuit,willbecollectedbyhigh-speeddataacquisitioncard.Sowecangetthetemperatureandthelocationafterdataprocessingandcalibration.Thuswecanachievethereal-timemonitoringofthetemperaturefieldline,soitcanhelpallthedetectionpointsofthetemperaturefieldwork,andpreventvariouskindsofaccidentshappeningcausedbyhightemperature.Distributedopticalfibertemperaturemeasurementsystemcanbeappliedinvariousfields,mainlyusedinreal-timelinedetectiontoawiderangeoftemperatureofsomeareas,whichisexplosive、high-temperature、orradioactiveandsoon,anditissafeanddurable、cheapandeasytospread.

Keywords:

distributedopticalfibertemperaturemeasurement;Ramanscattering;Rayleighscattering

1引言

与一些发达国家相比，我们国家的电网的电缆平均事故率偏高，其中一个重要的原因是缺乏对电缆系统有效的在线检测，而温度在线检测是其中一个重要的方面。

同样的，大型矿山、油田、军火库、地铁隧道和核电站等重要基础设施对国民经济的发展起着重要的保障作用。

因此在这些高温或易燃易爆的环境中，对大面积温度场进行实时监测尤其重要，因为这样可以防止火灾事故的发生以保障基础设施的安全，从而保障国民经济的正常稳定发展。

但是针对大面积的温度场的监测，传统的单点式的温度传感器无论是在经济上和工程上都难以满足实际要求。

近年来，国内逐渐研发出以Bragg光纤光栅（FBG）与其他光纤干涉传感器结合的分布式光纤温度传感技术，可以监测沿光纤几何分布的空间温度场的变化，这样一根光纤就能取代大量点型传感器，实现在线实时监测、灾情监测和预报。

本课题的研究就是运用分布式光纤传感技术，实现在高温或易燃易爆的环境中，对大面积温度场进行实时在线检测，最终在线反应温度场每个监测点的实时温度信息，从而预防事故发生。

分布式光纤传感器不同于传统的单点式温度传感器，它是通过温度变化导致纤芯折射率和栅格周期变化而影响向后拉曼散射光，通过光接收器将光信号转换为电信号，传输给主处理机，然后通过计算得到各监测点的实时温度。

2分布式光纤传感器的测温原理

2.1拉曼散射原理

微观世界中任何分子和原子都在不停地运动，光纤的分子和原子也不例外，也存在着分子震动。

泵浦光通过分子时打破分子震动原有的平衡，震动分子将与之发生能量交换。

当产生光子的能量小于泵浦光子的能量（分子震荡吸收泵浦光子的能量）时，称为斯托克斯散射。

当产生光子的能量大于泵浦光子的能量（分子震荡的能量传给光子）时，称为反斯托克斯散射。

斯托克斯散射和反斯托克斯散射统称为拉曼散射。

拉曼散射过程中的能级如图1所示。

其中，E1、E2分别表示分子震动的两个能级，两个能级间相差h△v，，即E2=E1+h△v。

散射出vo频率光子的散射称为瑞利散射，散射出vo-△v频率光子的散射称为斯托克斯散射，散射出vo+△v频率光子的散射称为反斯托克斯散射。

图1拉曼散射过程中的能级图

拉曼散射包括两种：

斯托克斯散射和反斯托克斯散射。

它们在频谱图上的分布基本上是一致的，而且都对温度敏感。

只不过，反斯托克斯散射对温度的敏感系数相对斯托克斯散射对温度的敏感系数要大很多，因此通常将反斯托克斯散射作为信号通道，作为计算温度的主要依据。

而斯托克斯散射通常被用作参考通道，用来消除应力等因素的影响。

瑞利散射对温度不敏感，因此也有将瑞利散射用作参考通道的。

本文主要介绍多数都采用的，将斯托克斯散射用作参考通道。

拉曼散射光的斯托克斯光与反托克斯光的光强差，与反射点光纤温度有线性关系，公式如下：

……………..

（1）

式中：

Ias和Is分别为反斯托克斯（Anti-stokesLight）光子强度和斯托克斯（StokesLight）光子强度，单位是

；a为温度相关系数；c为真空中的光速，单位m/s；k为波尔兹曼常数；σ为波数，单位是

；T为绝对温度，单位是K。

2.2布拉格光栅测温原理

光谱仪上的FBG相对反射光强系数为R（λ）=tanh（Ω），式中Ω=πn（LG/λ）（△n/n）η（V），η（V）=1-1/（V×V），V≧2.4为归一化频率，n为纤芯折射率，LG为光栅长度，λ为波长，△n/n为相对折射率差。

该式决定了光栅中心波长λo（本传感器为1548nm附近）有一尖锐的较大反射峰，其峰值远大于干涉条纹强度。

光谱仪测量温度T时FBG峰值波长相对于温度To时的漂移量△λ，其关系为

T=k1△λ+To

式中,k1为FBG的温度常系数。

只要测量出波长相对漂移量△λ，即可测量温度T。

FBG反射光和EFPI干涉光叠加在一起，EFPI干涉谱是余弦周期变化，导致FBG反射谱峰的非对称性变形，峰值点将偏离中心位置；随着应变、温度、腔长的变化，这种非对称变形是随机的。

若仍用常规峰值点法确定FBG中心波长将引起较大的测量误差。

为此，取3dB带宽处平均波长作为FBG中心波长，其测量精度较高。

2.3OTDR技术

OTDR是测量随光纤长度变化的光纤衰减信息的测试仪器，其原理是利用背

向散射法测量光纤的衰减，其原理如图2所示。

图2OTDR原理框图

OTDR测试是通过发射光脉冲到光纤内，然后在OTDR端口接受返回信息

来进行。

当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的缺陷和参杂组分的不均匀性等原因而产生散射、反射，其中一部分的散射和反射就会返回到OTDR中。

返回的有用信息会由OTDR的探测器来测量，它们就作为光纤内不同位置上的时间或曲线片断。

而瑞利散射在整个空间都有功率分布，其中沿着光轴和光脉冲传播方向相反的散射（约占0.0001%），称为瑞利背向散射。

瑞利背向散射光提供了光纤长度和光纤衰减的详细信息，对结构参数沿轴向均匀的传感光纤来说，l1和l2段光纤（l1和l2分别是距离光纤始端的距离）的衰减系数为：

式中：

是

处的瑞利散射光传回到始端的光功率，

是

处的瑞利散射距离光传回到始端的光功率。

1980年罗杰斯首次提出了利用OTDR原理来实现对空间分布的温度的测量。

当窄带光脉冲被注入到纤维波导中去时，利用光雷达原理，该系统通过测后向散射光强随时间变化的关系来检查光纤的连续性并测出其衰减。

与距离有关的信息时通过时间信息得到的：

当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生瑞利（Rayleigh）散射。

入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为

L=vt/2………

（2）

其中：

v为光在光纤中传播的速度，v=C/n，C为真空中的光速，n为光纤的折射率。

在t时刻测量到的是离光纤入射端距离为L处局域的背向Rayleigh散射光。

接收时间的不同，对应着不同的光纤位置，接收时间与光纤上不同位置的信号一一对应，这样就能确定出信号在连续光纤上的位置，从而实现分布式测量。

为了提高探测距离的精度，即空间分辨率，就必须减小注入光脉冲的宽度，从而减小dL（激光在光纤中的传播距离），提高空间分辨率。

空间分辨率要达到1m以下，则理论上要求脉冲的宽度小于5ns。

在设计激光驱动器时必须选用高速器件，在电路板布线工艺上考虑消除自激等因素。

为了增加产品的可靠性，还要对激光器进行温控和光控等控制技术，以减小和消除激光器频率漂移和功率漂移对测量精度的影响。

2.4分布式光纤传感器测温原理

分布式光纤传感器工作依据主要是光纤的光时域反射原理及后向拉曼散射温度效应。

即该传感器用OTDR技术空间定位，用拉曼散射效应测温。

主处理机中的激光光源向光纤注入脉冲后，有一小部分拉曼散射光包含（StokesLight和Anti-stokesLight两种光波）。

两种光波会沿光纤反射回来，Anti-stokesLight与StokesLight光子强度的比值与温度关系可用式

表示，得到被测点温度信息，根据式L=vt/2计算拉曼散射光的返程时间可得被测点的空间距离，进而得到整条光纤分布的温度信息。

主处理机和控制电脑对拉曼散射光进行分析和处理，计算出被测物每一点的温度和位置。

最后输出的是整条光纤（最长30km）上的温度分布图。

在实际测量时，与光子数比值相应的信号电平的比值在实验中可测到，起始温度为已知，则从

（1）式可确定光纤上各点的温度。

有人使用长波段的LD（laserdiode）做光源，用该系统（测试光纤长2km）实际测温精度达到±1K，空间分辨率达到1m。

3分布式光纤传感器的组成、优势和系统

3.1分布式光纤传感器的组成

激光脉冲在光纤中传播时，由于激光和光纤分子的相互作用，会产生三种散射光：

瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。

其中瑞利散射对温度不敏感，而拉曼散射和布里渊散射都对温度敏感，因此拉曼散射和布里渊散射都可以用来进行温度测量。

由于拉曼散射和布里渊散射在频谱上非常接近，很难进行区分，同时布里渊散射比较容易受应力和其他因素影响，所以用来测量温度难度很大。

目前还是采用技术上比较成熟的分布式光纤拉曼散射温度传感器。

分布式光纤传感器的组成如图3所示：

有62.5/125多模光缆、激光器、光耦合器、滤光器、光接收器、光速数据采集卡和工控机等，主要技术指标有测量距离、空间分辨率、取样间隔、定位误差、温度误差、温度分辨率、测量时间及测温范围等。

激光器发出的脉冲光作为泵浦光，经过耦合器进入传感光纤，脉冲光在传感光纤中向前传播同时，产生向后传播的后向散射光。

后向散射光经过光滤波器滤出StokesLight，Anti-stokesLight和瑞利三种光波，再经过光电转换和放大电路，放大后的信号被高速数据采集卡采集，经过数据处理和定标，解调出温度，并计算出监测点空间位置。

最后输出的是整条光纤（最长30km）上的温度分布图。

图3分布式光纤传感器组成示意图

3.2布拉格光纤光栅结构

由于FBG/EFPI集成传感器具有许多独特的优点：

具有传感参量多、传感头体积小、易于遥测、降低成本、系统集成度高等特点，故与FBG/EFPI集成传感器有关的多参量传感技术已形成了一个研究热点。

FBG/EFPI集成传感器集成传感器结构如图4所示。

传感器由石英毛细管、光导入导出单模光纤及其中的FBG、用作反射端的多模光纤构成。

峰值波长为1548nm，长度约为5mm的FBG被写入单模光纤，在离光栅中心5mm处的一端切断，单模和多模光纤均插入内外直径分别为128/300µm、长50mm的石英管中。

两光纤端面相距约为几百微米，光纤光栅和由光纤端面构成的非本征型F-P腔位于中间位置。

在石英管两端，光纤和石英管熔接在一起。

光纤光栅在石英管中处于自由状态，不受应力作用，用于温度检测，这就构成了可检测温度的FBG/EFPI光纤传感器。

[3]

图4布拉格光栅结构

3.3分布式光纤测温的优势

分布式测温与传统点式测温比较<一>（如表一所示）：

点式测温

分布式测温

可以相对比较精确的定位到某“一点”，精度高，绝缘性好，不存在引起短路问题，测量方式更直接，可以直接安装在带电敏感部位。

温度异常马上报警。

连续测温，整个过程是连续的。

一根光纤既可以做传感器又可以做传输载体，安装更简单、施工更方便。

可以同时测量多个点的温度，对温度变化判断的准确性更高，响应速度快。

由于使用场合对安全性要求高，发生事故带来的损失大，应用此系统可以带来更大的经济效益

体积小，在带电距离短、空间使用狭小的环境中带有优势。

传输距离长，在距离较长、空间广阔的环境中更有优势，距离越长性价比越高。

表一点式测温和分布式测温

此外，由于光纤传感器自身的优势，分布式光纤测温不怕电磁场干扰，安全性更高，可以应用于高压场合，走线布置非常灵活、美观；材质安全可靠，没有电信号，不存在产品本身的防暴、引起火源等问题；光纤由石英材质制作而成，耐腐蚀性强，可以在室外环境使用数十年，经久耐用；安装施工周期短、费用小，甚至可以运行时安装。

分布式光纤温度测量传感系统可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点的温度，定位精度可以达到米的量级，测温精度可以达到1摄氏度，非常适合大范围多点测温的场合，因此这种光纤传感技术在高压、大型发电等环境应用十分广泛。

分布式测温与传统测温比较<二>（如表二所示）：

性能对比

分布式光纤

测温电缆

光纤光栅

工作原理

激光在光纤中传播时会发生背向拉曼散射，反射回两种不同波长的光波（StokesLight和Anti-stokesLight两种光波），通过两束光光强的比值可以计算出温度沿光纤的分布曲线

由两根弹性钢丝分别包裹热敏材料绞成成型面作成。

当温度上升到额定动作温度时，其间温度热敏绝缘材料造成短路，从而引起报警

利用布拉格光栅的温度敏感性。

能够实时探测光纤光栅的探测点的温度变化

探测器形式

线状

线状

线状（光缆串接光栅）

温度显示

可以显示沿线温度温度曲线

不能显示

显示各测量点温度

测温范围

-20℃到100℃

固定温度，分68℃、78℃、88℃、98℃、108℃等几级

-20℃到220℃

表二分布式测温和传统测温

造价和估量价值的比较：

有人提出了新的摩尔定律，叫做光学定律（OpticalLaw）。

该定律指出，光信息传输的宽带，每六个月增加一倍，而价格降低一倍。

由于制作光纤的材料（石英）来源十分丰富，随着技术的进步，成本还会进一步降低，而且目前光纤的造价也并不昂贵，最普通的光纤一米大概在人民币十元左右；而电缆所需的铜原料有限，价格也会越来越高。

显然，今后光纤传输将占绝对优势。

该系统的其他组成部分，如控制电脑、系统主机等，在硬件要求上并不是太高，在软件要求上会需要专门的信息处理软件，因此软件的开发费用会比较高，也需要定期的系统维护，但是由于其使用寿命长、节省了人力方面的资金消耗等原因，该系统显然是值得推广和应用的，其优势也是显然的。

总之，分布式传感器作为一种新型的温度测量技术有其明显的特点：

（1）容易实现长距离大范围多点的温度测量，且测温和定位精度高，安装使用方便，受使用环境影响小、运行稳定可靠。

（2）电缆的载流量是按电缆导体温度不超过规定值来确定的，导体温度与电缆结构和环境条件有着密切关系，故电缆的允许载流量由一系列参数决定，如敷设位置的土壤温度或热阻。

对环境复杂的电缆线路，可通过实时监测电缆外护套温度来计算导体温度，从而实时控制电缆的载流量。

因此，可利用该技术的长距离和精确的测温优势，为电缆系统最佳和最安全载流量的确定提供直接数据。

若该测温系统软件能按一定对应关系计算并显示一定温度下对应电流值，则可更方便运行部门确定电缆载流量。

而在实际应用中如果生产电缆时直接将光纤埋入电缆内部，那么必将更直接反映电缆导体温度，更易于准确确定电缆载流量。

（3）其灵敏的报警系统能有效避免电缆火灾事故。

（4）该技术在电缆绝缘在线检测方面起到一定的作用，为电缆绝缘在线监测提供了新的技术手段。

（5）且使用寿命长，维护费用低，价格便宜，经济耐用，便于推广。

该技术应用于电缆测温必在很大程度上完善目前的测温技术，有效提高我国电网的运行水平！

3.4分布式光纤测温系统组成

以30km分布式光纤传感器为例，分布式光纤测温系统主要组成：

主机、信号采集和处理部分以及传感光纤3个部分。

主机部分由光源、光纤波分复用系统以及光电接收和放大模块组成。

光源模块采用脉冲激光器；

光纤波分复用系统：

由1×3双向光纤耦合器（BDC）和滤波器（多光束干涉型高隔离度光学虑光片）组成；

光电接收和放大模块：

由带尾纤和前置放大器的光雪崩二极管（APD）以及高增益、宽带、低噪声的放大器组成。

信号采集和处理部分可以分为硬件和软件两个部分，其中硬件部分由数据

采集累加卡和计算机组成，软件部分由数据采集累加卡控制和数据采集程序、保存和管理数据的数据库管理系统、数据处理和显示软件共三部分组成。

（如图5所示）

图5分布式光纤测温系统

其工作过程可以简单的描述为：

脉冲激光器发生一定宽度的光脉冲；激光脉冲被耦合进带有1×3双向光纤耦合器的光纤，1×3双向光纤耦合器的一路为激光脉冲沿着测温光纤向前传播的通道，另外两路分别为反斯托克斯拉曼信号通道和参考通道的回波通道；背向散射光的滤波器分离出带有温度信号的反斯托克斯拉曼背向散射光和参考信号背向散射光，这两个通道的背向散射光经过各自的APD进行光电转换后再由各自通道的放大器对信号进行放大；信号采集累加卡采集放大后的电信号并且进行累加平均，然后传送到计算机中存储在数据库中。

数据处理和显示软件则对采集到的数据进行处理，最后得到温度的空间分布并以图形或表格形式显示出来。

光纤切换器一方面与计算机接入，又由计算机控制选取光纤；另一方面与温度传感器系统主机接入，又主机采集此时正选取的光纤的温度数据等信息，温度传感系统与计算机接入，此计算机也需要与其他计算机连接，当发生温度过限报警时，控制系统将从此系统中采集数据，控制相关装置动作，消除事故。

通常某一范围内的电缆需要上千个的取样测温的，所以采取了分布式光纤温度测量系统，保证可以覆盖绝大多数可能发生危险情况的区域，从而保证了电缆、变压器、易燃易爆场所的安全性。

3.5分布式光纤测温系统的实现[2]

（1）系统硬件设计

系统的硬件的实现的主要要求：

半导体激光器（LD）和雪崩二极管（APD）能温度工作。

①LD的温控和驱动

系统采用带有热敏电阻和半导体制冷器的LD组件，外加恒温控制系统。

由于该组件的热敏电阻紧贴着激光器热沉，测温准确，同时制冷器也封装在激光器芯片内，控温及时，可避免温度震荡现象发生。

对半导体激光器的高速驱动有利于其高效的工作，图6为LD的高速驱动电路。

图6LD的高速驱动电路

场效应管Q1的左边是一个单稳态施密特触发器，555脉冲发生器产生的触发脉冲TOUCHl以上升沿来触发单稳态施密特触发器，施密特触发器有很强的正向驱动能力，在10ns内即可使Q1达到饱和导通。

当Q1导通时半导体激光器LD与左边的整个回路构成强阻尼谐振回路，对激光器起保护作用；当Q1断开时，激光器得到高压输入，当达到阈值电流时产生激光光脉冲约为6ns。

LD在高频脉冲驱动状态下工作仅有很小的结发热，这样可延长其寿命，利于安全稳定的工作。

②APD增益温漂的动态补偿

理论与实验研究发现，当APD增益较恒定时，其偏压Vb与温度T间存在一定的线性关系，如图7所示。

对系统所采用的APD，通过实验可得

Vb=0.579T+76.621V

式中V为电压。

图7增益恒定状态下APD偏压与温度的关系

由图6可看出，实验数据的线性非常良好，经线性拟合，线性相关度达0．99914。

根据以上分析，可通过控制偏压来补偿由于温度变化所引起的增益的变化，达到稳定增益的目的。

根据这个思路进行了相关的硬件研制。

Vb的采样与控制系统如图8所示。

图中，Vdd为系统通过D／A控制所要输出的电压，Vad则是对该电压进行A／D采集，以监测D／A输出控制的准确性。

图8APD的偏压采集及控制电路系统

APD的偏压采集及控制电路系统可提供APD的稳定偏压；可接受D／A模拟电压控制高压输出；输出的高压经分压后可提供监测电压，为达到闭环控制提供方便。

对LD的偏压采集与控制原理与此完全相同。

要达到控制增益的目的，必须精确测量APD的温度，本文作者设计了基于AD590的APD温度传感与采样电路，温度采样精度可达0．2℃，这能满足APD的应用要求。

根据图6实验得到补偿数据模型，再依据检测到的温度信息对偏压进行修正，最后达到稳定APD增益的目的。

（2）系统软件设计

系统软件的算法思想主要依据温度报警空间定位原理，其算法流程如图9所示。

图9布光纤温度报警器系统的软件算法

（3）温度阈值报警执行器的设计

结合OTDR原理与形状记忆合金（SMA）的形状记忆特性，在设计温度阈值执行器时易联系到光纤的宏弯衰减。

依托系统软件的运行，通过实验研究，设计了基于Ni—Ti-Cu