分布式光线测温系统.doc

目录中文摘要2英文摘要31 引言42 分布式光纤传感器的测温原理42.1 拉曼散射原理42.2 布拉格光栅测温原理52.3 OTDR技术62.4 分布式光纤传感器测温原理73 分布式光纤传感器的组成、优势和系统83.1 分布式光纤传感器的组成83.2 布拉格光纤光栅结构93.3 分布式光纤测温的优势103.4 分布式光纤测温系统组成123.5 分布式光纤测温系统的实现134 分布式光纤传感技术的应用184.1.1 分布式光纤拉曼测温技术的试验安装与现场布局184.1.2试验项目与数据194.2 分布式光纤传感技术在电缆绝缘在线检测中的应用204.3 分布式光纤传感技术在高压开关柜、电力电缆在线检测的应用215 分布式光纤传感技术应用时的注意问题和解决方案21结论25谢辞26参考文献26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Stokes Light，Anti-stokes Light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Distributed Fiber Temperature Measurement SystemAbstract: In this paper, we introduce the distributed fiber temperature sensing technology, analyze the principle of measuring temperature by pulse，the structure of the distributed fiber sensor and the advantage of the distributed fiber temperature sensing technology, and explain how to get the temperature curve and the location of the monitoring points. The pulse, produced by laser, transmits in the fiber as pump by coupler and the pulsed light produces backscattering which transmits back to the laser, when the pulse is transmitting in the fiber. The backscattering produces three kinds of light: Stokes Light，Anti-stokes Light and Rayleigh. Then the amplified signal of the three kinds of light, after photoelectric conversion and amplification circuit, will be collected by high-speed data acquisition card. So we can get the temperature and the location after data processing and calibration. Thus we can achieve the real-time monitoring of the temperature field line, so it can help all the detection points of the temperature field work, and prevent various kinds of accidents happening caused by high temperature. Distributed optical fiber temperature measurement system can be applied in various fields, mainly used in real-time line detection to a wide range of temperature of some areas, which is explosive、high-temperature、or radioactive and so on, and it is safe and durable、cheap and easy to spread.Keywords: distributed optical fiber temperature measurement; Raman scattering; Rayleigh scattering1 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hv，即E2= E1+hv 。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。虚拟态h+-E2E1hh(-)h(+)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-stokes Light）光子强度和斯托克斯（Stokes Light）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；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()=tanh()，式中=n(LG/)(n/n)(V)，(V)=1-1/(VV)，V2.4为归一化频率，n为纤芯折射率，LG为光栅长度，为波长，n/n为相对折射率差。该式决定了光栅中心波长o（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，其关系为T=k1+To式中, k1为FBG的温度常系数。只要测量出波长相对漂移量，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。2.3 OTDR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。光源方向耦合器光电探测器计算机信息处理瑞利后向散射光光纤图2 OTDR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（Stokes Light和Anti-stokes Light两种光波）。两种光波会沿光纤反射回来，Anti-stokes Light与Stokes Light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(laser diode)做光源，用该系统（测试光纤长2 km）实际测温精度达到1 K，空间分辨率达到1 m 。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Stokes Light，Anti-stokes Light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。激光脉冲数据获取信号处理光接收器滤光器光纤图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128/300m、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(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（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（Stokes Light和Anti-stokes Light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（Optical Law）。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13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）LD激光器LD驱动器计算机采样平均累加器双向耦合器波分复用器APD放大器放大器传感光纤APD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13双向光纤耦合器的光纤，13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。LD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6 LD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6 ns。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。APD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0999 14。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DA控制所要输出的电压，Vad 则是对该电压进行AD采集，以监测DA输出控制的准确性。图8 APD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DA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02，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。设置光信号采集频率，采集APD温度，以此设置其偏压，确定温度检测段光纤系统初始化（通过控制设置APD与LD安全工作偏压）信号处理（沿着传感光纤每隔两米采集该处的后向瑞利散射光信号，检测是否有温度报警点）密集采集（对以各报警点为中心左右各展开100米范围段内光纤瑞利向后散射信号进行密集采集，检测出所有的报警点）稳定LD安全工作偏压图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NiTi-Cu形状记忆合金的温度阈值执行器，其机械设计如图10所示。温度阈值执行器的动作机理是当阈值温度执行器监测区域的温度迅速升高，达到阈值报警温度t。(t。=(66士2)时，由于t。已经接近SMA弹簧的奥氏体转变开始温度，执行器中的SMA弹簧迅速收缩而使传感光纤弯曲，由OTDR原理可判断，这时光纤衰减系数将突然增大而发生温度报警。图10 基于NiTiCu形状记忆合金的温度阔值执行器（4） 分布式光纤测温系统运行结果在传感光纤的中间段同时安装了3个执行器(相互距离约1.5米)，把执行器分别放入盛有6569水的保温杯中，运行系统，系统同时检测到3个报警点。在传感光纤各段安装了8个执行器，把其中2个分别放在水温低于52的保温杯中，其余6个分别放入盛有6569水的保温杯中。运行系统，系统同时检测到6个报警点，其他两个执行器所监测的温度因没有达到报警温度而未发生报警。可见，温度阈值执行器的动作具有良好的一致性，且具有接近1米的空间分辨率；系统能实现分布温度报警。通过反复试验，漏报警的几率为零，误报警的几率为01。报警位置：距离光纤始端358米、472米、622米、626米、886米、940米共6处报警，其他2处没有误报。经整机调试，温度阈值执行器响应迅速，系统不但能稳定可靠地运行，且具有优良的性能。其相关性能参数：响应时间为1216 s，空间采样分辨率为1米，报警温度为(662)，空间分辨率为1.5米，空间测量不确定度为04 米。我们设计的准分布式光纤温度报警系统已在秦山核电站试用，在监测高压电缆温度时，经连续60 天运行，系统没有发生任何漏报警，漏报率为0，只误报了1次，误报率也几乎为零。因此，该报警系统能满足温度报警要求。在设计和优化系统时，通过AD卡ACl056实现对APD和LD温度与偏压的高精度采样，以及对其偏压的高精度控制很关键，同时对光信号的采集与滤噪等信息处理，对系统的运行很重要。通过在硬件设计、软件编程及温度报警器的设计等方面工作的有机结合，使系统能实现其功能，并在实际应用中具有极高的稳定性与可靠性。4 分布式光纤传感技术的应用4.1.1 分布式光纤测温技术的试验安装与现场布局为保证分布式光纤传感技术的可实施性，我们借鉴如下一个实验，实验内容是：将一段长约140m的220kv被测电力电缆敷设在实验室的户外场，经模拟电缆区、户外场、电缆隧道、模拟工井及地埋等区域。然后将感温光缆的一端插入主处理机上的光纤插口，将另一端从实验室引出来，顺电缆方向把光纤紧贴电缆外护套表面，用胶布粘好。重点监测部位需要多缠绕几圈，并分别用P1P8表示，试验布局见图11。在这些检测部位装上热电偶和分布式光纤传感器同时测温，进行比较。热电偶测得的温度数据经其它通道显示在另一台电脑里。控制电脑主处理机P1一区模拟电缆区P2二区电缆终端A-隧道P6六区模拟工井区五区模拟P5地理区 P8八区隧道-电缆终端EP4四区模拟工井区P7七区电缆隧道区P3三区电缆隧道区图11 试验布局示意图4.1.2试验项目与数据（1）空间定位精度性能测试用加热器对光缆的8个位置加热，相应处立刻就会有对应的温升，在温度-位置曲线图上记下温升对应的位置即可对这8个点定位。将传感器测量位置与实际位置对比，测量误差为0.6m0.8m 。（2）响应时间性能测试 对于电缆及电缆隧道防火或报警，较快的测量及响应时间可赢得宝贵的补救机会。P1P8 8个点加热的响应时间很短，一般4s6s软件可设定温度上限或温度上升速率上限，超过设定数值仪器会发出蜂鸣声报警。（3）温度测试精度试验 将P8附近一段光缆（由于此次电缆是终端）盘成若干小圈，放入带标准温度计的恒温装置中。该装置恒温性能比较稳定，通过其中温度计可精确测试温度。光缆放入后，设定恒温装置的温度，达到设定的温度并保持一段时间后，读取温度-位置曲线图上相应温度数值和标准温度计数值。多次对比的试验结果见表三。传感器29.534.040.543.551.053.060.565.071.074.5标准温度计30.035.040.045.050.055.060.065.070.075.0表三 P8点的温度测试对比由表三可以看出，传感器测试温度与标准温度计测试温度相差大概1 。（4）长期运行性能测试完成设备的相关设置后，开始24小时不间断运行，实时测量温度并且在温度-位置曲线图上实时显示。并且每隔60s自动保存一次数据（间隔时间可以根据需要自己进行设定），每隔2小时记录一次，一天记录9次。试验共经历2个月。图12是12-01T07/23 P5和P7两个位置的温度曲线图（由于电缆地理区域没有进行土壤掩埋，所以P7温度变化比较大）。图12 分布式光纤传感器测温与热电偶测温对比图由图12可看出，两组曲线基本上一致。温度测量偏差在1 左右。这说明用分布式光纤传感器与热电偶测试结果相差不大，两者的跟随性较好，在长期性能试验中，试验现场存在复杂的电磁场干扰，但备运行和使用基本没有受到影响。这是因为该系统使用光纤作为传感器。4.2 分布式光纤传感技术在电缆绝缘在线检测中的应用电缆绝缘故障后，常伴随一些特殊现象，如在要击穿部位及其附近温度会异常升高。如能提前检测到此现象即可采取措施。在一条10kvXLPE单芯电缆护套表面相对位置上来回敷设一根直径为2.5毫米的光缆，确定好几个重要点的位置，在电缆两头装配好相应的电缆终端，然后对电缆施加工频电压，并以1kv/min的速度逐渐提高电压。发现当电压至102 kv时，在105、115m 两处（来回均在电缆的同一个位置）出现两个波峰。继续升高电压，波峰越来越明显，幅值越来越高，大约53分钟后，电缆击穿。此时两处的温度幅值分别为33.4、33.7.其它位置的温度在2122间。击穿后立即检查电缆，发现击穿位置与两个波峰位置吻合。这个试验说明分布式光纤温度测温技术为电缆绝缘在线监测提供了一种新的思路和手段。4.3 分布式光纤传感技术在高压开关柜、电力电缆在线检测的应用2009年3月，蓬莱市供电公司首次将分布式光纤测温系统应用于秦沟变电站的温度监控，解决了变电站内10kv高压开关柜触头及电缆接头等重要设备无法进行温度实时在线监控的难题，为其安全运行提供了保障。系统能够准确得到封闭开关柜内各个测温点的温度分布情况，通过局域网将温度信息传递到调度中心，实施远程实时在线检测，通过对危险点进行预报警分析和故障定位做到防患于未然。目前，分布式光纤温度测量数据处理方法已经成功申请国家发明专利。该技术依据的是光纤的光时域反（OTDR）射和光纤背向拉曼散射的温度效应，探测出沿着光纤不同位置的温度变化，实现真正分布式的测量。在系统中光纤既是传输媒体又是传感媒体，光纤所处空间各点温度场调制了光纤中的背向拉曼散射光的强度，经过波分复用器和光电检测器采集空间温度信息，再经过信号处理，系统解调后将温度信息实时从噪声中提取出来。利用光纤中光波的传播速度和背向光回波的时间间隔，对所测温度点进行定位。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、信号采集和处理模块等组成。探测光缆既感测温度信号又传输信号、光纤不带电、抗射频和电磁干扰、防燃、防暴、抗腐蚀、耐高温和强电磁场、抗电磁辐射，能在有害环境中长期安全运行。分布式网络管理系统可以监控主机采集的高压开关柜的触头和母排温度进行实时监测，并可以根据设置的多种报警进行高温预警管理，系统支持多权限管理，有效保证系统安全。该监测系统具有完善的监测和报警功能，鼠标放在监测点上就可以显示测温点的名称和温度，监测点变色。通过曲线显示可以看出温度变化、系统报警情况。通过报表事项显示该接点的实际运行温度，为检测提供依据，做到防患前预报，防患于未然。5 分布式光纤传感技术应用时的注意问题和解决方案随着FBG传感检测技术的迅速发展，在许多应用领域中，包括建筑物和大坝工作状态的实时监测、材料的无损探伤以及电缆和管道的遥感测试等方面，FBG传感器都倍受青睐。这主要是因为它不仅继承了光纤传感器尺寸小、重量轻、不受电磁干扰等诸多优点，而且还具有FBG周期性和准周期性的本征特性，对波长直接绝对编码，不受光路中功率波动（例如，光源功率波动，光纤微弯和连接器等造成的光能损耗）的影响，测量精度高；另外，FBG与普通光纤具有天然的兼容性，插入损耗低，使用寿命长，并且易于波分复用，组成分布式测量网络。然而，由于FBG对应变和温度都是敏感的，即存在交叉敏感现象，所以当FBG用于传感测量时，单个FBG本身无法分辨出应变和温度分别引起的Bragg波长的改变，进而无法实现精确的测量。因此，解决交叉敏感问题对于FBG的实际应用具有十分重要的意义。基本原理由耦合模理论可知，FBG的Bragg波长为B=2neff式中，neff为纤芯的有效折射率，为栅格周期。由上式可以看出Bragg波长B随neff和的改变而改变。由于应变（应力）和温度的变化都会导致和neff发生改变，所以FBG对于应变和温度都是敏感的。应变影响B，是由弹光效应和FBG周期的改变引起的，而温度对B的影响则是由于热光效应和热膨胀效应的缘故。假设应变和温度分别引起Bragg波长的变化是相独立的，则两者同时变化时，Bragg波长的变化可以表示为式中，Pe为有效弹光系数，其中，P11,P12为弹光系数，v为光纤泊松比，为轴向应变，为热光系数，T为温度的变化量。由上式可知，当温度和应变同时发生变化时，FBG本身无法分辨出两者分别引起的Bragg波长变化。因此，测量其中一个量时，必然会受到另一个量的影响，同样也无法实现应变和温度的同时测量。由此可见，解决应变、温度交叉敏感问题是FBG传感检测技术实用化的关键。交叉敏感问题解决方案（双波长矩阵法）消除或减小应变及温度交叉敏感的方案：根据耦合模理论和Bragg波长B=2neff，我们提出双波长矩阵法。其基本思想是通过一定方式在一个传感头中获得两个不同的Bragg波长，并通过检测这两个Bragg波长的位移，实现温度不敏感测量或应变及温度的同时测量。在应变和温度同时变化的情况下，两个不同的Bragg波长的变化可以表示为式中为Bragg波长的应变灵敏系数，是与光纤泊松比、弹光系数和纤芯有效折射率有关的常数，为Bragg波长的温度灵敏系数，是与热膨胀系数和热光系数有关的常数。上式有解的条件是 。因此该方案要求两个Bragg波长具有不同的应变或温度灵敏系数。这一思想方法为应变、应力和温度的同时测量以及温度不敏感测量提供了重要的理论依据。根据双波长矩阵法来解决交叉敏感问题的方案很多，主要分为以下两种。双FBG法3(a) 在光纤不同位置写入FBG该方法的基本思想是在一个传感头中分别制作两个Bragg波长不同的FBG，即FBG1、FBG2，使FBG1只对温度敏感，而FBG2既对温度敏感，同时也对应变敏感。两个FBG的相对Bragg波长差随着应变的增加而增大，但不随温度的波动而变化，因此可以区分开两个FBG对应变和温度的响应，并实现同时测量，其原理可表示为基于这一思想，我们提出了一种温度不敏感的应变测量方案，如图13所示。波长将稍有不同的FBG1和FBG2写在同一根光纤上，分别用两只玻璃管保护，并平行放置。FBG1作为参考光栅，用环氧胶将其固定在玻璃管上，以免受任何外来应力的影响，FBG2用作传感光栅，感受外来应力的变化。应变测量的实验结果表明：线性度、精度和热稳定性依次是0.5%、1.1、0.7%。该方案只需一套宽带光源，很容易用于FBG复用网格。图13 写在光纤不同位置处的双FBG传感头示意图(b) 在高双折射光纤上写入FBG由于光纤双折射的作用，写在这种光纤上的FBG快、慢轴方向的有效折射率不相等。当一宽带光注入到FBG时，会出现两个反射谱，其作用相当于两个FBG具有相同的空间间距，但具有不同的Bragg波长，并且这两个波长具有不同的应变和温度响应。实验中，利用一种干涉解调技术实现应变和温度的同时测量，其测量分辨率分别为26和2.5。写在高双折射光纤上的FBG具有许多优点。首先，结构相对简单；其次，很容易嵌入到复合材料或智能结构中，而不影响原结构性能；再次，易于复用，实现网络化检测。因此，该方案是很有发展潜力和应用前景的。单FBG法如果对单个FBG进行合理的封装或结构设计，将宽带光注入FBG时就会产生两个反射峰。其作用相当于两个Bragg波长不同的FBG，这样根据双波长矩阵法就可以实现温度不敏感或应变、温度同时测量。(a)封装设计我们采用两种不同的聚合物对FBG进行封装，其结构如图14所示。将FBG的一半封装于对弹性和温度较为敏感的聚合物基底A中，然后将整个FBG封装于聚合物B（不改变FBG的压力和温度灵敏度，只起保护作用）中。由于两种聚合物不同的力学特性，封装后的FBG会出现两个具有不同的压力和温度灵敏度的反射