分布式光纤测温系统.doc

分布式光纤测温系统分布式光纤拉曼散射温度传感器系统(Distributed Optical Fiber RamanTemperature Sensor,DOFRTS)，是一种实时、在线、多点光纤温度测量系统，一种用于实时测量空间温度场的高新技术，已成为工业过程控制中的一种新的检测方法与技术。在系统中光纤既是传输媒体又是传感媒体，利用光纤背向拉曼散射的温度效应，光纤所处空间各点温度场调制了光纤中背向拉曼散射的强度(反斯托克斯背向拉曼散射光的强度)，经波分复用器和光电检测器采集带有温度信息的背向拉曼散射光电信号，再经信号处理、解调后将温度信息实时地从噪声中提取出来并进行显示，从这一方面看，它是-种典型的光纤温度通信网络；在时域里，利用光纤中光波的传播速度和背向光回波的时间间隔，利用光纤的光时域反射(Optical Time Domain Reflection,OTDR)技术对所测温度点定位，从这一方面看，它是一种典型的光纤激光温度雷达系统。一分布光纤拉曼散射测温技术的原理与系统构成1.光纤光时域反射(OTDR)原理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，会产生瑞利散射，在时域里，入射光经背向散射返回到光纤入射端所需时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L，2L=V/n，V为光在光纤中传播速度，为真空中的光速，n为光纤折射率。在t时刻测量到的是离光纤入射端距离为L处局域的背向瑞利散射光。用光时域反射技术，可确定光纤处的损耗，光纤故障点、断点的位置，对温度测量点进行定位，因此也可称为光纤激光雷达。2.分布光纤拉曼散射测温原理激光脉冲在光纤中传输时，由于激光和光纤分子的相互作用，会产生3种散射光：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，如图1所示。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用来测量温度。由于布里渊散射和瑞利散射在频谱上靠得非常近，比较难以分开，同时布里渊散射受应力等其他因素的影响也比较大，所以用来测温难度比较大。目前技术上比较成熟的还是分布光纤拉曼散射温度传感器。本文只讨论基于拉曼散射的分布光纤传感器。拉曼散射包括两种：斯托克斯拉曼散射和反斯托克斯拉曼散射。它们在频谱图上的分布大致是对称的。这两者对温度都敏感。只不过反斯托克斯拉曼散射对温度的敏感系数比斯托克斯拉曼散射要大得多。因此通常都将反斯托克斯拉曼散射用作信号通道，作为计算温度的主要依据。而斯托克斯拉曼散射通常被用作参考通道，用来消除应力等其他因素的影响。瑞利散射对温度不敏感，因此也有将瑞利散射作为参考通道的。3.分布光纤拉曼散射测温系统的构成以30km分布光纤传感器系统为例，如图2所示：可分为主机、信号采集和处理部分以及传感光纤3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构成。(1)光源模块采用脉冲激光器。(2)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滤光片)组成。(3)光电接收、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部分，其中硬件由数据采集累加卡和计算机构成；软件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3部分构成。分布光纤温度传感器的工作过程可简单表述为：脉冲激光器发出一定宽度的激光脉冲；激光脉冲被耦合进带有13双向耦合器的光纤，13双向耦合器的一路为激光脉冲沿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信号通道的的回波通道；背向散射光的经滤波器分离出带有温度信息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各自的APD进行光电转换后再由各自通道的放大器对信号放大；信号采集累加卡采集放大后的电信号并进行累加平均，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。二分布光纤拉曼散射测温技术的进展1.国内外DOFRTS系统的研究现状对于采用光纤反斯托克斯拉曼背向散射温度效应和OTDR原理的DOFRTS系统，从测量光纤长度来分有短程、中程、远程3种类型，技术特性如表1，2，3。2.国内外几种主要机型图3、图4给出了国内外几种主要机型的外形图。三应用分布光纤温度传感系统中的检测光纤不带电、抗射频和电磁干优，防燃、防爆、抗腐蚀、耐高电压和强电磁场、耐电离辐射，能在有害环境中安全运行是实用的本安型传感器。分布式光纤传感器系统在20世纪80年代中期出现，十多年来，技术日趋成熟，国内外研制了产品并开始应用于煤矿、隧道的温度报警、火灾防治；油库、油轮、危险品仓库、冷库、大型货轮、军火库等温度报警；各种大、中型变压器、发电机组的温度分布测量，热保护和故障诊断；地下和架空高压电力电缆的热检测与监控；火力发电所的配管温度、供热系统的管道、输油管道的热点检测；化工原料、照相材料及油料生产过程在线动态检测；高层建筑、智能大厦、桥梁、高速公路等在线动态检测；航空、航天飞行器的在线动态检测，已成为光纤传感技术和检测技术的发展趋势，因其独有的特点已成为工业过程控制中的一种新的检测方法与技术。分布式光纤测温系统的应用如图5所示。分布光纤温度传感器系统可显示温度的传播方向、速度和受热面积，可将报警区域的平面结构图和光缆布线图预先输入计算机，可自动或手动显示温度报警区域或故障区域并实时显示。四展望(1)分布式光纤测温系统新原理的探索目前分布光纤测温系统主要工作原理是采用光纤的拉曼散射和布里渊散射，分布式光纤拉曼测温系统和分布式光纤布里渊散射测温系统已有产品，但从电力工业应用、消防安全检测角度来看，空间分辨力远远满足不了应用需要，近年来随着光纤光栅技术日趋成熟，采用光纤光栅器件作为温度传感器组成准分布式的光纤测温系统，但受到光源等技术的限制，一次嵌入的测温用的光纤光栅数不能太多。因此探索新的分布光纤测温原理引