光纤传感器报告

“光纤传感器原理及应用”课程报告

分布式光纤温度测量

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2015年6月15日

摘要

温度是度量物体冷热程度的物理量，许多物理现象和化学过程都是在一定温度下进行，人们的日常生活也和温度密切相关。随着科学技术的迅猛发展，对温度的测量也提出了更多更高的要求。以电信号为工作基础的传统的温度传感器，如热电偶、热敏电阻、热释电探测器等温度传感器的发展已经非常成熟，但在有强电磁干扰或易燃易爆的场合下，基于电信号测量的传统温度传感器便受到很大的限制。光纤温度传感与测量技术是仪器仪表领域重要的发展方向之一。由于光纤具有体积小、重量轻、可挠、电绝缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀、测量范围大、灵敏度高等特点，对传统的传感器特别是温度传感器能起到扩展提高的作用，完成前者很难完成甚至不能完成的任务。光纤传感技术用于温度测量，除了具有以上特点外，与传统的温度测量仪器相比，还具有响应快、频带宽、防爆、防燃、抗电磁干扰等特点。

关键词 温度 传感器 光纤温度传感器

第一章 绪论

在科研和工程技术中，有许多场合需要确定温度的分布, 例如长距离输油管道、通信电缆或电力电缆等管道的沿线温度场分布，大型电力变压器内部的温度场分布等。传统的电温度传感器不能工作在强电磁环境中，也不宜在易燃、易爆环境或腐蚀性环境中工作，对于采用点式温度传感器实现温度的分布测量还存在难于安装、难于布线、难于维护的问题。分布式光纤温度传感器可实现沿光纤连续分布的温度场的分布式测量，测试用光纤的跨距可达几十千米，空间分辨率高、误差小，与单点、多点准分布测量相比具有较高的性格比。

1.1背景意义

分布式光纤温度传感器与传统的温度传感器相比具有以下优点：集传感与传输于一体，可实现远距离测量与监控，一次测定就可以获取整个光纤区域的一维分布图，能在一条长达数千米的传感器光纤环路上获得几十、几百甚至几千条信息，因此单位信息成本大大降低，测量范围宽，具有高空间分辨率和高精度。在具有强电磁干扰或易燃易爆以及其它传感器无法接近的环境下，分布式光纤温度传感器具有无可比拟的优点。为了实现在整个连续光纤的长度上实时传感出温度随光纤长度方向的变化信息，尤其对大范围的温度分布，分布式光纤温度传感器逐渐成为研究的热点。分布式光纤传感器从最初提出的基于OTDR 的瑞利散射系统开始，经历了基于OTDR 的喇曼散射系统和基于OTDR 的布里渊散射系统，使得测温精度和范围大幅提高。光频域反射技术（OFDR ）的提出也很早，但近几年，伴随着喇曼散射和布里渊散射以及强散射的研究的深入，使得基于OTDR 和OFDR 的分布式光纤温度传感器显示出很大的优越性，但它们离工业实用化还有很长的一段距离。基于OTDR 和OFDR 的分布式温度光纤传感器仍将是研究的热点，尤其是基于OFDR 的新型分布式光纤传感器将是一个重要的发展方向。伴随着分布式光纤温度传感器的发展，温度测试范围和精度不断提高，对信号处理算法和技术提出了更高的要求。

1.2 分布式光纤温度传感器的发展现状

光纤自20世纪60年代问世以来，就已应用于传递图像和检测技术等各种领域。随着光通讯的应用，光纤工艺和技术得到了迅速的发展。光纤传感技术是伴随着光导纤维及光通讯技术的发展而逐步形成的。在光通讯系统中，光纤用作远距离传输光波信号的媒质，但是，在实际光传输过程中，光纤易受外界环境因素

的影响，如温度、压力、电场、磁场等变化将引起光波量（如光强度、相位、频率、偏振等）的变化。人们逐渐认识到光纤的许多性质可以用于探测各种物理量，因而光纤传感技术引起了人们的重视，成为一个很有生命力的研究和应用领域。 光纤技术主要应用于以下几个方面：

(1)光的传递。用光纤传输光波的能量。

(2)视觉信息的传输。用相关光束传递图像。

(3)光纤通讯。用光纤作通讯介质来传输载波调制的光强信号。

(4)光纤传感。光纤不仅作为光波的传播媒质，而且可用来感测表征光波特征的参量在传播中随外界因素的变化。

(5)光纤的非线性特性。在较强的输入光功率作用下，光纤会产生非线性效应，发生光增益、频率转换及其它作用。

光纤具有良好的传光性能，对光波的损耗低，光纤传输光信号的频带宽，而且光纤本身就是一个敏感元件。自20世纪80年代以来，光纤传感技术在发达国家得到迅速的发展，各种光纤传感器以其独特的技术优势广泛应用于工业、国防、航空航天、交通运输和日常生活等各个领域。在我国，对光纤传感技术的研究也受到重视，从上世纪70年代末就开始了这方面的研究工作。目前，国内许多高等学校、科研机构和企业部门开展了光纤传感技术的研究工作，光纤传感技术已列入国家重点研究项目。

分布式光纤温度传感技术以其对沿光纤分布的温度场可连续实时测量的特点而成为光纤传感技术中较为引人瞩目的一项新技术。用一根长达数千米的光纤可以连续地测量沿其分布的温度场的实时信息，具有重要的理论价值和实际意义。

分布式光纤温度传感器可广泛应用于各种场合，如煤矿、隧道的温度自动报警控制系统，油库、危险品仓库、大型客机、货轮等的在线动态检测和火灾报警等。

分布式光纤温度传感技术不仅具有一般光纤传感技术的传感和遥测传输方式的特点，而且由于光纤的空间连续，可以在沿光纤分布的路径上同时得到被测量的分布，解决许多特殊场合下其它传感器难以胜任的测量难题。

1.3 分布式光纤温度传感器的应用与前景

在分布式光纤传感技术的研究中，科学家们提出了许多富有启发性的理论和技术方案。喇曼型分布式光纤温度传感器集诸多优点于一身，是分布式光纤温度传感系统中理论较为成熟且正逐步商品化的传感器类型。但喇曼型分布式光纤温度传感器存在一个弱点，即后向喇曼散射光较弱，此信息比瑞利后向散射信号还

要弱20dB~30dB，因此需要较复杂的信号处理电路及较高脉冲功率的LD 光源系统。而前向散射非线性效应分布式光纤传感器由于被测信号是连续的前向波，信号强度增加，对检测系统的要求相对降低，但对光纤则有特殊的要求，而且理论上也不够成熟，属于刚刚兴起的一种技术，是较为有前途的发展方向之一。

分布式光纤温度传感系统可以解决一些常规温度传感器难以解决的问题，可主要应用于以下几个方面：煤矿、隧道的灾害防治及其报警系统；高层建筑、智能大厦、桥梁、高速公路等灾害性在线、动态检测、防护及报警；地下和架空高压电力电缆的热点检测和监控；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；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和故障诊断；油库、油罐、危险品仓库、大型仓库和大型轮船的货仓火灾及报警系统；化工生产过程的在线、动态检测；特别值得提出的是，把分布式光纤温度传感器埋入材料结构中，组成智能材料结构可以实现结构本身的实时自检测和自诊断，用于航空、航天飞行器的在线、动态检测和机器人的神经网络系统。这种新的学术思想将会使材料与工程科学产生革命性的变化，尤其是在航空航天的现代化工程领域具有特别重要的意义和广阔的前景。自1988年开始国际光学工程协会（SPIE ）将光纤智能结构的研究列入专题讨论会，这种智能结构系统已被美国联合研究开发中心用于计划中的空间站，以实现对空间站结构整体温度的分布式监控。因此，通过改善分布式光纤温度传感器信号处理方式来提高整个系统的测温精度具有十分重要的意义。它能使分布式光纤温度传感器实现真正的分布式测量，完成高精度实时测量。

第二章 分布式光纤温度传感器介绍

2.1 分布式光纤温度传感器的理论基础

2.1.1 光时域反射（OTDR ）技术

OTDR 是利用光线在光纤中传输时的瑞利散射和菲涅尔反射所产生的背向散射而制成的精密的光电一体化仪表 ,它被广泛应用于光缆线路的维护、施工之中, 可进行光纤长度、光纤的传输衰减、接头衰减和故障定位等的测量。 1976 年，M. Barnoskim 和 M.Jensen 首次提出 OTDR 的工作原理，通过测量光纤中的背向瑞利散射光信号强度随时间的变化来进行光纤传输特性的测试。目前 ,己广泛可应用于各种光通信网络的测试 ,包括测试光纤传输系统中的接头损耗、光纤的距离、链路损耗、光纤衰减 ,定位断点和端点 ,测试反射值和回波损耗 ,建立起事件点与地标的相对关系。

光时域反射仪又叫光纤分析仪, 它的工作依据是光的背向散射原理。光纤的背向散射是由瑞利散射和菲涅耳反射引起的 ,菲涅耳反射是由折射率变化引起的 ,一般发生在接续点、对接处和光纤的端面。而背向散射是由于介质不均匀而引起的散射光中 ,会有一部分光沿着光路传输的相反方向传回发送端。光时域反射仪就是利用光纤中背向散射光的强度具有一定规律的原理来进行测量的。利用光时域反射仪可以测量光纤的长度、光纤的损耗、光纤接续点的损耗、故障点的位置等。由于它功能多 ,无破坏性 ,且灵活、方便 ,在光纤通信的施工和维护中得到广泛应用。

2.1.2 喇曼散射原理

分布式光纤测温系统是利用光纤将待测量对光纤内传输的光波参量进行调制, 并对调制过的光波信号进行解调检测, 从而获得待测量的一种方案。系统的测量原理主要是依据光纤的时域反射理论和光纤的背向喇曼散射温度效应。利用光纤时域反射原理系统可以实现对测温点的定位, 是典型的激光雷达系统, 利用光纤背向喇曼散射原理可以实现温度的感知和度量, 是典型的光纤通信系统。本系统采用喇曼光时域反射技术（ OTDR）实现温度的分布式测量。光在光纤中传输时由光纤上各点产生后向散射光，根据喇曼散射光所携带的温度信息，获取沿光纤路径的温度场的信息。

2.2 分布式光纤温度传感器的工作过程

光纤中的光纤在温度场中受到调制后，产生自发的喇曼散射。然后经过分束器，反光镜，通过双光栅单色仪把接收到的反斯托克斯和斯托克斯散射光送到光电倍增管。然后通过鉴别器过滤噪声，干扰，最后通过有光子计数器送到计算机进行处理。优点：非接触测量，响应速度快，可作为高温测量。

图2.1 工作过程

2.3 分布式光纤温度传感器的特点

与传统的传感器相比，分布式光纤温度传感器具有诸多优点：集传感与传输于一体，可实现远距离测量与监控；一次测定就可以获取整个光纤区域的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被设区域的二维和三维分布情况；能在一条长达数千米的传感器光纤环路上获得几十、几百甚至几千条信息，因此单位信息成本显著降低；测量范围宽，具有高空间分辨率和高精度；在具有强电磁干扰或易燃易爆以及其他传感器无法接近的恶劣环境下，分布式光纤温度传感器具有无可比拟的优点。

分布式光纤温度传感器系统的信号通道和传感器全部用光纤实现，因而具有光纤传感器的所有特点。它最显著的特点还在于网络化传感方向，即把传感光纤或光纤传感器回路沿作用场压力、温度、应变等分布排列，并采用独特的探测技术，对回路场上的空间分布和随时间变化的信息进行测量和监控，因而可以实现长距离、大范围、高密度的监测，系统具有无法比拟的性价比。

2.4 分布式光纤温度传感器的应用

2.4.1 光纤温度传感器在电力系统有着重要的应用

电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度监测监控；高压配电装置内易发热部位的监测；发电厂、变电站的环境温度检测及火灾报警系统；各种大、中型发电机、变压器、电动机的温度分布测量、热动保护以及故障诊断；火力发电厂的加热系统、蒸汽管道、输油管道的温度和故障点检测：地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测等等。

2.4.1 光纤温度传感在航空航天业的应用

航空航天业是一个使用传感器密集的地方．一架飞行器为了监测压力、温度、振动、燃料液位、起落架状态、机翼和方向舵的位置等，所需要使用的传感器超过100个．因此传感器的尺寸和重量变得非常重要。光纤传感器从尺寸小和重量轻的优点来讲．几乎没有其他传感器可以与之相比。

此外在科研和工程技术中，有许多场合需要确定温度的分布, 例如长距离输油管道、通信电缆或电力电缆等管道的沿线温度场分布，大型电力变压器内部的温度场分布等。

参考文献：

[1] 刘瑞复，史锦珊. 光纤传感器及其应用。北京：机械工业出版社，1987

[2] 刘龙天，邹健，黄尚廉．基于普通光纤的分布式温度传感系统[J]．光电工程，1996

[3] 张在宣，郭宁，余向东，吴孝彪. 分布式光纤温度传感器(DFTS) 系统.1999.3.