分布式光纤温度传感器

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1、1研究背景（执笔人：）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

2、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。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

3、点准分布测量相比具有较高的性格比。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。因此，自 20世纪80 年代以来，人们对实现分布 式光纤温度传感器的各种技术展开了广泛研究。分布式光纤温度传感器系统的信号通

4、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。20世纪70年代提出的基于OTDR的瑞利散射系统的分布式光纤温度传感器经历了基于 OTDR的喇曼散射和基于OTDR的布里渊散射系统，使得测温精度和范围大幅提高。已经显示 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。另外，OFDR是20世纪90年 代以来的一个新技术，以及随着喇曼散射

5、和布里渊散射强散射研究的深入， OFDR 与其集成 日益显示出其在测量精度、测量范围和测量速度方面的优越性。除了基于OTDR的喇曼散射 型温度传感器外，其他几种分布式温度光纤传感器离工业实用化还有很长的一段距离，所以 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。对该技术发展重点关注一下几个方面：（1）现实 单根光纤上多个物理参数（温度和应变）或化学参数的同时测量；（2）提高信号接收和处理 系统的检测能力，提高系统的空间分辨率和测量不确定度；（3）提高测量系统的测量范围， 减少测量时间；（4）基于二维或多维的分布

6、式光纤传感网络将成为光纤传感器的研究方向。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，主要应用于 以下几个方面：煤矿、隧道的灾害防治以及其报警系统；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；地下河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材料本身的

7、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。这种西欧 年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控制。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。分布式光纤温度传感器的工作机理是基于光纤内部光散射的温度

8、特性，利用光时域反射 测试技术（OTDR），将较高功率窄带光脉冲送入光纤，将返回的散射光强随时间的变化探测 下来。分布式光纤温度传感器基于背向散射或前向散射机理，其中背向散射具有温度测量的 实际意义。分布式光纤温度传感器利用光纤为温度信息的传感和传输介质，敷设在温度场中， 可以测量光纤沿线的温度分布情况，随着光纤的增长，测量点的数增加，单位信息的获取成 本大大降低你，这是分布式光纤温度传感器相对其他光纤温度传感器的显著优点。 2传感器设计与可行性论证（执笔人：）分布式光纤传感器从系统结构上可以分为两大类，即准分布式光纤传感器和全分布式 光纤传感器。由于准分布式光纤传感器结构复杂、成本高，并且只

9、能测量预知离散空间位置 上的传感信息，本次设计选用全分布式光纤传感器。光频域反射技术（OFDR）的提出很早，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0FDR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0FDR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。全分布式光纤传感器是利用一根光纤作为延伸的传感元件，光纤上任意一点既是敏感单 元又是其它敏

10、感单元的信息传输通道，可获得被测量沿光纤分布的空间和时间变化的信息， 突破了传统的单点测量的模式。全分布式光纤传感器可分为光时域反射技术（OTDROp tical Time DomainReflec tome try）的后向散射型传感器和以光纤中两个相向传播的光波之间的非 线性作用的前向散射型传感器两大类型。本次设计的是光频域喇曼反射光纤温度传感器，它 属于基于后向散射型。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20dB30dB

11、，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。光频域反射技术的原理于1986年由Ghafoori-Shiraz等人提出，用于光纤网络的故障定 位；1997年D. Garus等人提出用光频域布里渊反射技术实现温度和应变的同时测量，该项 研究使用复杂的双端方法，测量从光纤一端输入的调probe光引起从光纤另一端输入的pump 光的布里渊损耗，在实验中没有测量布里渊频移随温度和应变

12、的变化，因此并未能实现温度 和应变的定量测量;采用功率调制激光的光频域喇曼反射技术于1999年由Farahani等人提出 l1,他们在理论上阐明了这种技术的原理，但是理论模拟计算并没有给出频率采样间隔对测 量距离和空间分辨率的影响、数据采样间隔对测量准确度的影响。本次设计的是光频域喇曼反射光纤温度传感器的结构如图1所示，可以分为主机、信号 采集和信号处理以及传感光纤三个部分。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主成。（1） 光源由DDS直接合成数字芯片AD9859产生调制信号。（2） 光纤波分复用系统由双向耦合器和滤波器组成。（3） 光电接收放大模块由带尾纤的前置放大器和光电

13、雪崩二极管（APD）以及宽带 高增益、低噪声的放大器组成。信号采集和处理部分由数据采集器和计算机及相关软件构成。图 1 光频域喇曼反射光纤温度传感器结构图光频域喇曼反射光纤温度传感器的工作过程为：单片机接收数据采集卡（DSP）的信号, 确认需要输出的载波信号频率，然后向直接数字合成器（DDS）发送指令，直接数字合成器 接收该指令后，输出对应频率的正弦波信号，信号经过LD激光器后得到调制激光，该激光 信号分为两路，一路直接输入雪崩二极管（APD2），另一路经耦合器后进入传感光纤，即为 激光沿测温光纤向前传播的通道。同时耦合器还有一路回波，即反斯托克斯喇曼背向散射光 回波通道。背向散射光经过滤波器

14、分离出带有温度信息的反斯托克斯喇曼背向散射光，再将分离 出的信号送到光电雪崩二极管（APD1），这是喇曼通道。而系统的另一路信号是由LD激光源 送出，不经过滤波器，直接进入光电雪崩二极管（APD2）。这两个通道的背向散射光经各自的APD进行光电转换后，再由各自放大器对信号进行放大；信号采集卡(DSP)采集由两个 放大器传送过来的放大后的电信号，从测量到的激光功率波形和反斯托克斯喇曼反射信号波 形分别计算其振幅和相位，并构造相应于反斯托克斯喇曼反射信号的频域响应函数，进行相 应计算。然后生成两路信号，一路送给单片机，确定下一次应该传送的信号频率，另一路送 到计算机，计算机对采集到的数据进行处理。

15、最后得到温度的空间分布并以图形或表格形式 显示出来。LD半导体激光器输出调制频率为v的调制激光功率P (t,)，其平均功率为P0，m 0 m 0P (t,v ) = P01+ cos(2兀v t)(1)0 m 0 m该信号的一部分被APD2接收。其余激光通过双向耦合器后注入长度为L的单模感温光 纤，经过双向耦合器的回波通道，反斯托克斯喇曼反射信号 P(t,v )，被滤波器提取后进 am入 APD2P (t,v )二 C P0 j LS (T,l)1 + cos2兀v (t -2nl/c)dl(2)a m a 0 0 a m其中n是光纤的折射率，c是光速，C是一个常数因子，S (T,l)是光纤的

16、反斯托克 aa斯喇曼强度的空间分布因子，与温度空间和光纤损耗的空间分布有关的因子。在频域反射技术中，直接测量的是不同频率下的激光功率波形 P(t,v )和反斯托克斯喇曼反射信号波形0mP (t,v )。am3传感器解调系统设计(执笔人：)目前利用喇曼散射对温度信号进行解调的传统方法是：利用斯托克斯和反斯托克斯的强度比解调温度，而本系统提出：通过采用大小等于频率采样间隔一半的起始调制频率，以有限大小的频率采样空间准确还原实际的反斯托克斯喇曼反射空间分布，从而研制了实现高 空间分辨率、长距离的功率调制型光频喇曼反射光纤温度传感器。图1中由两雪崩二极管输出的两路信号经过放大后进人数字信号处理(Digi tal SignalProcessing)模块进行处理exp-(a +a )l3)0a/ hAvexp(kT (l)式中T(l)是与距离有关的温度分布，AV =