分布式光纖溫度傳感器分類及其應用

安 琪

(1. 華中科技大學 光電子科學與工程學院, 武漢 430000;2. 湖南理工學院 信息與通信工程學院, 湖南 岳陽 414006)

分布式光纖溫度傳感器是近年來發(fā)展起來的一種新興的溫度傳感技術. 光纖在整個系統中既作為溫度信息的傳感介質, 又作為探測信號的傳輸介質, 具有電絕緣性、抗磁電干擾、幾何易變性和固有的大信號傳輸帶寬等優(yōu)點. 因此分布式光纖溫度傳感器不但擁有高的溫度靈敏度還可以有效傳輸攜帶溫度信息的光信號, 不但能在惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定工作還可以實現一次測定整個被測光纖區(qū)域的一維溫度分布場,對溫度場實時監(jiān)測. 同時還解決了以電信號為基礎的溫度傳感器與點式溫度傳感器的缺點, 為測溫技術找到新的突破口.

1 分布式光纖的研究概況

分布式光纖溫度傳感器系統最早是在1981年由英國南普敦大學提出的, 1983年英國用液芯光纖的激光喇曼光譜效應進行了分布式光纖溫度傳感器原理性實驗, 1985年英國Hartog在實驗室里用氬離子激光器作為光源進行分布式光纖溫度傳感器的測溫實驗, 同年, Hartog和Parter分別獨立地用半導體激光器作為光源, 研制了分布式光纖溫度傳感器實驗裝置. 八十年代英國YORK公司根據自發(fā)喇曼散射原理設計成功研制DTS-1, DTS-2型分布式光纖溫度傳感器, 系統光源為 904nm的激光光源, 檢測器用硅材料雪崩光電二極管(APD), 用12s可完成對2km光纖的測量, 空間分辨率為7.5m, 時重復性(1倍標準差)為0.4℃. 九十年代初, YORK公司推出了一種改進型的分布式測溫系統DTS-80ULR, 它使用一根單模光纖在長度為40km時, 距離分辨率為 2m, 溫度分辨率為 2℃. 主要改進措施是使用了一種二極管泵浦固態(tài)激光器(Diode-pumped solid-state laser)來給光纖注入功率更高、寬度更窄的光脈沖. 現在, 隨著半導體器件性能的提高和信號處理的發(fā)展, 基于后向喇曼散射的光纖分布式溫度傳感器的溫度分辨率已經提高到±1℃, 空間分辨率達到40cm[1,2].

2 分布式光纖溫度傳感器的分類

在光纖中主要涉及三種散射: 瑞利散射、喇曼散射和布里淵散射, 根據這三種散射, 分布式光纖溫度傳感器可分為下面三種類型.

2.1 瑞利散射

瑞利散射是指光與微小粒子相遇時, 光將向各個方向散射的現象. 光纖在制造拉絲過程中, 從 2000℃的高溫迅速冷卻到 20℃左右的室溫. 這樣, 在 2000℃時產生的密度分布不均勻和成分組成的不規(guī)則將殘留在光纖中. 這種微小的密度分布不均勻和微小的組成不規(guī)則性將產生瑞利散射損耗. 瑞利散射系數隨溫度不同會發(fā)生變化, 且溫度的變化會引起光纖數值孔徑的變化, 這將導致光纖中瑞利散射光強被溫度調制發(fā)生變化. 測量不同時刻從傳感光纖返回的瑞利散射光強就能夠得到沿光纖各個位置上的溫度場分布. 在常規(guī)的二氧化硅光纖中, 溫度的變化, 引起光纖數值孔徑和瑞利散射系數的變化很小, 但是在液芯光纖中, 瑞利散射系數具有較強的溫敏性, 從而使接收到的后向散射光強發(fā)生變化[3]. 因此, 可以通過光脈沖傳輸過程中不同時間返回的接收光強信息來測定整條光纖的溫度分布.

由于液芯光纖的使用, 使得此方案存在很多限制[4]: 液體存在冰點和沸點, 因而溫度測量范圍受到了很大限制. 光纖的不純或者有微粒, 將增加光纖的散射面或者光纖局部損耗, 從而使得信號不準確, 給出錯誤的溫度信息. 另外液芯光纖的使用也不方便. 這種方案是分布式溫度傳感方案的基礎, 但其只能在試驗室內工作良好, 能達到在幾百米長的光纖上實現±3℃的測溫, 溫度的空間分辨率達到5m.

基于瑞利散射的分布式溫度傳感器系統結構比較簡單, 所需元器件少, 但是溫度的變化會引起光纖波導物理特性的變化, 使瑞利散射光強隨溫度變化而波動, 所以無法精確測量溫度.

2.2 布里淵散射

布里淵散射是入射光與聲波或傳播的壓力波相互作用的結果. 這個傳播的壓力波等效于一個以一定速度移動的密度光柵, 因此布里淵散射可以看做入射光在移動的光柵上的散射, 多普勒效應使得散射光的頻率不同于入射光. 布里淵頻移與介質的折射率和介質中的聲速成正比, 溫度的變化會引起折射率和聲速的變化, 所以可以通過測量光纖中散射光的布里淵頻移來確定溫度.

受激布里淵散射首先是被用于光纖通信中對光纖衰減特性的檢測, 由Horiguchi等人于1989年進行實驗. 他們使用了一個 1.2m 長的單模光纖和兩個在其中相向傳輸的光束, 為了定位, 其中一個光束是脈沖的, 而另一個是連續(xù)的, 且頻率可調. 當在光纖上某一位置滿足連續(xù)波頻率等于脈沖波頻率與光纖中壓力波的頻率之差時, 脈沖激光的能量能最有效地轉移到連續(xù)波激光上, 這時到達探測器的連續(xù)波激光強度將出現一個尖峰, 通過找這個尖峰就可知道光纖上某處的溫度信息. 首次實驗取得了在?30～60℃溫度范圍內, 空間分辨率為 100m, 溫度分辨率為 3℃的性能指標. 從那時起, 世界上進行了許多這方面的研究,因為這一技術不僅能用于溫度分布測量, 而且還能用于應力的分布傳感. 多年的努力使其性能指標也有了突飛猛進的進展, 至 1995年, 所公布的這類實驗系統的性能指標已達到傳感距離 32km, 溫度分辨率1℃, 和空間分辨率 5m(幾乎是極限值了). 自發(fā)布里淵散射十分微弱, 觀察也就十分困難, 所以通常采用的是受激布里淵散射.

根據量子理論計算, 后向受激Brillouin散射光相對于入射光的頻移

其中vb為布里淵散射光頻率, vi為入射光頻率, n為光纖纖芯折射率, va介質中的聲速, C為真空中的光速, θ為入射光與散射光的夾角, 當取用后向散射光時, θ＝π, vb取得最大值.

采用布里淵測溫具有很大優(yōu)勢, 但是這種方法對激光器的頻率穩(wěn)定性要求很高, 而且布里淵散射對應力也十分敏感, 這對單獨測溫系統是不利的.

2.3 喇曼散射

喇曼散射測溫的結構與瑞利散射測溫的相似, 只是接收光時通常采用波分復用器將反斯托克斯光(Anti_Stokes)和斯托克斯光(Stokes)分別濾出, 濾出光再經過一個PIN和放大器探測放大, 最后通過信號處理到計算機中顯示出來.

由上式可見, 光強之比 R(T )與入射激光光功率、條件、應力均無關, 具有良好的溫度特性. 因此, 根據光脈沖傳輸過程中不同時間返回后向喇曼散射光強比, 可測定整條光纖的溫度分布. 由于光纖所處空間各點溫度場調制了后向喇曼散射的強度, 經過波分復用和光電探測采集了帶有溫度信息的光電信號,再經過信號處理系統解調后, 將溫度場信息解調出來. 在時域里, 利用光纖中光波的速度和后向回波的時間間隔, 利用OTDR技術對所測溫度點進行定位, 實現分布式傳感[5].

基于喇曼散射的分布式溫度傳感技術是分布式光纖傳感技術中最為成熟的一項技術. 對該技術開展研究工作的主要有英國南安普敦大學, 中國的重慶大學和中國計量學院. 目前, 該類傳感器的一些產品已出現在國際、國內市場上, 最為著名的是英國YORK公司的DTS, 它的空間分辨率和溫度分辨率分別能達到 2m、3℃, 測量范圍為 4～8km. 從理論上來講, 喇曼系統的極限空間分辨率很高(約厘米量級), 但高的輸入功率的要求是其最大的弱點; 對受激布里淵系統, 使用毫瓦量級的輸入功率實現很長跨度(約百公里)的分布測量并不是問題, 關鍵是其極限空間分辨率有限(約5m, 這是由其散射機制決定的, 更確切地講是由于散射聲子的壽命極短, 約 10ns所致). 就實際應用來講, 喇曼系統已較成熟, 且己有了性能指標都很優(yōu)越的商品, 而在這方面受激布里淵系統還差一些.

3 分布式光纖溫度傳感器應用

光纖傳感器和傳統的傳感器相比靈敏度高、頻帶寬; 電絕緣性能優(yōu)良、抗電磁干擾好; 耐高壓、耐腐蝕; 光纖柔軟、纖細; 信息容量大、光纖傳感系統易于與計算機系統相連接, 以實現多功能、智能化的測量; 傳感器體積小、結構緊湊、重量輕[6～11]. 正是因為這些特點, 光纖傳感一直受到各國相關學術界和研究機構的高度重視, 從上世紀至今, 已經研制出上百余種的光纖傳感器.

分布式光纖溫度傳感器問世以來, 已經在很多地方替代了其它溫度監(jiān)控系統, 主要應用于以下方面[12]:各種大、中型變壓器、發(fā)電機組的溫度分布測量、熱保護和故障診斷; 地下和架空高壓電力電纜的熱點檢測和監(jiān)控; 火力發(fā)電所的配管溫度、供熱系統(暖水、暖氣)的管道、輸油管道的熱點檢測和故障診斷; 醫(yī)院的ICU、CCU監(jiān)護病房的溫度監(jiān)測和火災監(jiān)測; 煤礦、隧道的災害防治及其報警系統; 油庫、油罐、危險品倉庫、大型倉庫和大型輪船的貨倉火災及報警系統; 化工原料、照相材料及油料生產過程的在線、動態(tài)檢測; 高層建筑、智能大廈、橋梁、高速公路等災害性在線、動態(tài)檢測、防護及報警; 作為一種典型的機敏結構用于航空、航天飛行器的在線動態(tài)檢測和機器人的神經網絡系統.

4 結束語

近年來, 分布式光纖溫度傳感器系統的發(fā)展已經趨于成熟, 并且已經在開始應用, 同時也在不斷的進行完善和改進. 目前有幾個動向: 由對單個點的溫度測量到對光纖沿線上溫度分布以及大面積表面溫度分布的測量; 研制大型傳感器陣列實現全光學要測; 開發(fā)包括測溫在內的多功能傳感器.

分布式光纖溫度傳感器在民用、軍用、科技應用等方面有自己獨特的優(yōu)點, 必將在航空航天、遠程控制、生物化學、化學、醫(yī)療、安全保險、電力工業(yè)等特殊環(huán)境下有廣闊的前景.

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