分布式光纤温度传感简介

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分布式光纤温度传感简介

一、基本原理

图1 光纤传感技术

光纤传感技术自20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来，它是以光波为载体、光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。

与传统传感技术相比具有很多优点：

１）占空间小、质量轻、可塑性强，可根据不同应用场合设计不同的光纤铺设形状。

２）抗辐射电磁干扰、绝缘性能好、抗腐蚀性能好,用于强辐射、强腐蚀、高温、易燃易爆等场所；

３）传输带宽大、损耗低、适合长距离传输。

４）多参量测量、适用范围广。比如应变、温度、振动、位移、压力等。

其中分布式光纤传感系统由于其在实际施工环境中安装比较简便、能够监测到的距离较长、可以实现连续多点检测等特点，获得了快速的发展。

图2 光纤中后向散射示意图

分布式光纤传感是利用光脉冲在光纤中传输产生的后向散射进行传感，当光在光纤中传输时，光纤中将有三种散射发生：瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射，它们的散射机理各不相同。瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同，是强度最高的散射光成分；布里渊散射是光纤中的光学光子和光纤中的声学声子发生非弹性碰撞而产生的，布里渊频移场约为11.2GHz，相当于0.08nm。强度比瑞利散射小2个数量级；拉曼散射是光纤中的光学光子和光纤中的光学声子发生非弹性碰撞而产生的，拉曼散射光频移约为12THz，约为100nm,强度比布里渊散射小1个数量级。光谱在入射光波长两侧是成对出现的，在低频一侧的散射光为斯托克斯光(Stokes)，在高频一侧的散射光为反斯托克斯光(Anti-Stokes)，它们同时包含在拉曼和布里渊散射中。通过瑞利散射可以测量光纤的损耗（Optical Time Domain Reflectometer ，OTDR），测量振动（Phase-sensitive Optical Time Domain Reflectometer，φ-OTDR）；利用拉曼散射可以测量温度（Raman Optical Time Domain Reflectometer，R-OTDR），利用布里渊散射可以测量温度和应变（Brillouin Optical Time Domain Reflectometer，B-OTDR）。

分布式光纤传感(Distributed Optical Fiber Sensing,DOFS)非常适合应用于具有大范围、长距离的大型基础设施的结构健康监测。2017年，光纤传感协会(FOSA)发布了全球75个国家DOFS安装的详细信息，中国的部署比其他任何国家都多，大约占所有安装设备的11.3%，紧随其后的是德9.4%、美国6.5%、韩国4.8%，通过测量由于温度、振动或应变信号导致的光缆中光的偏差，可以对电力电缆、管道、铁路、国际边界和关键基础设施进行实时、分布式、长距离的高精度监测。

二、分布式光纤温度传感技术（DTS）

分布式光纤测温系统是基于拉曼散射光的温度效应进行温度测量的，当入射光进入光纤后，产生后向拉曼散射光。后向拉曼散射光的强度受其所处的环境温度影响，所以通过光电探测器检测拉曼散射光功率的强弱变化，即可获取光纤沿线温度场信息。系统特点是：连续分布式测量，误报率和漏报率极低；光纤传感抗电磁干扰，本征安全，防雷防爆；灵敏度高，响应速度快，测量距离远系统简单可靠，维护成本低，使用寿命长。