分布式光纤温度传感器分类及其应用

安 琪

(1. 华中科技大学 光电子科学与工程学院, 武汉 430000;2. 湖南理工学院 信息与通信工程学院, 湖南 岳阳 414006)

分布式光纤温度传感器是近年来发展起来的一种新兴的温度传感技术. 光纤在整个系统中既作为温度信息的传感介质, 又作为探测信号的传输介质, 具有电绝缘性、抗磁电干扰、几何易变性和固有的大信号传输带宽等优点. 因此分布式光纤温度传感器不但拥有高的温度灵敏度还可以有效传输携带温度信息的光信号, 不但能在恶劣的环境中稳定工作还可以实现一次测定整个被测光纤区域的一维温度分布场,对温度场实时监测. 同时还解决了以电信号为基础的温度传感器与点式温度传感器的缺点, 为测温技术找到新的突破口.

1 分布式光纤的研究概况

分布式光纤温度传感器系统最早是在1981年由英国南普敦大学提出的, 1983年英国用液芯光纤的激光喇曼光谱效应进行了分布式光纤温度传感器原理性实验, 1985年英国Hartog在实验室里用氩离子激光器作为光源进行分布式光纤温度传感器的测温实验, 同年, Hartog和Parter分别独立地用半导体激光器作为光源, 研制了分布式光纤温度传感器实验装置. 八十年代英国YORK公司根据自发喇曼散射原理设计成功研制DTS-1, DTS-2型分布式光纤温度传感器, 系统光源为 904nm的激光光源, 检测器用硅材料雪崩光电二极管(APD), 用12s可完成对2km光纤的测量, 空间分辨率为7.5m, 时重复性(1倍标准差)为0.4℃. 九十年代初, YORK公司推出了一种改进型的分布式测温系统DTS-80ULR, 它使用一根单模光纤在长度为40km时, 距离分辨率为 2m, 温度分辨率为 2℃. 主要改进措施是使用了一种二极管泵浦固态激光器(Diode-pumped solid-state laser)来给光纤注入功率更高、宽度更窄的光脉冲. 现在, 随着半导体器件性能的提高和信号处理的发展, 基于后向喇曼散射的光纤分布式温度传感器的温度分辨率已经提高到±1℃, 空间分辨率达到40cm[1,2].

2 分布式光纤温度传感器的分类

在光纤中主要涉及三种散射: 瑞利散射、喇曼散射和布里渊散射, 根据这三种散射, 分布式光纤温度传感器可分为下面三种类型.

2.1 瑞利散射

瑞利散射是指光与微小粒子相遇时, 光将向各个方向散射的现象. 光纤在制造拉丝过程中, 从 2000℃的高温迅速冷却到 20℃左右的室温. 这样, 在 2000℃时产生的密度分布不均匀和成分组成的不规则将残留在光纤中. 这种微小的密度分布不均匀和微小的组成不规则性将产生瑞利散射损耗. 瑞利散射系数随温度不同会发生变化, 且温度的变化会引起光纤数值孔径的变化, 这将导致光纤中瑞利散射光强被温度调制发生变化. 测量不同时刻从传感光纤返回的瑞利散射光强就能够得到沿光纤各个位置上的温度场分布. 在常规的二氧化硅光纤中, 温度的变化, 引起光纤数值孔径和瑞利散射系数的变化很小, 但是在液芯光纤中, 瑞利散射系数具有较强的温敏性, 从而使接收到的后向散射光强发生变化[3]. 因此, 可以通过光脉冲传输过程中不同时间返回的接收光强信息来测定整条光纤的温度分布.

由于液芯光纤的使用, 使得此方案存在很多限制[4]: 液体存在冰点和沸点, 因而温度测量范围受到了很大限制. 光纤的不纯或者有微粒, 将增加光纤的散射面或者光纤局部损耗, 从而使得信号不准确, 给出错误的温度信息. 另外液芯光纤的使用也不方便. 这种方案是分布式温度传感方案的基础, 但其只能在试验室内工作良好, 能达到在几百米长的光纤上实现±3℃的测温, 温度的空间分辨率达到5m.

基于瑞利散射的分布式温度传感器系统结构比较简单, 所需元器件少, 但是温度的变化会引起光纤波导物理特性的变化, 使瑞利散射光强随温度变化而波动, 所以无法精确测量温度.

2.2 布里渊散射

布里渊散射是入射光与声波或传播的压力波相互作用的结果. 这个传播的压力波等效于一个以一定速度移动的密度光栅, 因此布里渊散射可以看做入射光在移动的光栅上的散射, 多普勒效应使得散射光的频率不同于入射光. 布里渊频移与介质的折射率和介质中的声速成正比, 温度的变化会引起折射率和声速的变化, 所以可以通过测量光纤中散射光的布里渊频移来确定温度.

受激布里渊散射首先是被用于光纤通信中对光纤衰减特性的检测, 由Horiguchi等人于1989年进行实验. 他们使用了一个 1.2m 长的单模光纤和两个在其中相向传输的光束, 为了定位, 其中一个光束是脉冲的, 而另一个是连续的, 且频率可调. 当在光纤上某一位置满足连续波频率等于脉冲波频率与光纤中压力波的频率之差时, 脉冲激光的能量能最有效地转移到连续波激光上, 这时到达探测器的连续波激光强度将出现一个尖峰, 通过找这个尖峰就可知道光纤上某处的温度信息. 首次实验取得了在−30～60℃温度范围内, 空间分辨率为 100m, 温度分辨率为 3℃的性能指标. 从那时起, 世界上进行了许多这方面的研究,因为这一技术不仅能用于温度分布测量, 而且还能用于应力的分布传感. 多年的努力使其性能指标也有了突飞猛进的进展, 至 1995年, 所公布的这类实验系统的性能指标已达到传感距离 32km, 温度分辨率1℃, 和空间分辨率 5m(几乎是极限值了). 自发布里渊散射十分微弱, 观察也就十分困难, 所以通常采用的是受激布里渊散射.

根据量子理论计算, 后向受激Brillouin散射光相对于入射光的频移

其中vb为布里渊散射光频率, vi为入射光频率, n为光纤纤芯折射率, va介质中的声速, C为真空中的光速, θ为入射光与散射光的夹角, 当取用后向散射光时, θ＝π, vb取得最大值.

采用布里渊测温具有很大优势, 但是这种方法对激光器的频率稳定性要求很高, 而且布里渊散射对应力也十分敏感, 这对单独测温系统是不利的.

2.3 喇曼散射

喇曼散射测温的结构与瑞利散射测温的相似, 只是接收光时通常采用波分复用器将反斯托克斯光(Anti_Stokes)和斯托克斯光(Stokes)分别滤出, 滤出光再经过一个PIN和放大器探测放大, 最后通过信号处理到计算机中显示出来.

由上式可见, 光强之比 R(T )与入射激光光功率、条件、应力均无关, 具有良好的温度特性. 因此, 根据光脉冲传输过程中不同时间返回后向喇曼散射光强比, 可测定整条光纤的温度分布. 由于光纤所处空间各点温度场调制了后向喇曼散射的强度, 经过波分复用和光电探测采集了带有温度信息的光电信号,再经过信号处理系统解调后, 将温度场信息解调出来. 在时域里, 利用光纤中光波的速度和后向回波的时间间隔, 利用OTDR技术对所测温度点进行定位, 实现分布式传感[5].

基于喇曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术. 对该技术开展研究工作的主要有英国南安普敦大学, 中国的重庆大学和中国计量学院. 目前, 该类传感器的一些产品已出现在国际、国内市场上, 最为著名的是英国YORK公司的DTS, 它的空间分辨率和温度分辨率分别能达到 2m、3℃, 测量范围为 4～8km. 从理论上来讲, 喇曼系统的极限空间分辨率很高(约厘米量级), 但高的输入功率的要求是其最大的弱点; 对受激布里渊系统, 使用毫瓦量级的输入功率实现很长跨度(约百公里)的分布测量并不是问题, 关键是其极限空间分辨率有限(约5m, 这是由其散射机制决定的, 更确切地讲是由于散射声子的寿命极短, 约 10ns所致). 就实际应用来讲, 喇曼系统已较成熟, 且己有了性能指标都很优越的商品, 而在这方面受激布里渊系统还差一些.

3 分布式光纤温度传感器应用

光纤传感器和传统的传感器相比灵敏度高、频带宽; 电绝缘性能优良、抗电磁干扰好; 耐高压、耐腐蚀; 光纤柔软、纤细; 信息容量大、光纤传感系统易于与计算机系统相连接, 以实现多功能、智能化的测量; 传感器体积小、结构紧凑、重量轻[6～11]. 正是因为这些特点, 光纤传感一直受到各国相关学术界和研究机构的高度重视, 从上世纪至今, 已经研制出上百余种的光纤传感器.

分布式光纤温度传感器问世以来, 已经在很多地方替代了其它温度监控系统, 主要应用于以下方面[12]: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点检测和监控; 火力发电所的配管温度、供热系统(暖水、暖气)的管道、输油管道的热点检测和故障诊断; 医院的ICU、CCU监护病房的温度监测和火灾监测; 煤矿、隧道的灾害防治及其报警系统; 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; 化工原料、照相材料及油料生产过程的在线、动态检测; 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; 作为一种典型的机敏结构用于航空、航天飞行器的在线动态检测和机器人的神经网络系统.

4 结束语

近年来, 分布式光纤温度传感器系统的发展已经趋于成熟, 并且已经在开始应用, 同时也在不断的进行完善和改进. 目前有几个动向: 由对单个点的温度测量到对光纤沿线上温度分布以及大面积表面温度分布的测量; 研制大型传感器阵列实现全光学要测; 开发包括测温在内的多功能传感器.

分布式光纤温度传感器在民用、军用、科技应用等方面有自己独特的优点, 必将在航空航天、远程控制、生物化学、化学、医疗、安全保险、电力工业等特殊环境下有广阔的前景.

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