分布式光纤测温技术在港口的应用

刘维华

（营口港务股份有限公司粮食分公司，辽宁 营口 115007）

长期以来我国对港口码头皮带机、滚筒、电机等各种设备缺乏有效的长期实时监测设备与监测手段，出现很多起严重的火灾事故，给国家和人民的生命财产造成重大损失。

温度场的分布测量是工程中温度测量的重要内容。在许多场合，传统的温度传感器或是因为不能工作在强电磁场环境中，或是因为多点测量的成本过高，或是因为存在传感器的安装等问题不能完成分布式温度测量[1]。而分布式温度传感技术具有使用安全、抗电磁干扰能力强、易于安装等特点，在实时检测温度场的控件连续分布的应用中以其独特的优点而受到重视。

近几年，随着光纤测温技术在港口领域的应用，利用光纤对港口领域的温度实时检测已经实现。然而还有很多重要的问题没有得到完全解决[2-4]。有鉴于此，本文针对分布式光纤测温技术在港口的应用，提出了一系列集可视化、智能化、无人化于一身的数字化在线监测方案，为全面提升港口的生产安全能力打下坚实的基础。

1 分布式光纤测温技术简介

1.1 拉曼散射

光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射称为拉曼散射（Raman scattering），又称拉曼效应。1923 年 A·G·S 斯梅卡尔从理论上预言了频率发生改变的散射。1928年，印度物理学家C·V·拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变的现象。拉曼散射遵守如下规律：散射光中在每条原始入射谱线(频率为ν0)两侧对称地伴有频率为 ν0±νi(i=1，2，3，…）的谱线，长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线；频率差νi与入射光频率ν0无关，由散射物质的性质决定，每种散射物质都有自己特定的频率差，其中有些与介质的红外吸收频率相一致。拉曼散射的强度比瑞利散射（可见光的散射）要弱得多。拉曼光如图1。

图1 拉曼光

1.2 探测光纤

探测光纤（见图2）表层采用可触变的芳纶纤维加以保护，外护套为高性能的阻燃PVC材料，光纤被很好地密封以保证不受外界环境的影响和破坏，同时光缆具有优良的热传导特性、机械性能、防水性能及抗腐蚀特性，可以在恶劣的环境中长期使用。

图2 探测光纤

1.3 分布式光纤测温原理

分布式光纤传感系统工作依据是光时域反射原理（OTDR）和光纤的背向拉曼散射(RAMAN SCATFORING)温度效应。系统利用先进的OTDR技术进行定位，利用拉曼散射效应进行测温。当光源向光纤注入光脉冲后，会产生自发拉曼散射光，自发拉曼散射光包括斯托克斯光和反斯托克斯光，其中部分自发拉曼散射光会沿光纤反射回来，这部分自发拉曼散射光与温度有着密切的关系，经算法分析得出光纤测量温度，其测温原理如图3所示。

图3 分布式光纤测温原理

2 分布式光纤测温系统

分布式光纤温度传感系统的组成如图4所示，系统由光学模块、分光模块、传感光纤、APD模块、放大器模块、信号处理及电源模块等部分组成。

图4 分布式光纤温度传感系统

2.1 分布式光纤测温系统工作过程

分布式光纤温度传感系统工作时，脉冲驱动电路产生一电流脉冲，驱动半导体激光二极管产生的光脉冲注入到激光器尾纤中，从激光器尾纤输出的光脉冲经过光路WDM再进入传感光纤。光在光纤中发生散射后，其携带有温度信息的拉曼光向后散射返回到WDM，WDM不但可以将发射的光直接耦合进光纤，而且可以将散射回的不同于发射波长的斯托克斯和反斯托克斯光分离后送入两个APD。APD将光信号转换成电流信号，电流信号再被放大电路转换成电压信号并且放大后送入采集卡。采集卡将信号数字化后送入PC机，经特定的算法计算出温度信息。

2.1.1 斯托克斯光强和反斯托克斯光强

测温算法理论依据是反斯托克斯光强和斯托克斯光强的比值是和温度有关的函数，利用该函数来解调实际温度值。实际应用中是光信号经光电转换器件转换为电信号（正比关系）来进行计算的。其中反斯托克斯光纤光强理论公式为：

斯托克斯光强理论公式为：

K1、K2与光纤所处环境温度无关，取决于光纤结构和物理特性入射光强等，k为波尔兹曼常数，h为普朗克常数，ν为声子频移。

γAS、γS分别为反斯托克斯与斯托克斯光的波数，αAS是反斯托克斯光纤传输衰减系数，αS是斯托克斯光纤传输衰减系数，L为光纤长度。

2.1.2 拉曼光强转化成电压

光信号经光电转换器转化为电信号，且电信号正比于光信号，即

则反斯托克斯光强与斯托克斯光强比为：

此外，分布式光纤测温继续需要一个定标温度，需要由定标光纤进行计算。

2.1.3 根据定标温度计算实测温度

将未知温度为T的传感光纤反斯托克斯和斯托克斯的比值按照公式（3）计算，再将温度为已知的定标光纤反斯托克斯和斯托克斯的比值按照公式（4）计算，最后将两个比值做比率，即

上式中等式左边数值可通过分布式光纤测温系统测量，等式右边定标温度，T0由温度探头读取，即可得到传感光纤任意位置的温度。

2.2 分布式光纤测温系统硬件

2.2.1 激光器

光纤激光器是以掺杂光纤本身为工作物质，而该光纤本身又是起到导波作用的固体激光器。由工作物质、谐振腔、泵浦源三个基本部分组成。

波长选择,工作波长与测量距离的关系：

根据系统原理，背向拉曼散射信号的信噪比和散射点的位置有关，散射点离光源越远，信噪比越小，所以选择最佳工作波长的原则是：使传感光纤尾端返回的反斯托克斯信号最强。

式中：Z为 测量点的距离；P0为 光纤始端光源光功率；Pas（Z）为 光纤末端返回光纤始端的反斯托克斯光功率；Kas为 与拉曼散射截面、拉曼频移处光纤原件的耦合效率及光纤背向散射因子等有关的系数；Ras（T）为下能级的布局数；λas为 反斯托克斯散射光波长；λ0为 系统中心波长；α0、 αas为 在光源中心波长和反斯托克斯散射光波长处光纤的损耗。

根据拉曼光谱学，系统中心波长越短，自发拉曼散射信号强度越大，但相应传感光纤的损耗也越大，因此，测量点最佳中心波长与系统选用的传感光纤的损耗分布密切相关。

吸收损耗主要来自三个方面：光纤材料的本征吸收、材料中杂质吸收和结构中原子缺陷吸收。附加损耗是光纤成缆后产生的损耗。散射损耗主要是指瑞利散射，它属于固有散射，由于光纤材料中折射率不均匀造成。瑞利散射损耗与波长四次方成反比：

式中:A为比例系数，由具体光纤决定，本文记作光纤损耗常数。

在现有的工艺条件下，某种程度上可以把光纤的损耗看作是光纤的吸收损耗和瑞利散射损耗之和。对于硅光纤，在0.6～1.6 μm范围内，瑞利散射是损耗的主要本征源。在此条件下，下式成立：

式中:λas=λ0/（1+λ0·Δν），Δν为波数移动。代入公式（7），并令，得到

式（8）是测量点中心波长优化方法的基础，由其可知测量点最佳中心波长与测量距离密切相关。

1990年英国的PJ．Samson讨论了分布式光纤拉曼温度传感器系统的测量长度LD与波长的依赖关系计算公式：

式中：σ是一个不依赖于波长的系数，与光纤的损耗有关；Δν是系统所选的光谱带宽。表1给出了不同激光波长和不同光纤长度条件下，背向反斯托克斯拉曼散射的信号电压与激光波长和光纤长度的关系。

表1 背向反斯托克斯拉曼散射的信号电压与激光波长和光纤长度的关系

波长选择结论：

根据拉曼光谱学，系统中心波长越短，自发拉曼散射信号强度越大，但相应传感光纤的损耗也越大，因此，测量点最佳中心波长与系统选用的传感光纤的损耗分布密切相关。

4 km选择半导体激光器，波长980 nm，拉曼效应强，保证近距离有更高的信噪比。但由于980 nm在光纤中的损耗大，所以无法做远距离测量。

10 km选择光纤激光器，波长1 550 nm,拉曼效应弱，在近距离时信噪比不如980 nm,但是由于1550 nm光纤中的损耗低，在远距离端信噪比要高于980 nm光源，所以可以测量更远的距离。

2.2.2 温度敏感元件NTC

NTC（负温度系数）热敏电阻是一个温度敏感的元件。其电阻随温度增加而减小，有很多种NTC元件可供使用，其中用陶瓷粉工艺制作的NTC元件对温度的微小变化有最大的电阻变化，更重要的是某些陶瓷NTC在其寿命内，经适当老化，具有0.05℃稳定度，并且与其它温度传感相比，陶瓷NTC的尺寸特别小。

用在恒温控制器中的NTC能提供高灵敏度，对于0.75 mV的放大器失调电压所产生的绝对误差接近0.03℃，而NTC自热引起的误差为0.06℃（大气条件下）。

2.2.3 PWM控制器

温度控制的核心是PWM控制器。图5是PWM控制器电路。

图5 PWM H桥和TEC电流检测电路

2.2.4 光路器件

系统用到的光路器件主要是分光系统用的光纤耦合器、光滤波器和防止反射光影响的光隔离器，光功率放大器EDFA以及光路转换用的光开关等等。

耦合器的光学性能主要有附加损耗、方向性、均匀性等指标见图6。

图6 光纤耦合器示意图

2.2.5 光滤波器

光滤波器是一种波长选择器件，实现波长选择的方法主要有干涉滤波法、棱镜和光栅的色散分光法、光纤布拉格光栅(FBG)光谱滤波法、声光滤波法、集成波导滤波法等。对于我们这个系统，可选择带通滤波法，如图7所示：

图7 带通滤波器原理图

2.2.6 光功率放大器

光纤放大器主要有半导体光纤放大器、非线性光纤放大器 （受激拉曼散射光纤放大器和受激布里渊散射光纤放大器）、掺杂光纤放大器(包括EDFA、掺镨光纤放大器等)。其中非线性光纤放大器由于利用的是受激散射放大原理，不适用于本系统。

2.3 系统的关键指标

空间分辨率——把一段光纤放入已知温度恒温箱内加热至恒定，探测光纤温度从10%变化为90%所需的距离。例如室温温度为T1，恒温箱温度为T2，温度变化量 ΔL=L2-L1，L1对应温度 T1+ΔT 位置，L2对应温度T2-ΔT位置，ΔT=T2-T1即为空间分辨率。如图8所示：

图8 空间分辨率曲线

温度精度——在监测距离内将任意一段光纤放入已知温度恒温箱内，光纤长度大于40 m，恒温箱温度不超过测温范围，在同一温度下对该段光纤连续20次测量求出这段光纤每个测量点20次测量温度的标准偏差，最大的标准偏差即为温度精度。

温度精度σ1的计算公式：

式中：xi为感温光纤每次测量温度值；n为试验重复次数；M(x)为xi的算术平均值。

温度分辨率——将一段光纤（约40 m）放入恒温箱内，恒温箱温度设为测温范围区间内的固定值，对该温度进行连续20次测量，求出该段光纤每次测量平均值及各次平均值的标准偏差，最大的标准偏差即为温度分辨率。

温度分辨率σ2的计算公式：

式中：xi为感温光纤每次测量温度平均值；n为试验重复次数；M(x)为xi的算术平均值。

定位精度——将1 m光纤圈放入高温箱中加热，稳定10 min，记录高温点长度指示值，连续测量20次，求20次测量长度指示值的标准偏差，标准偏差即为定位精度。

式中：xi为感温光纤每次测量长度指示值；n为试验重复次数；M(x)为xi的算术平均值。

3 分布式光纤测温技术在皮带输送机及相关设备温度监测的应用

随着港口储运能力的提升，大型皮带机运作时可能产生的安全隐患也随之上升。只凭传统的人力巡检无法及时地发现和解决问题。

通过实验验证，分布式光纤测温技术可以实时在线监测皮带机电机、滚筒及托辊轴承等设备的温度，达到提前预警的效果。由于这些设备的特殊结构，直接敷设光缆无法达到预期的测温效果。实验证明，可以通过特制的夹具实现温度检测，当设备出现故障时，表面温度上升，热量传到探测光缆后进行测温及定位，可通过相应的软件界面，提醒工作人员及时检修，避免皮带过度磨损、增加皮带寿命、防止火灾事故的发生。

3.1 皮带机滚筒温度监测

在皮带机运转过程中，主从动滚筒经常发生打滑现象，一旦发生打滑，就会使滚筒表面温度升高。根据徐州矿务局试验站试验，皮带打滑40 min滚筒表面温度就可达到320℃。根据试验，该温度已是着火温度。长时间打滑就可导致皮带着火。因此对皮带机滚筒进行实时的火灾预警，对港口的安全生产有着重要的实际意义。

滚筒为圆柱体，如图9所示，光纤无法直接缠绕，需要特制的夹具敷设其上。

图9 滚筒示意图

用特制的夹具将探测光缆固定在皮带机滚筒、电机、减速器端盖上，一旦皮带打滑其表面温度必然上升，热量传递到夹具处，系统即可监测到温升，准确发出预警信号，避免火灾事故。

适用设备：皮带机滚筒、电机、减速器等。

3.2 承载托辊温度监测

托辊不转及皮带在托辊表面滑动容易磨损皮带甚至引起火灾。托辊轴承内部容易进入灰尘，导致托辊轴承寿命较短，轴承卡死后，皮带将在托辊表面摩擦，托辊温升很高。托辊摩擦引起皮带着火主要发生在停机之后。

基于托辊的特殊结构，需要针对托辊特制一种夹具实现温度在线监测。

将探测光缆绕入夹具，将夹具固定于托辊支架处使夹具与托辊轴紧密接触，达到测温目的。测温夹具与皮带机承载托辊轴承紧密接触，探测光缆能够准确的感知每组托辊轴实时的温度变化情况，做到防患于未然。

可通过软件图形数据实时连续显示线路上的温度分布曲线、各点温度随时间变化曲线。温度曲线示意图如图10所示：

图10 温度曲线示意图

4 分布式光纤测温技术在港口其它领域的应用

4.1 分布式光纤测温技术在港口变电站的应用

分布式光纤测温技术可针对港口内的电力电缆、变压器、开关柜等设备进行在线温度可视化监测，从而为变电站管理部门提供实际运行的状态信息。变电站探测光缆铺设示意图见图11。

图11 电缆桥架光缆敷设

（1）电缆桥架光缆敷设。光缆安装采用正弦曲线方式铺设，实时监测电缆桥架电缆温度。探测光缆要紧紧贴装在电缆的表面，每隔0.5 m通过扎线将光缆固定在电缆表面，同时要确保光缆不能承受比较大的应力。

（2）电缆接头光缆敷设。采用跳线方式，即光缆直接跳过电缆接头，并在此处留出3倍电缆接头长度的光缆，然后光缆继续向前敷设。留出的光缆以双股形式缠绕于电缆接头处。见图12。

图12 光缆敷设示意图

4.2 筒仓

粮食筒仓作为港口装卸主要设施，因其自动化、专业化、连续化、大运量的作业方式，在自动连续装卸过程中发挥了极其重要的作用。实时对粮食筒仓内的温度进行监测，对确保港口、码头的正常运营、保障国家财产和生命安全有着重要的现实意义。

探测光缆敷设方案：

可以将探测光缆置于光缆组件内部，组件两侧为钢缆，内置探测光缆，外护套采用高密度聚乙烯材料，整个组件保证足够的抗拉性与耐磨性，可在粮食筒仓内长期使用，若光缆有异常可将光缆直接抽出维修后重新敷设。见图13。

图13 筒仓光纤敷设示意图

4.3 分布式光纤测温技术在储油罐罐顶温度监测方面的应用

目前油罐罐体大多在油罐底部装有温度测量装置，只能测量到油罐罐底或几个离散点的温度数据，很多时候罐底温度已经达到输送温度，但是罐顶温度未达到输送温度，这样容易造成油料挂壁，再次注油会降低油品的品质。

通过对罐顶温度的监测可以更全面的监测罐内各点温度，以达到合理输送的效果。见图14。

图14 罐顶温度监测安装效果图

4.4 分布式光纤测温技术在储油罐和输油管线防凝防漏方面的应用

随着生产规模的不断扩大,重大灾难性工业事故时有发生,特别是易燃、易爆重大事故更是人们关注的焦点。温度对油罐区的生产安全具有重要的指标作用，而目前油罐罐体大多在油罐底部装有温度测量装置，只能测量到油罐罐底或几个离散点的温度数据，对罐体大部分的温度具有不可预见性。基于此，我们可以采用分布式光纤测温技术针对油罐进行全方位的分布式温度测量，减少油料挂壁及凝堵现象的发生。见图15、图16。

图15 储油罐布线示意图

图16 输油管线布线方法

5 结论

随着港口吞吐量的上升，集可视化、智能化、无人化于一身的数字化港口储运及装卸设备状态在线监测技术的研发已经刻不容缓。先进的分布式光纤测温技术将为港口的生产安全提供更多方面的技术支持和保障，因此，全面发展分布式测温技术在港口各个领域的应用势在必行、意义重大。