安 琪

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

分布式光纖溫度傳感器是近年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一種新興的溫度傳感技術(shù). 光纖在整個(gè)系統(tǒng)中既作為溫度信息的傳感介質(zhì), 又作為探測(cè)信號(hào)的傳輸介質(zhì), 具有電絕緣性、抗磁電干擾、幾何易變性和固有的大信號(hào)傳輸帶寬等優(yōu)點(diǎn). 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(hào), 不但能在惡劣的環(huán)境中穩(wěn)定工作還可以實(shí)現(xiàn)一次測(cè)定整個(gè)被測(cè)光纖區(qū)域的一維溫度分布場(chǎng),對(duì)溫度場(chǎng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè). 同時(shí)還解決了以電信號(hào)為基礎(chǔ)的溫度傳感器與點(diǎn)式溫度傳感器的缺點(diǎn), 為測(cè)溫技術(shù)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(tǒng)最早是在1981年由英國(guó)南普敦大學(xué)提出的, 1983年英國(guó)用液芯光纖的激光喇曼光譜效應(yīng)進(jìn)行了分布式光纖溫度傳感器原理性實(shí)驗(yàn), 1985年英國(guó)Hartog在實(shí)驗(yàn)室里用氬離子激光器作為光源進(jìn)行分布式光纖溫度傳感器的測(cè)溫實(shí)驗(yàn), 同年, Hartog和Parter分別獨(dú)立地用半導(dǎo)體激光器作為光源, 研制了分布式光纖溫度傳感器實(shí)驗(yàn)裝置. 八十年代英國(guó)YORK公司根據(jù)自發(fā)喇曼散射原理設(shè)計(jì)成功研制DTS-1, DTS-2型分布式光纖溫度傳感器, 系統(tǒng)光源為 904nm的激光光源, 檢測(cè)器用硅材料雪崩光電二極管(APD), 用12s可完成對(duì)2km光纖的測(cè)量, 空間分辨率為7.5m, 時(shí)重復(fù)性(1倍標(biāo)準(zhǔn)差)為0.4℃. 九十年代初, YORK公司推出了一種改進(jìn)型的分布式測(cè)溫系統(tǒng)DTS-80ULR, 它使用一根單模光纖在長(zhǎng)度為40km時(shí), 距離分辨率為 2m, 溫度分辨率為 2℃. 主要改進(jìn)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(lái)給光纖注入功率更高、寬度更窄的光脈沖. 現(xiàn)在, 隨著半導(dǎo)體器件性能的提高和信號(hào)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(jīng)提高到±1℃, 空間分辨率達(dá)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(jù)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(shí), 光將向各個(gè)方向散射的現(xiàn)象. 光纖在制造拉絲過(guò)程中, 從 2000℃的高溫迅速冷卻到 20℃左右的室溫. 這樣, 在 2000℃時(shí)產(chǎn)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(chǎn)生瑞利散射損耗. 瑞利散射系數(shù)隨溫度不同會(huì)發(fā)生變化, 且溫度的變化會(huì)引起光纖數(shù)值孔徑的變化, 這將導(dǎo)致光纖中瑞利散射光強(qiáng)被溫度調(diào)制發(fā)生變化. 測(cè)量不同時(shí)刻從傳感光纖返回的瑞利散射光強(qiáng)就能夠得到沿光纖各個(gè)位置上的溫度場(chǎng)分布. 在常規(guī)的二氧化硅光纖中, 溫度的變化, 引起光纖數(shù)值孔徑和瑞利散射系數(shù)的變化很小, 但是在液芯光纖中, 瑞利散射系數(shù)具有較強(qiáng)的溫敏性, 從而使接收到的后向散射光強(qiáng)發(fā)生變化[3]. 因此, 可以通過(guò)光脈沖傳輸過(guò)程中不同時(shí)間返回的接收光強(qiáng)信息來(lái)測(cè)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(diǎn)和沸點(diǎn), 因而溫度測(cè)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(hào)不準(zhǔn)確, 給出錯(cuò)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(chǔ), 但其只能在試驗(yàn)室內(nèi)工作良好, 能達(dá)到在幾百米長(zhǎng)的光纖上實(shí)現(xiàn)±3℃的測(cè)溫, 溫度的空間分辨率達(dá)到5m.

基于瑞利散射的分布式溫度傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單, 所需元器件少, 但是溫度的變化會(huì)引起光纖波導(dǎo)物理特性的變化, 使瑞利散射光強(qiáng)隨溫度變化而波動(dòng), 所以無(wú)法精確測(cè)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(jié)果. 這個(gè)傳播的壓力波等效于一個(gè)以一定速度移動(dòng)的密度光柵, 因此布里淵散射可以看做入射光在移動(dòng)的光柵上的散射, 多普勒效應(yīng)使得散射光的頻率不同于入射光. 布里淵頻移與介質(zhì)的折射率和介質(zhì)中的聲速成正比, 溫度的變化會(huì)引起折射率和聲速的變化, 所以可以通過(guò)測(cè)量光纖中散射光的布里淵頻移來(lái)確定溫度.

受激布里淵散射首先是被用于光纖通信中對(duì)光纖衰減特性的檢測(cè), 由Horiguchi等人于1989年進(jìn)行實(shí)驗(yàn). 他們使用了一個(gè) 1.2m 長(zhǎng)的單模光纖和兩個(gè)在其中相向傳輸?shù)墓馐? 為了定位, 其中一個(gè)光束是脈沖的, 而另一個(gè)是連續(xù)的, 且頻率可調(diào). 當(dāng)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(shí), 脈沖激光的能量能最有效地轉(zhuǎn)移到連續(xù)波激光上, 這時(shí)到達(dá)探測(cè)器的連續(xù)波激光強(qiáng)度將出現(xiàn)一個(gè)尖峰, 通過(guò)找這個(gè)尖峰就可知道光纖上某處的溫度信息. 首次實(shí)驗(yàn)取得了在?30～60℃溫度范圍內(nèi), 空間分辨率為 100m, 溫度分辨率為 3℃的性能指標(biāo). 從那時(shí)起, 世界上進(jìn)行了許多這方面的研究,因?yàn)檫@一技術(shù)不僅能用于溫度分布測(cè)量, 而且還能用于應(yīng)力的分布傳感. 多年的努力使其性能指標(biāo)也有了突飛猛進(jìn)的進(jìn)展, 至 1995年, 所公布的這類實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的性能指標(biāo)已達(dá)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(jù)量子理論計(jì)算, 后向受激Brillouin散射光相對(duì)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(zhì)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(dāng)取用后向散射光時(shí), θ＝π, vb取得最大值.

采用布里淵測(cè)溫具有很大優(yōu)勢(shì), 但是這種方法對(duì)激光器的頻率穩(wěn)定性要求很高, 而且布里淵散射對(duì)應(yīng)力也十分敏感, 這對(duì)單獨(dú)測(cè)溫系統(tǒng)是不利的.

2.3 喇曼散射

喇曼散射測(cè)溫的結(jié)構(gòu)與瑞利散射測(cè)溫的相似, 只是接收光時(shí)通常采用波分復(fù)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(jīng)過(guò)一個(gè)PIN和放大器探測(cè)放大, 最后通過(guò)信號(hào)處理到計(jì)算機(jī)中顯示出來(lái).

由上式可見(jiàn), 光強(qiáng)之比 R(T )與入射激光光功率、條件、應(yīng)力均無(wú)關(guān), 具有良好的溫度特性. 因此, 根據(jù)光脈沖傳輸過(guò)程中不同時(shí)間返回后向喇曼散射光強(qiáng)比, 可測(cè)定整條光纖的溫度分布. 由于光纖所處空間各點(diǎn)溫度場(chǎng)調(diào)制了后向喇曼散射的強(qiáng)度, 經(jīng)過(guò)波分復(fù)用和光電探測(cè)采集了帶有溫度信息的光電信號(hào),再經(jīng)過(guò)信號(hào)處理系統(tǒng)解調(diào)后, 將溫度場(chǎng)信息解調(diào)出來(lái). 在時(shí)域里, 利用光纖中光波的速度和后向回波的時(shí)間間隔, 利用OTDR技術(shù)對(duì)所測(cè)溫度點(diǎn)進(jìn)行定位, 實(shí)現(xiàn)分布式傳感[5].

基于喇曼散射的分布式溫度傳感技術(shù)是分布式光纖傳感技術(shù)中最為成熟的一項(xiàng)技術(shù). 對(duì)該技術(shù)開(kāi)展研究工作的主要有英國(guó)南安普敦大學(xué), 中國(guó)的重慶大學(xué)和中國(guó)計(jì)量學(xué)院. 目前, 該類傳感器的一些產(chǎn)品已出現(xiàn)在國(guó)際、國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上, 最為著名的是英國(guó)YORK公司的DTS, 它的空間分辨率和溫度分辨率分別能達(dá)到 2m、3℃, 測(cè)量范圍為 4～8km. 從理論上來(lái)講, 喇曼系統(tǒng)的極限空間分辨率很高(約厘米量級(jí)), 但高的輸入功率的要求是其最大的弱點(diǎn); 對(duì)受激布里淵系統(tǒng), 使用毫瓦量級(jí)的輸入功率實(shí)現(xiàn)很長(zhǎng)跨度(約百公里)的分布測(cè)量并不是問(wèn)題, 關(guān)鍵是其極限空間分辨率有限(約5m, 這是由其散射機(jī)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(shí)際應(yīng)用來(lái)講, 喇曼系統(tǒng)已較成熟, 且己有了性能指標(biāo)都很優(yōu)越的商品, 而在這方面受激布里淵系統(tǒng)還差一些.

3 分布式光纖溫度傳感器應(yīng)用

光纖傳感器和傳統(tǒng)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(xì); 信息容量大、光纖傳感系統(tǒng)易于與計(jì)算機(jī)系統(tǒng)相連接, 以實(shí)現(xiàn)多功能、智能化的測(cè)量; 傳感器體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、重量輕[6～11]. 正是因?yàn)檫@些特點(diǎn), 光纖傳感一直受到各國(guó)相關(guān)學(xué)術(shù)界和研究機(jī)構(gòu)的高度重視, 從上世紀(jì)至今, 已經(jīng)研制出上百余種的光纖傳感器.

分布式光纖溫度傳感器問(wèn)世以來(lái), 已經(jīng)在很多地方替代了其它溫度監(jiān)控系統(tǒng), 主要應(yīng)用于以下方面[12]:各種大、中型變壓器、發(fā)電機(jī)組的溫度分布測(cè)量、熱保護(hù)和故障診斷; 地下和架空高壓電力電纜的熱點(diǎn)檢測(cè)和監(jiān)控; 火力發(fā)電所的配管溫度、供熱系統(tǒng)(暖水、暖氣)的管道、輸油管道的熱點(diǎn)檢測(cè)和故障診斷; 醫(yī)院的ICU、CCU監(jiān)護(hù)病房的溫度監(jiān)測(cè)和火災(zāi)監(jiān)測(cè); 煤礦、隧道的災(zāi)害防治及其報(bào)警系統(tǒng); 油庫(kù)、油罐、危險(xiǎn)品倉(cāng)庫(kù)、大型倉(cāng)庫(kù)和大型輪船的貨倉(cāng)火災(zāi)及報(bào)警系統(tǒng); 化工原料、照相材料及油料生產(chǎn)過(guò)程的在線、動(dòng)態(tài)檢測(cè); 高層建筑、智能大廈、橋梁、高速公路等災(zāi)害性在線、動(dòng)態(tài)檢測(cè)、防護(hù)及報(bào)警; 作為一種典型的機(jī)敏結(jié)構(gòu)用于航空、航天飛行器的在線動(dòng)態(tài)檢測(cè)和機(jī)器人的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng).

4 結(jié)束語(yǔ)

近年來(lái), 分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的發(fā)展已經(jīng)趨于成熟, 并且已經(jīng)在開(kāi)始應(yīng)用, 同時(shí)也在不斷的進(jìn)行完善和改進(jìn). 目前有幾個(gè)動(dòng)向: 由對(duì)單個(gè)點(diǎn)的溫度測(cè)量到對(duì)光纖沿線上溫度分布以及大面積表面溫度分布的測(cè)量; 研制大型傳感器陣列實(shí)現(xiàn)全光學(xué)要測(cè); 開(kāi)發(fā)包括測(cè)溫在內(nèi)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(yīng)用等方面有自己獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn), 必將在航空航天、遠(yuǎn)程控制、生物化學(xué)、化學(xué)、醫(yī)療、安全保險(xiǎn)、電力工業(yè)等特殊環(huán)境下有廣闊的前景.

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