亓昌秋

（山東鋼鐵萊蕪鋼鐵集團(tuán)有限公司總調(diào)度室，山東 萊蕪 271104）

1 概述

光纖傳感技術(shù)是上世紀(jì)八十年代伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種以光為載體，光纖為媒介，感知和傳輸外界信號(hào)（被測量）的新型傳感技術(shù)，該技術(shù)可通過時(shí)域技術(shù)（OTDR）和復(fù)用技術(shù)實(shí)現(xiàn)了分布式傳感測試，為最具前途的分布式傳感技術(shù)之一。它應(yīng)用光纖幾何上的一維特性，把被測參量作為光纖位置長度的函數(shù)，可以在整個(gè)光纖長度上對(duì)沿光纖幾何路徑分布的外部物理參量進(jìn)行連續(xù)的測量，同時(shí)獲取被測物理參量的空間分布狀態(tài)和隨時(shí)間變化的信息。分布式光纖傳感技術(shù)中，光纖既是傳感介質(zhì)，又是信號(hào)傳輸通道，不需要任何傳感探頭，采用價(jià)格很低廉的普通通信光纖就可以作為傳感光纖實(shí)現(xiàn)傳感和信息采集；光纖具體積小、重量輕、幾何形狀適應(yīng)性強(qiáng)，植入到監(jiān)測體中不影響監(jiān)測體強(qiáng)度；光纖采用光信號(hào)為信息媒介，具有信息通量大、傳輸距離遠(yuǎn)，抗電磁干擾，特別適合長距離遠(yuǎn)程監(jiān)測；光纖傳感材料為二氧化硅，具有電絕緣性好，化學(xué)穩(wěn)定性好，特別適合在一些環(huán)境惡劣的場所中進(jìn)行長期監(jiān)測。

目前基于光纖傳感的分布式調(diào)制解調(diào)技術(shù)有：準(zhǔn)分布的布拉格光纖光柵解調(diào)技術(shù)（簡稱FBG），光時(shí)域反射計(jì)（簡稱OTDR）；拉曼散射光時(shí)域反射測量技術(shù)（簡稱ROTDR）；布里淵散射光時(shí)域反射測量技術(shù)(簡稱BOTDR)和布里淵光時(shí)域分析測量技術(shù)（簡稱BOTDA）等，其中準(zhǔn)分布布拉格光纖光柵技術(shù)是開發(fā)最為成熟、應(yīng)用最為廣泛的光纖傳感技術(shù)，基于布里淵散射技術(shù)的分布式傳感系統(tǒng)是目前國際上的研發(fā)熱點(diǎn)，是最具潛力的一種分布式傳感技術(shù)。正因?yàn)榉植际焦饫w傳感技術(shù)具有眾多的獨(dú)特優(yōu)勢，自問世以來，很快從通信領(lǐng)域中通信光纖光損和斷點(diǎn)的檢測和監(jiān)測中脫穎出來，開始在航天、國防、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域得廣泛應(yīng)用?；诓祭餃Y光時(shí)域反射技術(shù)（BOTDR）的光纖傳感技術(shù)可實(shí)行對(duì)應(yīng)變和溫度的測量。具有分布式測量、測試距離長、可植入性強(qiáng)及操作簡便等特點(diǎn)，具有傳統(tǒng)的傳感技術(shù)無可比擬的優(yōu)勢。在冶金企業(yè)中，有很多大型的設(shè)備需要進(jìn)行變形和溫度的監(jiān)測，BOTDR光纖傳感器的獨(dú)特特點(diǎn)使得其在冶金產(chǎn)業(yè)應(yīng)用中有先天的優(yōu)勢。

2 BOTDR傳感原理

BOTDR是布里淵散射光時(shí)域反射測量計(jì) (Brillouin optic time-domain reflectometer)的縮寫如圖1，其基本原理是利用光纖中注入脈沖激光會(huì)發(fā)生各種散射現(xiàn)象，其中布里淵散射光的中心頻率與光纖的應(yīng)變和溫度相關(guān)，光纖的應(yīng)變量、光纖所受溫差與布里淵頻率的漂移量可用下式表示

式中，vB(ε,T)為在環(huán)境溫度為T應(yīng)變?yōu)闀r(shí)光纖布里淵頻率的漂移量，vB(0,T0)表示在溫度為T0，無應(yīng)變時(shí)光纖布里淵頻率的漂移量， ?vB(ε)/ ?ε 為比例系數(shù)，約為 0.05MHz/με，ε 為光纖的軸向應(yīng)變量。 ?vB(T)/墜T 為比例系數(shù)，約為1MHz/K，(T-T0)為光纖的溫度變化。

利用BOTDR光學(xué)解調(diào)設(shè)備獲得光纖上各點(diǎn)的布里淵頻移值就可以對(duì)光纖的應(yīng)變和溫度值進(jìn)行測量。為了實(shí)現(xiàn)光纖應(yīng)變與溫度的分布式測量，要利用光時(shí)域反射技術(shù)對(duì)光纖傳感數(shù)據(jù)進(jìn)行空間方位的解析。光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感的關(guān)鍵技術(shù)。脈沖光注入光纖后，光子與光纖中的粒子會(huì)發(fā)生彈性和非彈性碰撞，與脈沖光傳播的相反方向就會(huì)出現(xiàn)背向散射光，通過測定該散射光的回波時(shí)間就可確定散射點(diǎn)的位置。

光纖上任意一點(diǎn)至脈沖光注入端的距離由式2計(jì)算得到：

圖1 布里淵頻移與應(yīng)變和溫度的關(guān)系

式中，c是真空中的光速，n是光纖的折射率，T是OTDR發(fā)出的脈沖光與接收到的后向散射光的時(shí)間差。

空間分辨率是時(shí)域技術(shù)的一個(gè)重要概念，是指儀器所能分辯的兩個(gè)相鄰事件點(diǎn)間的最短距離?？臻g分辨率△Z取決于入射光的脈沖寬度τ，它們之間的關(guān)系如式3所示：

△Z=vτ (3)

式中，v是光纖中的光速。

將OTDR技術(shù)和相干自外差光譜探測技術(shù)相結(jié)合，能夠有效地探測出布里淵背向散射光沿光纖的分布，實(shí)現(xiàn)分布式應(yīng)變和溫度的測量。

3 BOTDR技術(shù)在冶金設(shè)備監(jiān)測中的應(yīng)用

傳統(tǒng)的冶金企業(yè)設(shè)備監(jiān)測系統(tǒng)需要鋪設(shè)大量的傳輸線纜，其監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)建成和維護(hù)成本高昂，對(duì)于環(huán)境要求苛刻的場所，如旋轉(zhuǎn)部件，油庫，配電站，鍋爐等，會(huì)限制網(wǎng)絡(luò)布設(shè)和供電。BOTDR傳感技術(shù)中的傳感光纖即作為傳感器量測溫度和變形，同時(shí)傳感光纖又承擔(dān)數(shù)據(jù)傳輸?shù)娜蝿?wù)，因此大大簡化了線路布設(shè)工作，光纖所到之處即是可測之處，就像在設(shè)備之上植入神經(jīng)，方便地獲得冶金設(shè)備的工作性態(tài)。同時(shí)，光纖的主要材料是二氧化硅，具有本質(zhì)安全的特點(diǎn)，其絕緣性保證了傳感光纖和被監(jiān)測設(shè)備之間沒有電磁干擾，避免了由于傳感器件的介入對(duì)被監(jiān)測設(shè)備的安全運(yùn)行產(chǎn)生不良影響。光纖輕柔纖細(xì)，耐久性好，與傳統(tǒng)傳感設(shè)備相比，易于布設(shè)，能在較惡劣的環(huán)境下長期穩(wěn)定工作。與其他光纖傳感技術(shù)相比（如FBG），BOTDR技術(shù)有著分布式和長距離的特點(diǎn)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖上每一點(diǎn)的應(yīng)變或溫度狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)測，避免了點(diǎn)式或準(zhǔn)分布式監(jiān)測系統(tǒng)的漏檢問題，其理論監(jiān)測距離達(dá)80km，尤其適用于大型企業(yè)或大型設(shè)備的監(jiān)測工作。目前，BOTDR監(jiān)測技術(shù)的應(yīng)變測量范圍為（-1.5～1.5）%，空間分解度可達(dá)1m，應(yīng)變的測量精度達(dá)±0.003%，溫度測量精度在0.5℃左右。

將BOTDR技術(shù)應(yīng)用于冶金設(shè)備監(jiān)測中要解決以下問題：

a.傳感光纖的選擇：對(duì)于應(yīng)變傳感和溫度傳感，要選擇相應(yīng)的傳感光纖，應(yīng)變傳感光纖要考慮其長期疲勞效應(yīng)，溫度傳感光纖要有良好的長期穩(wěn)定性。

b.傳感光纖的布設(shè)方式：應(yīng)變傳感光纖的布設(shè)要保證其與被監(jiān)測設(shè)備變形協(xié)調(diào)，溫度傳感光纖要確保光纖不受外界變形的干擾。

c.應(yīng)變監(jiān)測的溫度補(bǔ)償：由于BOTDR傳感技術(shù)對(duì)溫度和應(yīng)變雙重敏感，對(duì)于應(yīng)變測量，要消除溫度對(duì)應(yīng)變測量的干擾。

d.監(jiān)測系統(tǒng)的開發(fā)：利用GIS，數(shù)據(jù)挖掘，小波分析，數(shù)值模擬，無線數(shù)據(jù)傳輸?shù)燃夹g(shù)開發(fā)集數(shù)據(jù)測試、分析處理及預(yù)報(bào)預(yù)警于一體的分布式遠(yuǎn)程監(jiān)測系統(tǒng)。

結(jié)語

大型冶金設(shè)備的分布式實(shí)時(shí)監(jiān)控是國際及國內(nèi)的一大發(fā)展趨勢，也是一項(xiàng)需要不斷攻關(guān)的高新技術(shù)課題。本文介紹了BOTDR傳感技術(shù)的基本原理，分析了其在冶金設(shè)備監(jiān)測中的可行性，并提出了以后要解決的問題。BOTDR技術(shù)不斷發(fā)展成熟，其應(yīng)用前景十分廣闊。

[1]Ohno H Naruse H Kihara M et al.Industrial applications of the BOTDR optical fiber strain sensor[J].Optical Fiber Technology 20017(1)4564

[2]ANDO Electric CO., LTD. (2001).“AQ8603 optical fiber strain analyzer instruction manual.”

[3]Alahbabi,M.N.,Cho,Y.T.,and Newson,T.P.(2004).“Comparison of the methods for discriminating temperature and strain in spontaneous Brillouin-based distributed sensors.”O(jiān)ptics Letters,29(1),26-28.

[3]施斌，徐洪鐘，張丹，丁勇，崔何亮，陳斌，高俊啟.BOTDR應(yīng)變監(jiān)測技術(shù)應(yīng)用在大型基礎(chǔ)工程健康診斷中的可行性研究.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004年2月23(3)493.499.