吉增權(quán)

(平頂山工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 平頂山 467001)

分布式光纖測(cè)溫(Distributed Temperature Sensing)(簡(jiǎn)稱DTS)技術(shù)，是一種用于實(shí)時(shí)測(cè)量空間溫度場(chǎng)的高新技術(shù)，最早是1981年英國(guó)南安普頓大學(xué)在通訊光纖上測(cè)試成功的。DTS系統(tǒng)于1986年正式投入商業(yè)化運(yùn)作，在隨后的時(shí)間里，伴隨著光纖通訊的飛速發(fā)展，半導(dǎo)體激光器等一系列新技術(shù)、新產(chǎn)品的使用，使得光纖傳感行業(yè)也經(jīng)歷了前所未有的發(fā)展，光纖的本征特性和越來(lái)越多成功的案例，充分證明光纖分布式測(cè)溫系統(tǒng)是解決溫度監(jiān)測(cè)難題、火情預(yù)警與探測(cè)方面的最佳解決方案。

分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，是一種實(shí)時(shí)、在線、多點(diǎn)光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)，已成為工業(yè)過(guò)程控制中的一種新的檢測(cè)方法與技術(shù)。在系統(tǒng)中，光纖既是傳輸媒體，同時(shí)又是傳感媒體。利用光纖背向拉曼散射的溫度效應(yīng)，將溫度信息實(shí)時(shí)地從噪聲中提取出來(lái)并進(jìn)行顯示，從這一方面看，它是—種典型的光纖溫度通信網(wǎng)絡(luò);在時(shí)域里，利用光纖的光時(shí)域反射技術(shù)對(duì)所測(cè)溫度點(diǎn)定位，從這一方面看，它是一種典型的光纖激光溫度雷達(dá)系統(tǒng)。

1 光纖背向拉曼散射及其溫度效應(yīng)［1］

激光光脈沖射入傳感用的光纖之中，在光脈沖向前的傳播過(guò)程中，由于光纖的應(yīng)力、密度、材料組成、溫度和彎曲變形等原因，發(fā)生散射現(xiàn)象，一部分散射光會(huì)按照入射光相反的方向傳播，稱之為背向散射光，返回的背向散射光包括瑞利(RayLeigh)散射、拉曼(Raman)散射和布里淵(Brillouin)散射。瑞利散射頻率與入射光脈沖一致，拉曼散射頻率與入射光脈沖相差幾十太赫茲，布里淵散射頻率與入射光脈沖相差幾十吉赫茲。

針對(duì)溫度檢測(cè)需求，瑞利散射信號(hào)對(duì)溫度變化不敏感;布里淵散射信號(hào)的變化與溫度和應(yīng)力有關(guān)，但信號(hào)剝離難度大;拉曼散射信號(hào)的變化與溫度有關(guān)，而且拉曼散射信號(hào)相對(duì)容易獲取和分析，因此工業(yè)應(yīng)用主要采集拉曼散射信號(hào)進(jìn)行溫度分析。

圖1 激光散射光譜分析Fig1.Laser light scattering spectral analysis

拉曼散射會(huì)產(chǎn)生兩個(gè)不同頻率的信號(hào)：斯托克斯(Stokes)光(比光源波長(zhǎng)長(zhǎng)的光)和反斯托克斯(Anti-Stokes)光(比光源波長(zhǎng)短的光)，光纖受外部溫度的調(diào)制使光纖中的反斯托克斯光強(qiáng)發(fā)生變化，Anti-Stokes與Stokes的比值提供了溫度的絕對(duì)指示，利用這一原理可以實(shí)現(xiàn)對(duì)沿光纖溫度場(chǎng)的分布式測(cè)量。

典型的用Stokes Raman散射OTDR曲線解調(diào)反Stokes Raman散射OTDR的被測(cè)溫度T的表達(dá)式為：

其中，k為玻爾茲曼常數(shù)，h為普朗克常數(shù);c為真空中的光速;k為波爾茲曼常數(shù);V0為入射光頻度;T為絕對(duì)溫度。

由上式可以看出，要得知光纖所處環(huán)境的實(shí)時(shí)溫度T，必須知道T0，所以系統(tǒng)中引入一段定標(biāo)光纖，對(duì)于固定的溫度(控溫模塊定標(biāo)溫度)有：

可以看出，溫度信息T只是與光纖固定參數(shù)以及定標(biāo)溫度有關(guān)的量。

2 光時(shí)域反射(OTDR)原理［5］

光時(shí)域反射技術(shù)是對(duì)空間分布的溫度實(shí)現(xiàn)空間測(cè)量的理論基礎(chǔ)。當(dāng)光通過(guò)測(cè)量物理場(chǎng)時(shí)，光能量以三種方式分配：一是一部分能量沿著光纖傳輸通道繼續(xù)傳播，二是一部分能量在傳輸過(guò)程中被吸收損耗或散射至關(guān)切外，三是一部分能量被耦合至接收通道，并被光探測(cè)器探測(cè)。

激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，在時(shí)域里，入射光經(jīng)過(guò)背向散射返回到光纖入射端所需時(shí)間為t，激光脈沖在光纖中所走過(guò)的路程為2L，有：

圖2 光纖后向散射原理示意圖Fig2.Optical backscatter principle diagram

V為光在光纖中傳輸速度;C為真空中的光速;n為光纖折射率。

被測(cè)物理場(chǎng)距光源的長(zhǎng)度有：

因此利用光時(shí)域反射技術(shù)可以確定沿光纖溫度場(chǎng)中每個(gè)溫度采集點(diǎn)的位置及異常溫度點(diǎn)、光纖故障點(diǎn)、斷點(diǎn)的距離定位信息。

3 分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)原理

采用拉曼散射原理和光時(shí)域反射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)溫度和距離的測(cè)定。

入射的光量子與光纖物質(zhì)分子將產(chǎn)生彈性碰撞和非彈性碰撞。彈性碰撞時(shí)，光量子和物質(zhì)分子之間沒(méi)有能量交換，表現(xiàn)為瑞利散射光，光量子的頻率不發(fā)生改變;非彈性碰撞時(shí)，光量子可以釋放或吸收聲子，發(fā)生能量交換，表現(xiàn)為產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的斯托克斯光和一個(gè)波長(zhǎng)較短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受溫度影響比較敏感，采用以斯托克斯光通道作為參考通道，反斯托克斯光通道作為信號(hào)通道，兩者的比值可以消除光源信號(hào)波動(dòng)、光纖彎曲等非溫度因素，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信息的采集。［3］

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的基本工作原理為：在同步控制單元的觸發(fā)下，激光器產(chǎn)生一個(gè)大功率光脈沖，經(jīng)過(guò)光路耦合器后進(jìn)入一段放置在恒溫槽中的光纖(用于系統(tǒng)標(biāo)定)，然后進(jìn)入傳感光纖，傳感光纖發(fā)生的攜帶溫度信息的自發(fā)拉曼散射光中的背向成分沿原路返回，通過(guò)分光器后分為兩束光，下接兩個(gè)不同中心波長(zhǎng)的濾波器，對(duì)應(yīng)濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，經(jīng)光電探測(cè)器轉(zhuǎn)化為電信號(hào)后送入數(shù)據(jù)采集與處理單元。在數(shù)據(jù)采集與處理單元中，包括了電信號(hào)放大、去噪、算法，最后輸出溫度值。

圖3 分布式光纖測(cè)溫原理Fig3.Distributed optical fiber temperaturemeasuring principle

4 煤礦采空區(qū)分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

煤礦采空區(qū)分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由地面監(jiān)測(cè)主機(jī)、監(jiān)測(cè)分站、傳輸光纜、監(jiān)測(cè)光纜等組成。監(jiān)測(cè)分站利用半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生光脈沖信號(hào)，經(jīng)過(guò)光波分復(fù)用裝置，將產(chǎn)生的拉曼散射光耦合至光電探測(cè)模塊，采用雙路微信號(hào)光電探測(cè)及信號(hào)放大電路進(jìn)行光信號(hào)和電信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后相應(yīng)的電壓值經(jīng)DSP高速處理芯片進(jìn)行數(shù)據(jù)采集、解調(diào)與處理，并按照通信協(xié)議標(biāo)準(zhǔn)提供具體監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)給地面監(jiān)測(cè)主機(jī)(可提供RS232、RS485、以太網(wǎng)口接口方式)，后得到溫度的空間分布并以圖形或表格形式顯示出來(lái)。

系統(tǒng)組成如圖4所示。

隨著采煤工作面的推進(jìn)，根據(jù)需要的監(jiān)測(cè)范圍，將鎧裝測(cè)溫光纜沿兩順槽多路布設(shè)至工作面采空區(qū)，隨著時(shí)間的推移，測(cè)溫光纜將感知的溫度信號(hào)反饋給監(jiān)測(cè)分站，經(jīng)處理后傳輸至地面主機(jī)并予以顯示和報(bào)警，就可以實(shí)時(shí)檢測(cè)采空區(qū)，甚至采煤面、順槽等地點(diǎn)的環(huán)境溫度變化情況，同時(shí)實(shí)現(xiàn)高溫隱患點(diǎn)的定位。

5 應(yīng)用情況

光纖傳感器技術(shù)是一項(xiàng)當(dāng)今世界令人矚目的迅猛發(fā)展起來(lái)的高新技術(shù)之一，也是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個(gè)重要標(biāo)志，它與通信技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。

分布式光纖傳感器系統(tǒng)在20世紀(jì)80年代中期出現(xiàn)，經(jīng)過(guò)近三十年的發(fā)展，技術(shù)日趨成熟，因其獨(dú)有的特點(diǎn)已成為工業(yè)過(guò)程控制中的一種新的檢測(cè)方法與技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)外研制的有關(guān)產(chǎn)品，測(cè)量距離可達(dá)30km甚至更遠(yuǎn)，溫度分辨率0.01℃，精度±0.5℃，空間分辨率30cm，測(cè)量時(shí)間5s，測(cè)量范圍可達(dá)650℃，使用壽命可達(dá)40年。由于分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)中的檢測(cè)光纖本證無(wú)源不帶電，耐高電壓和強(qiáng)電磁場(chǎng)、耐電離輻射，抗射頻和電磁干優(yōu)，防雷、防爆、抗腐蝕，能在有害環(huán)境中安全運(yùn)行，是實(shí)用的“本安”型傳感器，因此，在電力系統(tǒng)、交通領(lǐng)域、隧道、大壩、石油、化工、煤礦等危險(xiǎn)區(qū)域的大面積、大范圍的溫度報(bào)警和火情監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，已成為光纖傳感技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。

近十幾年來(lái)，傳感器的產(chǎn)量及市場(chǎng)需求年增長(zhǎng)率均在10%以上。目前世界上從事傳感器研制生產(chǎn)單位已增到5000余家。美國(guó)、歐洲、俄羅斯各自從事傳感器研究和生產(chǎn)廠家1000余家，日本有800余家。但是，我國(guó)目前的光纖傳感器的產(chǎn)業(yè)化和大規(guī)模推廣應(yīng)用方面遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足國(guó)民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的需求。國(guó)家2010年遠(yuǎn)景規(guī)劃和十五計(jì)劃己將傳感器列為重點(diǎn)發(fā)展的產(chǎn)業(yè)之一，市場(chǎng)需求和發(fā)展空間的潛力是非常巨大的，其中光纖傳感器將占有相當(dāng)大的比例，這預(yù)示我國(guó)在光纖傳感器領(lǐng)域?qū)⒊霈F(xiàn)一場(chǎng)激烈的競(jìng)爭(zhēng)和挑戰(zhàn)，在不久的將來(lái)，我國(guó)光纖傳感器領(lǐng)域?qū)⒊尸F(xiàn)前所未有的燦爛和輝煌。

圖4 煤礦采空區(qū)分布式光纖溫度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)

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