張建華

（新疆油田公司百口泉采油廠，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

溫度監(jiān)測技術(shù)在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、環(huán)保、科研等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用，但傳統(tǒng)的溫度監(jiān)測系統(tǒng)存在著線路復(fù)雜、易受干擾、安全性低、監(jiān)測范圍小等缺點，很難滿足各領(lǐng)域的測溫需求。隨著電子技術(shù)的進步，各類溫度傳感器無論是靈敏度、分辨率、響應(yīng)范圍還是性價比等方面的指標(biāo)都有了很大的進步，基本滿足對常規(guī)溫度監(jiān)測的要求。光纖傳感器是以光纖通信、光譜分析等技術(shù)為基礎(chǔ)的新型傳感器，具有體積小、靈敏度高、抗干擾能力強等優(yōu)勢。光纖溫度傳感器是應(yīng)用最廣泛的光纖傳感器之一，具有耐腐蝕、耐高溫、抗干擾、結(jié)構(gòu)緊湊、精度高、適合遠(yuǎn)距離傳輸?shù)忍攸c，可以滿足溫度的實時監(jiān)測要求。

1 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)原理

1.1 分布式光纖溫度傳感器

分布式光纖溫度傳感器是采用若干光纖溫度傳感器，根據(jù)一定的布點規(guī)律進行安裝測溫，得到特定空間區(qū)域內(nèi)的溫度分布情況的一種測溫技術(shù)。該項技術(shù)的主要原理是光波在光纖介質(zhì)內(nèi)傳輸時可以產(chǎn)生后向散射，而散射能量與介質(zhì)溫度有關(guān)，通過檢測散射光的特性即可算出環(huán)境溫度值（圖1）。

圖1 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)原理

在實際應(yīng)用中，光源通常采用高能量的激光脈沖，注入光纖后，激光會不斷產(chǎn)生后向散射，當(dāng)溫度發(fā)生改變時，散射的結(jié)果也會有所不同，通過光電探測器接收散射光，并經(jīng)過波分復(fù)用、檢測解調(diào)等處理，由信號處理單元計算出實際的溫度值。根據(jù)光纖中的光速和回波到達時間，還可以對測點進行精確定位。

1.2 分布式光纖測溫系統(tǒng)原理

分布式光纖測溫系統(tǒng)主要由分布式光纖溫度傳感器、控制主機、信號處理單元、激光光源、光電探測器、波長檢測器等部分構(gòu)成。由主機的控制程序?qū)Χ鄠€光纖溫度傳感器進行掃描，各傳感器都會產(chǎn)生一定能量的反向散射光，在光電探測器接收到反射光后，首先對反射光進行窄帶掃描，被掃描的光波段被接收器接收后轉(zhuǎn)換為光譜分布，該光譜分布實際上受到波長的調(diào)制。

將光譜分布轉(zhuǎn)換為電流信號，該電流的大小可以直接表征光強的大小，但電流值通常是非常微弱的，還需要通過放大電路進行放大。經(jīng)過放大并整形的電流信號被轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，該脈沖電壓由信號處理單元進行接收并鎖定其上升沿和下降沿，在此期間采用計時器進行計數(shù)，根據(jù)計時中斷信號被觸發(fā)時的計數(shù)值，即可得到傳感器的標(biāo)定曲線，從而計算出反射波的中心波長和波長變化量，并演算出環(huán)境溫度的真實值。

2 系統(tǒng)主要功能分析

分布式光纖測溫系統(tǒng)通過對測點的實時監(jiān)測，可以實現(xiàn)對測點過熱故障或火災(zāi)的早期預(yù)測，防患于未然。當(dāng)測點出現(xiàn)過熱或火災(zāi)時，光纖傳感器可以實時傳回測量數(shù)據(jù)，由主機控制的測溫軟件系統(tǒng)會根據(jù)告警閾值決定是否告警，當(dāng)測量溫度高于設(shè)定閾值時將會發(fā)出告警信息，并根據(jù)回波接收的時間準(zhǔn)確定位過熱位置，指導(dǎo)檢修工作。系統(tǒng)配備了顯示器，可以對測點的布置和各測點的實時狀態(tài)進行監(jiān)視。測溫系統(tǒng)通過以太網(wǎng)接入局域網(wǎng)絡(luò)，可以與其他信息化平臺實現(xiàn)互聯(lián)互通，達到平臺間的數(shù)據(jù)共享。

3 分布式光纖測溫系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢

3.1 大范圍、高密度測量

分布式光纖測溫系統(tǒng)可以將成百上千個傳感器串接在一起，對沿線幾千米范圍內(nèi)的測點進行實時監(jiān)測。測點的布置密度可達米級，測量精度在1 ℃以內(nèi)，特別適用于大范圍的多點測溫應(yīng)用場景，例如電力傳輸線路溫度實時監(jiān)測、大型廠房溫度實時監(jiān)測等。

3.2 實現(xiàn)光電隔離、抗干擾

分布式光纖測溫系統(tǒng)采用普通光纖作為傳感介質(zhì)，控制主機和現(xiàn)場各測點之間只有光學(xué)連接，沒有電氣連接，避免了各測點對電源的依賴，也避免了沿線電子設(shè)備對測量過程的干擾。由于光纖的傳輸損耗極低，光信號傳輸?shù)木嚯x很遠(yuǎn)，無需中繼設(shè)備，精簡了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和安裝難度。

3.3 在線自動測量

在一些邊遠(yuǎn)地區(qū)或生產(chǎn)流水線，要求系統(tǒng)能夠進行實時測溫。分布式光纖測溫系統(tǒng)由于采用光學(xué)測量原理，通過光電探測器和信號處理算法，可以實時完成對各測點反射波的光譜分析并計算實時溫度，可以很方便地進行自動化控制，滿足在線自動測量的要求。

4 系統(tǒng)安裝和部署要點

4.1 主機安裝

測溫系統(tǒng)本身對溫度的變化非常敏感，溫度的異常變化可能增大測量誤差。因此，分布式光纖測溫系統(tǒng)的主機和控制計算機應(yīng)安裝在環(huán)境比較穩(wěn)定的監(jiān)控室或中心機房中，其中主機的最佳工作溫度為10～35 ℃、濕度≤70%。如果由于特殊情況不能滿足以上環(huán)境要求，則主機在使用之前必須進行重新標(biāo)定。

4.2 光纖敷設(shè)

在分布式光纖測溫系統(tǒng)中，光纖傳感器數(shù)量較多，因此光纖傳感器的安裝占據(jù)了整個系統(tǒng)安裝部署的絕大多數(shù)時間。為了滿足大范圍、高密度的溫度監(jiān)測，光纖的敷設(shè)必須保證質(zhì)量，但不同應(yīng)用場合的光纖敷設(shè)方案也不盡相同，這就要求按照一定的原則來處理。

（1）管狀對象監(jiān)測。如果待監(jiān)測的對象或其周圍環(huán)境是管狀的，例如電纜、管道、隧道等，可以將光纖敷設(shè)在其外表面，根據(jù)現(xiàn)場條件對其進行固定。若想進一步提高監(jiān)測準(zhǔn)確度，在條件允許的情況下，還可以把光纖嵌入到護套內(nèi)或管子的內(nèi)壁上，減少熱量在傳遞中的損失。

（2）面狀對象監(jiān)測。典型的面狀對象監(jiān)測場景包括油罐、鍋爐等，由于其表面曲率較小，可近似認(rèn)為是平面結(jié)構(gòu)。根據(jù)其外部形狀的特點，將光纖緊緊貼在其表面上，盡可能增加接觸面積，提高傳熱效率。

（3）立體對象監(jiān)測。立體對象包括實心物體和室內(nèi)空間兩種情況，對于車間、大棚、倉庫等室內(nèi)空間的應(yīng)用場景，可以將光纖立體地吊裝在空間的不同位置，避免與其他物體接觸；對于發(fā)電機定子、混凝土結(jié)構(gòu)等實體的測溫，可以將光纖嵌入到實體的線槽內(nèi)，或預(yù)埋在混凝土中。如果測量空間過大，可以采用光纖切換器對同一臺主機下的多路光纖進行掃描，提高系統(tǒng)的覆蓋能力。

（4）測點的定位。在分布式光纖測溫的一些特殊場景，有時候不僅需要測出測點所在位置的實際溫度，而且還要知道測點的距離，例如電纜的接頭處、易發(fā)熱的部位等，此時可以將光纖的一段繞成圈，固定在需要定位的測點上，但注意繞圈的半徑不能小于光纖的可彎曲半徑。

4.3 光纖保護

無論采用哪種敷設(shè)方式，都要注意光纖的保護。由于光纖是采用石英拉制而成的，其直徑非常小，很容易出現(xiàn)刮傷或折斷，因此在敷設(shè)和使用過程中不能讓外力損傷光纖，在轉(zhuǎn)彎處盡可能增加彎曲半徑，否則會增加光纖損耗，引起信號衰減且增加誤差。光纖接頭在對接之前必須保持清潔，做好接頭的防護。

5 結(jié)語

分布式光纖測溫技術(shù)是伴隨著光纖和電子技術(shù)的發(fā)展而興起的，近年來，各種光纖產(chǎn)品的綜合性能不斷增強，電子技術(shù)也更加先進，給分布式光纖測溫系統(tǒng)的發(fā)展創(chuàng)造了良好的條件。由于分布式光纖測溫技術(shù)的一系列優(yōu)勢，不難預(yù)測在未來的十幾年內(nèi)，光纖溫度傳感器技術(shù)將得到進一步的推廣。