分布式温度传感系统--基本知识

分布式温度传感系统--基本知识

光纤传感器与传统传感器相比有着巨大的优点：光纤具有电绝缘性、耐腐蚀、信号传输距离长、损耗低等固有属性，由光纤传感器组成的系统可以抗雷电，并且不受强电磁场、高压、大电流的干扰；由于光纤本身比较柔软，所以可以将光纤植入到实际的应用环境， 这有效的解决了传统传感器不能提供应用场合的瓶颈，为工程提供了一个可行、可靠的解决方案，这是传统传感器无法比拟的。

分布式光纤传感器与光纤光栅传感器相比也有众多优势，主要体现在：分布式光纤传感器可以沿着光纤感温，它可以应用于工程中以线、面甚至立体组成的感温系统；而光纤光栅是单点式的， 光纤光栅的每个探头都需要进行特殊保护， 因而，光纤光栅系统往往总体造价较高、工程安装也不那么方便。在很多场合，分布式温度传感器是光纤光栅传感器理想的替代品。

DTS 分布式温度传感系统（DTS， distributed temperature sensing）是根据激光脉冲在光纤中传输产生非线性散射效应来检测的，它的两个关键技术分别是拉曼散射效应（Raman Scattering Effect）和光时域反射技术（OTDR, Optical Time Domain Reflectometer）, 早在1981年英国的SouthHampton大学研究组就进行了相关研究， 近年内，随着激光技术、光信号探测与处理技术的提高，产品和相应技术日趋成熟，分布式温度传感系统的应用领域越来越广。 我公司就是结合当今流行技术，从而开发出极具先进性、极具可靠性的分布式温度传感系统产品。

下面介绍一下DTS系统的两个关键技术：

1. 拉曼散射效应（Raman Scattering Effect）---实现测温

在光脉冲入射到传感光纤后，光子在光纤中的传播由于受到光纤的密度、应力、光纤中的参杂、温度、弯曲变形等因素的影响，有一部分的散射光会沿入射光反向的方向传播，称之为背向散射光。在背向散射光中，根据反射光的频率特性，可以分成下列几种：

• 瑞利（RayLeigh）散射：占散射光的主要成分，是由光纤折射率的微小变化引起的，其频率和入射光一致；

• 布里渊（Brillouin）散射：由光子与光纤内弹性声波低频声子相互作用引起，其频率与入射光脉冲相差11GHZ左右。在光纤中波长变化约为0.88nm，光强度与瑞利散射光相比约-15db。布里渊散射可用来测量温度和应变。

• 拉曼（Raman）散射：是由光子与光声子相互作用引起的，其频率与入射光相差13.2THZ左右。光强度与瑞利散射光相比约为-30db（1000分之一），是一种非常微弱的信号。拉曼效应仅仅可用来测量温度。

在实际测量中，可以得到经光电转换后的电平值，就能由上式求温度T。经过理论计算得到温度与拉曼散射强度比的关系。h是波朗克（Planck）常数，h=6.626 068 76.52×10-34J.s（1998年基本物理常数数据）, 是一光纤分子的声子频率为13.2THz，k是波尔兹曼常数，k=1.380 650324×10-23JK-1,T是凱尔文（Kelvin）jue对温度，T0是定标光纤的温度。

被测光纤的温度和拉曼（Raman）散射的Stokes及Anti-Stokes的光强关系如下：

2. 光学时域反射测量技术（OTDR）---实现定位

 光学时域反射器（OTDR）是用于检测光纤损耗、定位光纤故障的常用设备，它广泛用于通讯工程的光缆铺设上，是光纤的定位雷达。其工作原理是通过向被测光纤发射光脉冲， 通过检测背向散射的瑞利散射在不同时域的光强，从而得到在光纤空间上的损耗定位；定位的距离和时域关系如下：

D= c×t / 2×n

其中，c是光在真空中的速度，t是光信号发出后到散射信号接收回来的时间，n是光纤的折射率。所以，通过采集和分析光脉冲从光纤的一端注入后在光纤内传播时产生的Raman背向光的时间各强度信号，得到相应位置的温度信息， 从而就可以得到沿光纤整根的不同位置的温度曲线。