高空間分辨率分布式光纖測溫系統(tǒng)的設(shè)計及應(yīng)用

張汝山　吳碩　涂勤昌等

摘要：分布式光纖測溫系統(tǒng)是一種新型的線型感溫探測器，以光纖作為傳感器，可實現(xiàn)沿光纖分布的溫度實時測量。理論分析了分布式光纖測溫系統(tǒng)的原理以及影響空間分辨率指標(biāo)的因素，并給出了0.5 m高空間分辨率分布式光纖測溫系統(tǒng)的設(shè)計以及測試情況。將高空間分辨率分布式光纖測溫系統(tǒng)應(yīng)用于電纜溫度測量，測量結(jié)果表明0.5 m空間分辨率下對小區(qū)域電纜過熱點的探測更為顯著，可及時發(fā)現(xiàn)潛在的火災(zāi)隱患。

關(guān)鍵詞：光纖傳感； 分布式光纖測溫系統(tǒng)； 空間分辨率

中圖分類號： TP 212 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.01.017

Abstract：Distributed temperature sensing system is a novel linear-type temperature sensor and the optical fiber is used as temperature sensor. Compared with the conventional technology， distributed temperature sensing system has many advantages， such as continuous measurement， long sensing distance， high location accuracy， anti-electromagnetic interference and so on. The principle of distributed temperature sensing and the factors affecting the spatial resolution are analyzed. The design of 0.5 m spatial resolution distributed temperature sensing system and the test reports are introduced. Also the high spatial resolution distributed temperature sensing system is used for online monitoring the temperature distribution of power cables. The result shows that 0.5 m spatial resolution is more effective for detection of small size hot spots and can more easily identify the potential fire hazard in the early stage.

Keywords：fiber sensing； distributed temperature sensing system； spatial resolution

引 言

分布式光纖測溫系統(tǒng)（distributed temperature sensing system，DTS）是近些年發(fā)展迅速的一種新型

感溫火災(zāi)探測器，光纖本身就是測溫傳感器，傳、感合一，實現(xiàn)了沿光纖分布的溫度實時測量。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，DTS具有分布式測量、精確定位、抗電磁干擾、本質(zhì)安全、報警方式靈活等優(yōu)點[1-3]。將測溫光纜沿探測區(qū)域線型敷設(shè)，可及時發(fā)現(xiàn)過熱點，防患于未“燃”，在電力、交通、石化等行業(yè)安全在線監(jiān)測領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。測量距離、測溫精度、空間分辨率和測量時間是DTS最主要的技術(shù)指標(biāo)，這幾個技術(shù)指標(biāo)相互關(guān)聯(lián)、相互制約。其中空間分辨率，又稱最小感溫長度，直接關(guān)系到分布式溫度測量性能和應(yīng)用效果，空間分辨率越高，溫度測量效果越好[4-5]。國家消防標(biāo)準(zhǔn)要求空間分辨率不超過3 m，國內(nèi)大部分廠家的空間分辨率為2～3 m，該指標(biāo)可滿足公路隧道火情監(jiān)測等常規(guī)應(yīng)用，但對電纜等小區(qū)域過熱監(jiān)測應(yīng)用效果并不理想。因此，有必要設(shè)計、研究高空間分辨率的DTS產(chǎn)品。

1 理論分析

DTS的溫度測量基于光纖自發(fā)拉曼（Raman）散射效應(yīng)。利用溫度敏感的Anti-stokes光強PA和溫度不敏感的Stokes光強PS的比值R（T）可以計算出溫度值T[6]，其表達(dá)式為：

式中，h為普朗克常數(shù)，κ為玻爾茲曼常數(shù)，Δυ為拉曼頻移量，Ω為與波長相關(guān)的常數(shù)，αA、αB分別為Anti-stokes和Stokes光對應(yīng)的光纖損耗系數(shù)，z為光纖位置與入射端的距離。

DTS的位置確定是基于光時域反射OTDR技術(shù)。利用高速數(shù)據(jù)采集測量散射信號的回波時間即可確定散射信號所對應(yīng)的光纖位置z。DTS的空間分辨率是設(shè)備的核心指標(biāo)之一，是設(shè)備真實反應(yīng)外界熱點溫度的最短受熱光纖長度。由于激光脈沖存在一定寬度，某一時刻返回入射點的信號是脈沖寬度內(nèi)光纖各點散射信號的疊加，即DTS獲得的每點溫度是脈沖寬度內(nèi)光纖上各點溫度的平均值。當(dāng)受熱光纖長度小于空間分辨率時，DTS的測量溫度值將小于實際溫度值?？臻g分辨率δz受激光脈沖寬度τ、探測電路響應(yīng)時間t、數(shù)據(jù)采集時間間隔Δt等因素共同影響，根據(jù)文獻(xiàn)[5]，空間分辨率δz由下式?jīng)Q定：

式中，c為光速，n為光纖纖芯折射率。如果要實現(xiàn)0.5 m的空間分辨率，τ、t及Δt均應(yīng)小于5 ns。激光脈沖寬度τ越小，背向拉曼散射信號強度越小，將導(dǎo)致測溫噪聲變大；探測電路響應(yīng)時間t越快，電路帶寬越大，將增加大量的白噪聲，也會導(dǎo)致測溫噪聲變大；數(shù)據(jù)采集時間間隔Δt越小，采集速率越高，將增加電路設(shè)計難度。因此，高空間分辨率DTS的設(shè)計技術(shù)難度大，需在激光驅(qū)動電路、高速弱信號處理及高速數(shù)據(jù)采集等方面進行優(yōu)化設(shè)計。

2 高空間分辨率DTS的設(shè)計

高空間分辨率DTS主要由測溫主機、傳感光纜、用戶軟件以及備用電源、服務(wù)器等外圍設(shè)備組成。測溫主機是系統(tǒng)核心，包括脈沖光源產(chǎn)生、光放大、信號探測及數(shù)據(jù)采集等，直接影響測溫性能和應(yīng)用效果。傳感光纜既是溫度感測元件，又是信號傳輸介質(zhì)，既能快速響應(yīng)外界溫度，又具有較好抗拉、抗壓強度；并且光纜一旦斷裂可精確定位和快速接續(xù)。用戶軟件包括溫度曲線顯示、火災(zāi)預(yù)警報警、歷史數(shù)據(jù)查詢及統(tǒng)計、監(jiān)測區(qū)域可視化顯示等功能。高空間分辨率DTS的組成如圖1所示。

測溫主機的設(shè)計直接關(guān)系到高空間分辨率的性能，本文給出了0.5 m空間分辨率的DTS設(shè)計思路。高速激光器驅(qū)動電路激發(fā)半導(dǎo)體激光器產(chǎn)生脈寬2 ns、峰值約10 mW的激光脈沖，被EDFA放大器放大為瓦級的高峰值激光脈沖，經(jīng)分光器后入射到傳感光纖上，激光與光纖分子相互作用，所產(chǎn)生的背向拉曼散射光經(jīng)分光器分離出Anti-stokes光和Stokes光，并由高靈敏、高速響應(yīng)探測器APD接收，經(jīng)約300 MHz超高帶寬放大電路后由8 bit、1 GS/s高速數(shù)據(jù)采集電路同步采集，控制及信號處理電路實現(xiàn)溫度信號計算及火災(zāi)報警判斷。根據(jù)式（3），τ、t及Δt均應(yīng)小于5 ns方可實現(xiàn)0.5 m空間分辨率，本文采用激光脈沖寬度τ為2 ns、電路響應(yīng)時間t為1.5 ns、數(shù)據(jù)采集時間間隔Δt為1 ns。

為測量DTS的空間分辨率指標(biāo)，采用光纖取樣環(huán)加熱的方法，在2 km附近盤繞4個長度分別為0.3 m、0.4 m、0.5 m和1.0 m的光纖環(huán)，一同放入51.9 ℃的恒溫水槽中，溫度曲線如圖2所示。從圖中可以看出，0.5 m光纖環(huán)的溫度值與1.0 m均為52.0 ℃，測溫誤差小于0.5 ℃，說明所設(shè)計的DTS的空間分辨率實現(xiàn)了0.5 m。此外，為了說明空間分辨率指標(biāo)的重要性，盤繞4個長度分別為0.25 m、0.5 m、1.0 m和2.0 m的光纖環(huán)，一同放入約75 ℃的熱水中。分別改變激光脈沖寬度2 ns、6 ns、10 ns和14 ns，模擬空間分辨率為0.5 m、1.0 m、1.5 m和2.0 m的設(shè)備，加熱各環(huán)的溫度值如表1所示。從表可以看出，如果受熱區(qū)域較小，空間分辨率越高（脈沖寬度越?。﹦t溫度測量值越接近實際溫度。

3 高空間分辨率DTS在電纜過熱監(jiān)測中的應(yīng)用

寧波萬華工業(yè)園區(qū)內(nèi)敷設(shè)了數(shù)量眾多的各種動力電纜和控制電纜，密集布設(shè)的電纜通風(fēng)效果不佳容易造成電纜發(fā)熱；此外，隨著電纜老化，局部護套會出現(xiàn)破損，在水汽緩慢作用下絕緣電阻降低，也會造成電纜運行出現(xiàn)過熱點。電纜發(fā)熱是電氣火災(zāi)的重要因素，由于電纜的可靠運行事關(guān)安全生產(chǎn)，因此有必要對電纜橋架和密集電纜溝的溫度進行實時監(jiān)測。由于電纜過熱點的區(qū)域一般只有幾十cm，為考察不同空間分辨率下電纜溫度監(jiān)測效果，將一段長度約400 m的測溫光纜敷設(shè)在電纜橋架上，測溫電纜緊貼電纜線型敷設(shè)，測溫光纜與高空間分辨率DTS設(shè)備相連。該DTS設(shè)備的空間分辨率可在0.5～2 m之間自主設(shè)置，采樣間隔0.1 m，測量時間最快5 s，測溫誤差小于1.0 ℃，長期穩(wěn)定性小于1.0 ℃。

圖3是不同空間分辨率設(shè)置下電纜分布式溫度測量情況。從圖3（a）可以看出，不同分辨率下的DTS測量的溫度分布輪廓基本一致，在100 m前后有3個較明顯的過熱點，與實際熱電偶排查的情況相符；圖3（b）是過熱點2的細(xì)節(jié)放大圖，可以看出0.5 m空間分辨率下對小區(qū)域過熱點的探測更為顯著，能更及時發(fā)現(xiàn)潛在的火災(zāi)隱患。

4 結(jié) 論

空間分辨率是分布式光纖測溫系統(tǒng)的核心技術(shù)指標(biāo)，空間分辨率越高，對小的受熱區(qū)域監(jiān)測效果越好。對于電纜過熱監(jiān)測等應(yīng)用，尤其需要關(guān)注空間分辨率指標(biāo)。測試結(jié)果表明，所設(shè)計的分布式光纖測溫系統(tǒng)的空間分辨率達(dá)到0.5 m；同時，由寧波萬華電纜監(jiān)測的應(yīng)用證實，0.5 m空間分辨率對電纜等小區(qū)域過熱點的探測更為顯著，可有效提升電纜運行安全監(jiān)測水平。

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（編輯：劉鐵英）