真空低溫環(huán)境下的光纖分布式測溫方法

喬 通，魏 鵬，田玉坤，何欽華，劉 佳

（1.北京強度環(huán)境研究所，北京 100076；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100187）

0 引言

光纖溫度傳感技術(shù)是測溫領(lǐng)域的新技術(shù)，也是工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最多的傳感技術(shù)之一。目前光纖溫度傳感器中較為成熟的有：光纖輻射型溫度傳感器、光纖熒光型溫度傳感器、半導(dǎo)體吸收型溫度傳感器、光纖熱色型溫度傳感器、光纖偏振型溫度傳感器、光纖外差干涉型溫度傳感器等[1]。這些溫度傳感器通常都是“點”式溫度測量，即在傳輸光纖的末端用其他溫度敏感元件作為傳感器構(gòu)成傳感系統(tǒng)，光纖在整個系統(tǒng)中作為信號傳輸手段。點式測量型的光纖溫度傳感器只能測量感溫元件附近一小區(qū)域的溫度，不能滿足倉庫、管道等場合的溫度分布監(jiān)測需求。

分布式光纖測溫技術(shù)，是利用光纖本身作為溫度傳感器來測量光纖沿線幾公里甚至幾十公里的連續(xù)空間的溫度場分布情況，為大范圍、復(fù)雜幾何空間結(jié)構(gòu)、強電磁場、高壓大電流、易燃易爆、強腐蝕性和高溫、真空低溫等特殊環(huán)境的溫度場測量與控制，提供了良好技術(shù)手段。在眾多的分布式光纖測溫技術(shù)中，基于后向拉曼散射原理的分布式光纖測溫技術(shù)[2]，由于其拉曼散射信號只對溫度靈敏，不存在串?dāng)_問題，避免了復(fù)雜的信號分析。

基于光纖拉曼散射原理，在真空低溫罐內(nèi)合理布設(shè)光纖溫度傳感器，監(jiān)測液氮冷卻后罐內(nèi)熱沉溫度場分布，驗證了該方法在低溫環(huán)境下的溫度監(jiān)測的可行性。

1 光纖拉曼測溫原理

光纖中的后向拉曼散射光（Anti-stokes）的光強只對環(huán)境溫度變化敏感，對其他環(huán)境因素變化不敏感。并且由于光纖中的后向拉曼散射光的頻率（或波長）與入射光的頻率或波長相差比較大，比較容易分離。將其與光時域反射技術(shù)相結(jié)合，即得到分布式光纖拉曼測溫技術(shù)的基本原理[3]。激光器輸出的脈沖光入射到傳感光纖中，在傳感光纖不同位置處產(chǎn)生的后向散射光經(jīng)過不同的延遲時間后，返回到傳感光纖的入射端。將后向散射光中與環(huán)境溫度信息相關(guān)的后向拉曼散射光分離出來，再通過具有高靈敏度的光電探測器對其進行信號采集，可得到后向拉曼散射光的強度信號與時間的關(guān)系，即可解調(diào)出傳感光纖沿線的環(huán)境溫度[4]。

設(shè)入射光頻率為ν0（Hz），光強為I0（lm），在距離傳感光纖入射端z（m）位置處發(fā)生散射現(xiàn)象，返回到傳感光纖入射端的瑞利散射光強度為：

式中：S為光纖的后向散射因子；Kr為瑞利散射的散射截面系數(shù)；α0（x）為入射光在光纖中傳播時的衰減系數(shù)。

設(shè)拉曼散射的頻率漂移量為Δν，則Anti-Stokes拉曼散射光的頻率νas和Stokes拉曼散射光的頻率νs分別為：

在距離傳感光纖入射端z（m）的位置處發(fā)生拉曼散射現(xiàn)象，返回到傳感光纖入射端的Anti-Stokes拉曼散射光的強度Ias和Stokes拉曼散射光的強度Is分別為：

式中：Kas和Ks分別為Anti-Stokes拉曼散射光和Stokes拉曼散射光的散射截面系數(shù)；S為光纖的后向散射因子，Γas=KasS和Γs=KsS分別為Anti-Stoke拉曼散射光和Stokes拉曼散射光的散射捕捉率；αas和αs分別為Anti-Stokes拉曼散射光和Stokes拉曼散射光在傳感光纖中傳播的衰減系數(shù)；Rs（T）及Ras（T）分別為Stokes拉曼散射光與Anti-Stokes拉曼散射光光強比系數(shù)，與溫度T有關(guān)，其表達式如式（5）～（6）：

式中：T為溫度，K，取Planck（普朗克）常量h=6.63×10-34J·s，Boltzmann（玻爾茲曼）常量k=1.38×10-23J/K，拉曼散射光的頻率漂移量為Δν=13.2×1012Hz。若只考慮環(huán)境溫度變化，而忽略其他環(huán)境因素對后向拉曼散射光強的影響，將溫度在300 K以下時的拉曼散射光強設(shè)為1，其他溫度下的光強都相對于300 K時的拉曼散射光強做歸一化處理，得到如圖1所示的結(jié)果?？梢姯h(huán)境溫度變化對Anti-Stokes拉曼散射光強的影響較大。因此用Anti-Stokes拉曼散射光強來解調(diào)溫度的效果比較好。

圖1 光強隨溫度的變化圖Fig.1 The change of light intensity with temperature

利用光時域反射技術(shù)和光纖中拉曼散射光的溫敏效應(yīng)，選用合適的溫度解調(diào)方法，即獲得傳感光纖沿線的溫度-位置關(guān)系，進而得到溫度場分布[5]。這是分布式光纖拉曼測溫技術(shù)的基本原理。

2 分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)組成

分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)由解調(diào)機箱、標(biāo)定機箱和傳感光纖三大部分組成。分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)的解調(diào)機箱負責(zé)發(fā)射激光脈沖信號并對傳感光纖的后向拉曼散射光信號進行探測和處理；標(biāo)定機箱負責(zé)實現(xiàn)系統(tǒng)對標(biāo)定光纖環(huán)境溫度的采集，并對光纖參數(shù)進行實時在線標(biāo)定；傳感光纖是系統(tǒng)的溫度傳感器。硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of hardware system

圖2中，高速脈沖光源發(fā)出中心波長為1 550 nm的激光脈沖，經(jīng)過光纖波分復(fù)用器后入射到標(biāo)定光纖和傳感光纖中；激光脈沖在標(biāo)定光纖與傳感光纖中產(chǎn)生的后向散射光，在經(jīng)過傳感光纖和標(biāo)定光纖返回到光纖波分復(fù)用器后，被分離出中心波長為1 663 nm的Stokes拉曼散射光和中心波長為1 450 nm的Anti-Stokes拉曼散射光。這兩路后向散射光信號分別從兩個接口進入系統(tǒng)的雪崩二極管（Avalanche Photo Diode）光電探測模塊，被轉(zhuǎn)換為電信號，再由系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)采集卡將該電信號采集進嵌入式計算機中，在計算機中進行溫度解調(diào)與顯示、儲存。為了使光源發(fā)出的激光脈沖與采集卡的采集累加同步進行，同步觸發(fā)信號由光源發(fā)出，采集卡根據(jù)該觸發(fā)信號進行同步數(shù)據(jù)采集。標(biāo)定光纖的環(huán)境溫度由鉑電阻溫度傳感模塊實時采集，其測溫精度為±0.1℃。鉑電阻溫度采集模塊通過RS232接口將采集到的溫度信息傳輸?shù)角度胧接嬎銠C中。

3 真空低溫環(huán)境溫度監(jiān)測試驗

分布式光纖拉曼測溫真空低溫環(huán)境試驗在KM3空間環(huán)境模擬設(shè)備中進行，設(shè)備制冷方式為液氮制冷，罐內(nèi)熱沉溫度可低于100 K，真空度為5×10-5Pa，具體參數(shù)如表1所列。此次試驗主要目的是測量KM3空間環(huán)境模擬設(shè)備內(nèi)熱沉表面的溫度分布情況，檢驗分布式光纖拉曼測溫系統(tǒng)對低溫環(huán)境測量的穩(wěn)定性和可靠性。

表1 KM3真空熱試驗設(shè)備技術(shù)參數(shù)Table1 Technical parameters of vacuum thermal test equipment

由于空間環(huán)模設(shè)備中的溫度低于100 K，接近液氮溫度，為了保證在這種低溫環(huán)境中，系統(tǒng)傳感光纖能夠正常傳輸光強信號，并能夠準(zhǔn)確測量出溫度信息，需要選用耐低溫、傳輸信號強的傳感光纖。鐵氟龍（聚四氟乙烯）材料長期工作溫度下限可以達到77 K，高溫可達533 K。另外多模光纖內(nèi)的散射光信號強度比單模光纖強很多，其抗彎曲性能也比單模光纖好。因此可選用鐵氟龍保護材料的多模傳感光纖進行試驗。

試驗中，將系統(tǒng)的傳感光纖敷設(shè)在KM3空間環(huán)模設(shè)備的熱沉表面，使用3M膠帶對其進行粘貼固定，并保證傳感光纖不出現(xiàn)過小的彎曲半徑?？臻g環(huán)模設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 空間環(huán)模設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of vacuum cryogenic tank

在圖3中，罐外傳感光纖與穿罐光纖熔接并通過穿罐法蘭進入罐內(nèi)，再與罐內(nèi)傳感光纖進行熔接，由于熔接點相當(dāng)于光纖上的損傷，在低溫下會增加光的損耗，因此把熔接點放置在外壁與內(nèi)壁熱沉之間的的保溫夾層內(nèi)。穿罐光纖為帶鎧甲和橡膠保護層的光纖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)使用的穿罐光纖圖Fig.4 Tank optic fiber in system

罐內(nèi)傳感光纖從罐內(nèi)左側(cè)開始分布粘貼在熱沉表面，然后從導(dǎo)軌下方熱沉與罐體外壁中間的夾層中引到罐體右側(cè)的熱沉表面再進行分布粘貼。傳感光纖在熱沉表面的分布粘貼如圖5（a）、（b）所示。在熱沉重點監(jiān)測位置處，傳感光纖繞成光纖環(huán)進行重點監(jiān)測，其他區(qū)域呈“Z”字形分布。

圖5 傳感光纖在罐內(nèi)熱沉表面的分布圖Fig.5 Distribution of sensing optical fiber on heat sink surface in tank

試驗過程中，熱沉內(nèi)加注液氮降溫，同時罐內(nèi)的紅外加熱源工作，使罐內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度，用分布式傳感系統(tǒng)檢測罐內(nèi)熱沉溫度場分布情況，驗證分布式傳感系統(tǒng)的測溫效果。

4 試驗結(jié)果

圖6為熱沉溫度穩(wěn)定時，光纖拉曼測溫系統(tǒng)給出的溫度-位置曲線圖。傳感光纖共長282 m，每段光纖的作用及分布如表2所列。由于光電探測器的采樣率和響應(yīng)時間限制，短距離內(nèi)無法區(qū)分Stokes和Anti-Stokes散射光。因此，預(yù)留無法正常測溫的前80 m，視為盲區(qū)。由于穿罐法蘭直接跨過真空罐內(nèi)外壁間的夾層，所以帶鎧裝和橡膠保護的一段光纖首先接觸到熱沉，然后再把后面的熔接點和備用光纖環(huán)0折回放入夾層內(nèi)。

圖6 熱沉溫度穩(wěn)定時系統(tǒng)溫度-位置曲線Fig.6 System Temperature-position curve at the stable heat sink temperature

表2 光纖與真空罐的相對位置分布Table2 Relative position distribution of optical fiber and vacuum tank

計算系統(tǒng)測量的真空低溫時的溫度分辨率，系統(tǒng)傳感光纖200 m位置處在低溫穩(wěn)定時測得的一組溫度數(shù)據(jù)如表3所列。

表3 系統(tǒng)測得的溫度值Table3 Temperature results measured by the system

計算溫度值的標(biāo)準(zhǔn)差為：σ=0.193 2，系統(tǒng)的溫度分辨率為：3σ=273.58 K。圖7為溫度-位置曲線的局部放大圖。根據(jù)系統(tǒng)空間分辨率的定義，溫度從263 K降到113 K，所需的距離為1.5 m（165.5 m至167.0 m），即系統(tǒng)的空間分辨率為1.5 m，在時間分辨率和單通道測量距離要求不高的情況下，系統(tǒng)的空間分辨率可進一步提高。

圖7 溫度-位置曲線局部放大圖Fig.7 Partial enlargement of temperature-position curve

5 結(jié)論

基于光纖拉曼測溫原理，將光纖拉曼測溫系統(tǒng)應(yīng)用到空間環(huán)模設(shè)備中熱沉溫度場的分布監(jiān)測，驗證了該系統(tǒng)測量低溫下的環(huán)境溫度的可行性。與傳統(tǒng)的點式測溫相比，該線式測溫技術(shù)更適用于特殊環(huán)境溫度場分布監(jiān)測，并可長時間在線監(jiān)測。可以進行組網(wǎng)測量，溫度監(jiān)測的實時性取決于組網(wǎng)傳感器的數(shù)量、光開關(guān)的切換速度和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的處理速度。后續(xù)可以通過減小激光光源帶寬、提高光電轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換速度，實現(xiàn)空間分辨率的進一步提高。