分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的原理及應(yīng)用

張建華

（新疆油田公司百口泉采油廠(chǎng)，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

溫度監(jiān)測(cè)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(cè)系統(tǒng)存在著線(xiàn)路復(fù)雜、易受干擾、安全性低、監(jiān)測(cè)范圍小等缺點(diǎn)，很難滿(mǎn)足各領(lǐng)域的測(cè)溫需求。隨著電子技術(shù)的進(jìn)步，各類(lèi)溫度傳感器無(wú)論是靈敏度、分辨率、響應(yīng)范圍還是性?xún)r(jià)比等方面的指標(biāo)都有了很大的進(jìn)步，基本滿(mǎn)足對(duì)常規(guī)溫度監(jiān)測(cè)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(qiáng)等優(yōu)勢(shì)。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(diǎn)，可以滿(mǎn)足溫度的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(diǎn)規(guī)律進(jìn)行安裝測(cè)溫，得到特定空間區(qū)域內(nèi)的溫度分布情況的一種測(cè)溫技術(shù)。該項(xiàng)技術(shù)的主要原理是光波在光纖介質(zhì)內(nèi)傳輸時(shí)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(guò)檢測(cè)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(shí)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(huì)不斷產(chǎn)生后向散射，當(dāng)溫度發(fā)生改變時(shí)，散射的結(jié)果也會(huì)有所不同，通過(guò)光電探測(cè)器接收散射光，并經(jīng)過(guò)波分復(fù)用、檢測(cè)解調(diào)等處理，由信號(hào)處理單元計(jì)算出實(shí)際的溫度值。根據(jù)光纖中的光速和回波到達(dá)時(shí)間，還可以對(duì)測(cè)點(diǎn)進(jìn)行精確定位。

1.2 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)原理

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)主要由分布式光纖溫度傳感器、控制主機(jī)、信號(hào)處理單元、激光光源、光電探測(cè)器、波長(zhǎng)檢測(cè)器等部分構(gòu)成。由主機(jī)的控制程序?qū)Χ鄠€(gè)光纖溫度傳感器進(jìn)行掃描，各傳感器都會(huì)產(chǎn)生一定能量的反向散射光，在光電探測(cè)器接收到反射光后，首先對(duì)反射光進(jìn)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(shí)際上受到波長(zhǎng)的調(diào)制。

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

2 系統(tǒng)主要功能分析

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)通過(guò)對(duì)測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)測(cè)點(diǎn)過(guò)熱故障或火災(zāi)的早期預(yù)測(cè)，防患于未然。當(dāng)測(cè)點(diǎn)出現(xiàn)過(guò)熱或火災(zāi)時(shí)，光纖傳感器可以實(shí)時(shí)傳回測(cè)量數(shù)據(jù)，由主機(jī)控制的測(cè)溫軟件系統(tǒng)會(huì)根據(jù)告警閾值決定是否告警，當(dāng)測(cè)量溫度高于設(shè)定閾值時(shí)將會(huì)發(fā)出告警信息，并根據(jù)回波接收的時(shí)間準(zhǔn)確定位過(guò)熱位置，指導(dǎo)檢修工作。系統(tǒng)配備了顯示器，可以對(duì)測(cè)點(diǎn)的布置和各測(cè)點(diǎn)的實(shí)時(shí)狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)視。測(cè)溫系統(tǒng)通過(guò)以太網(wǎng)接入局域網(wǎng)絡(luò)，可以與其他信息化平臺(tái)實(shí)現(xiàn)互聯(lián)互通，達(dá)到平臺(tái)間的數(shù)據(jù)共享。

3 分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

3.1 大范圍、高密度測(cè)量

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)可以將成百上千個(gè)傳感器串接在一起，對(duì)沿線(xiàn)幾千米范圍內(nèi)的測(cè)點(diǎn)進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。測(cè)點(diǎn)的布置密度可達(dá)米級(jí)，測(cè)量精度在1 ℃以?xún)?nèi)，特別適用于大范圍的多點(diǎn)測(cè)溫應(yīng)用場(chǎng)景，例如電力傳輸線(xiàn)路溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)、大型廠(chǎng)房溫度實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等。

3.2 實(shí)現(xiàn)光電隔離、抗干擾

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)采用普通光纖作為傳感介質(zhì)，控制主機(jī)和現(xiàn)場(chǎng)各測(cè)點(diǎn)之間只有光學(xué)連接，沒(méi)有電氣連接，避免了各測(cè)點(diǎn)對(duì)電源的依賴(lài)，也避免了沿線(xiàn)電子設(shè)備對(duì)測(cè)量過(guò)程的干擾。由于光纖的傳輸損耗極低，光信號(hào)傳輸?shù)木嚯x很遠(yuǎn)，無(wú)需中繼設(shè)備，精簡(jiǎn)了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和安裝難度。

3.3 在線(xiàn)自動(dòng)測(cè)量

在一些邊遠(yuǎn)地區(qū)或生產(chǎn)流水線(xiàn)，要求系統(tǒng)能夠進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)溫。分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)由于采用光學(xué)測(cè)量原理，通過(guò)光電探測(cè)器和信號(hào)處理算法，可以實(shí)時(shí)完成對(duì)各測(cè)點(diǎn)反射波的光譜分析并計(jì)算實(shí)時(shí)溫度，可以很方便地進(jìn)行自動(dòng)化控制，滿(mǎn)足在線(xiàn)自動(dòng)測(cè)量的要求。

4 系統(tǒng)安裝和部署要點(diǎn)

4.1 主機(jī)安裝

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

4.2 光纖敷設(shè)

在分布式光纖測(cè)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(gè)系統(tǒng)安裝部署的絕大多數(shù)時(shí)間。為了滿(mǎn)足大范圍、高密度的溫度監(jiān)測(cè)，光纖的敷設(shè)必須保證質(zhì)量，但不同應(yīng)用場(chǎng)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(lái)處理。

（1）管狀對(duì)象監(jiān)測(cè)。如果待監(jiān)測(cè)的對(duì)象或其周?chē)h(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(chǎng)條件對(duì)其進(jìn)行固定。若想進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)準(zhǔn)確度，在條件允許的情況下，還可以把光纖嵌入到護(hù)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(duì)象監(jiān)測(cè)。典型的面狀對(duì)象監(jiān)測(cè)場(chǎng)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(diǎn)，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(duì)象監(jiān)測(cè)。立體對(duì)象包括實(shí)心物體和室內(nèi)空間兩種情況，對(duì)于車(chē)間、大棚、倉(cāng)庫(kù)等室內(nèi)空間的應(yīng)用場(chǎng)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(duì)于發(fā)電機(jī)定子、混凝土結(jié)構(gòu)等實(shí)體的測(cè)溫，可以將光纖嵌入到實(shí)體的線(xiàn)槽內(nèi)，或預(yù)埋在混凝土中。如果測(cè)量空間過(guò)大，可以采用光纖切換器對(duì)同一臺(tái)主機(jī)下的多路光纖進(jìn)行掃描，提高系統(tǒng)的覆蓋能力。

（4）測(cè)點(diǎn)的定位。在分布式光纖測(cè)溫的一些特殊場(chǎng)景，有時(shí)候不僅需要測(cè)出測(cè)點(diǎn)所在位置的實(shí)際溫度，而且還要知道測(cè)點(diǎn)的距離，例如電纜的接頭處、易發(fā)熱的部位等，此時(shí)可以將光纖的一段繞成圈，固定在需要定位的測(cè)點(diǎn)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(hù)

無(wú)論采用哪種敷設(shè)方式，都要注意光纖的保護(hù)。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(guò)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(huì)增加光纖損耗，引起信號(hào)衰減且增加誤差。光纖接頭在對(duì)接之前必須保持清潔，做好接頭的防護(hù)。

5 結(jié)語(yǔ)

分布式光纖測(cè)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(lái)，各種光纖產(chǎn)品的綜合性能不斷增強(qiáng)，電子技術(shù)也更加先進(jìn)，給分布式光纖測(cè)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(cè)溫技術(shù)的一系列優(yōu)勢(shì)，不難預(yù)測(cè)在未來(lái)的十幾年內(nèi)，光纖溫度傳感器技術(shù)將得到進(jìn)一步的推廣。