分布式光纤测温系统技术原理：

分布式光纤温度系统DTS是基于光纤拉曼散射现象。激光器光源发出的光脉冲与光纤分子相互作用，发生散射，散射光有多种类型，如：瑞利(Rayleigh)散射、布里渊(Brillouin)散射和拉曼(Raman)散射等;其中拉曼散射是光纤分子的热振相关联的，因而对温度有敏感，可以用来进行温度测量。在光纤中，散射信号是连续的，通过使用高速信号采集技术测量入射光和拉曼散射光之间的时间间隔，可以得到拉曼散射光发生的位置，由于拉曼散射光对温度敏感，所以可以沿着光纤测量到相应的温度分布.

优势与特点：

光纤本身为传感器，同时传输信号和感知温度。系统安装方便，只需将光缆敷设在隧道顶部。分布式连续测量，一条光纤测量上千点温度。光纤使用寿命长，几十年免维护。沿光纤全线测量温度，误报、漏报率很小。光纤能在恶劣的环境下工作，系统稳定可靠。光信号测量，抗电磁干扰，绝缘，防雷，防爆。多路温度测量：1-8路。灵敏度高，测量准确，定位精度到1m。测量速度快，1KM距离的最小测量时间仅5秒。

分布式光纤测温是一种实时测量空间温度场分布的新兴技术，由于它在测量分布式温度上的独特之处，该技术在油田油井温度场测量有很大的应用前景。使用分布式光纤测温系统进行温度探测，能实时、有效地对油田油井内等区域的温度、火灾进行可靠的监视及预警、报警，尽可能将火灾消除在萌芽状态，避免或降低灾害情况下造成的人员和财产损失。分布式光纤测温系统可以直接接入消防监控系统，通过数据接口直接读取测温主机的实时温度信息。监控区域火灾情况下，将由消防监控系统统一协调各相关系统进行救灾。

光纤测温系统是一种利用光在光纤中传播的某种特性, 实现实时测量空间温度场分布的新技术, 对光纤沿线场所的温度进行分布式连续检测, 光纤本身就是温度传感器。该技术特别适用于电气设备的温度检测, 并能和消防报警系统配合使用, 对电力系统一次带电设备进行在线温度检测, 它将给变电站的 五遥 监控系统充实新的内容, 在发电厂、变电站中有广阔的应用前景。

1引言

分布式光纤温度传感系统 ( 简称光纤测温系统) 是一种用于实时测量空间温度场分布的传感系统。该系统利用光时域反射( OTDR) 技术、激光拉曼光谱技术, 经波分复用器、光电检测器等对采集的温度信息进行放大、信号处理, 并将温度信息实时显示出来。该技术最早于 1981 年由英国南安普顿大学提出, 目前, 国外( 主要是英国、日本等国) 已利用激光拉曼光谱效应研制出分布式光纤温度传感器产品, 国内也在积极开展这方面的研究工作, 已经研制成功分布式光纤温度传感器的系列产品, 并在一些工业领域得到了初步应用, 效果非常理想。分布式光纤传感技术具有抗电磁场干扰、信号传输带宽等特点, 它能够连续测量光纤沿线所在处的温度, 测量距离在几公里的范围, 空间定位精度达到米的数量级, 能够进行不间断的自动测量, 特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。在电力系统中, 这种光纤传感技术在高压电力电缆、电气设备因接触不良易产生发热的部位、电缆夹层、电缆通道、大型发电机定子、大型变压器、锅炉等设施的温度定点传感场合具有广泛的应用前景。

2光纤温度传感的检测原则

光纤温度传感原理的主要依据是光纤的光时域反射( OTDR: Optical T ime Domain Reflectome try) 原理以及光纤的背向拉曼散射( Raman Scat tering) 温度效应。当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时, 这个光脉冲会沿着光纤向前传播。因光纤内壁类似镜子, 故光脉在传播中的每一点都会产生反射, 反射之中有一小部分的反射光, 其方向正好与入射光的方向相反( 亦可称为背向) 。这种背向反射光的强度与光线中的反射点的温度有一定的相关关系。反射点的温度( 该点的光纤的环境温度) 越高, 反射光的强度也越大。也就是说, 背向反射光的强度可以反映出反射点的温度。利用这个现象, 若能测量出背向反射光的强度, 就可以计算出反射点的温度, 这就是利用光纤测量温度的基本原理。

如用公式来表达: 当频率为 V 0 的激光入射到光纤中, 它在光纤中传输的同时不断产生后向散射光波, 这些后向散射光波中除有一与入射光频率 V 0 相同的很强的中心谱线之外, 在其两侧,还存着( V 0- V) 及( V 0+ V) 的两条谱线。中心谱线为瑞利散射谱线, 低频一侧频率为( V 0-V) 、波长为 s 的谱线称为斯托克斯线( stokes) , 高频一侧频率为( V 0+ V) 、波长为 a 的谱线,称为反斯托克斯线( Anti- stokes) 。根据拉曼散射理论, 在自然拉曼散射条件下, 反斯托克斯光强 Ia 于斯托克斯光强 Is 的比值 R( r) 为

R ( r ) = I a/ Is= ( s/ a) 4ex p ( - hcV 0/ kT ) ( 1)

式中: h普朗克常数;

c真空中的光速;

k波尔兹曼常数;

T绝对温度

从( 1) 式中可以看出, R( r) 仅与温度 T 有关,而与光强、入射条件、光纤几何尺寸及光纤成分无关。据此, 我们可以借助探测反斯托克斯及斯托克斯后向拉曼散射光强之比值来实现温度绝对测量, 利用该原理的温度传感检测原理如图 1 所示。另外, 利用 OTDR 技术, 还可以确定光纤长度损耗和光纤故障点、断点的位置。

图 1 分布式光纤温度传感系统的原理示意图

3 光纤温度传感系统的结构

分布式光纤温度传感系统由激光二极管

( LD) 和驱动器( DRIVER) 、光电检测器( APD) 和

放大器组件( AMP) 、光纤传感回路( OFL) 和信号处理电路、计算机等组成, 如图 2 所示。

图 2 分布式光纤温度传感系统的结构框图

为确保激光二极管功率及峰值波长的稳定,采用半导体在冷低温恒温槽冷却工作。激光脉冲通过耦合器入射到光纤传感回路, 并将光纤传感回路的背向散射回波采集回来, 通过波长甄别模块分成斯托克斯通道和反斯托克斯通道; 光电检测器组件为高灵敏、低噪声硅雪崩二级管组件 (APD) , 为了确保 APD 的稳定工作, 使其在低温恒温槽冷却工作。信号处理电路由高速瞬态平均器和累加器组成, 计算机主要用于温度信号的解调和信号处理、显示。根据用户的需要, 设计软件和界面。

4系统特点

4. 1 实现温度监测对象由于其他原因过热故障的早期预测, 防患于未然。

4. 2 发生过热故障时, 系统能提供报警并准确确定过热位置, 指导检修工作。

4. 3 具有 CRT 显示器, 直观显示温度监测对象的具体位置及名称, 实时连续的温度监测, 保存历史数据, 以便作日后积累的经验和事故分析的依据。

4. 4 具有局域网络接口, 可与站内的管理网络相连, 实现信息的共享, 联结站内局域网的计算机可同样具有温度显示和报警功能, 安装于主控室的主机和联网的计算机能够自动显示相应的报警提示。

4. 5 分布式光纤温度传感器是最近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术, 它能够连续测量光纤沿线所在处的温度, 测量距离在几公里的范围, 空间定位精度达到米的数量级, 能够进行不间断的自动测量, 特别适用于需要大范围多点测量的应用场合。

4. 6 分布式光纤温度传感系统作为传统揽式温感火灾探测器的替代品, 具有精度高、数据传输及

读取速度快、自适应性能好等优点。实现了传统式温度测量无法实现的诸多功能和现场无法解决的问题。

5 光纤测温系统和传统式传感器的性能比较

比较内容分布式光纤传感系统传统传感器

传感分布特性检测点连续, 可以全面检测被监视对象的各点的情检测点间断, 只有检测探头接触的点, 才能被检

况。检测范围大( 几公里至几十公里) 。测。检测范围小。

探头光纤, 抗干扰性能强, 绝缘性能好, 无击穿、烧毁等电子传感器, 有电路通道, 极易受电磁干扰, 对与

问题。高压设备的绝缘要求特别高。检修维护很难。

检测信号输出光信号, 不受电力设备的电磁干扰。弱电信号, 极易受到电磁干扰。

信号通道光纤, 探头与信号通道一体, 不怕干扰, 不怕高压,电路, 对与高压设备的绝缘要求特别高。检修维

系统简单安全。护很难。

检测: 光电技术检测: 模拟电子

信号处理技术传输: 光信号传输: 弱电信号

处理: 高速数字技术处理: 数字技术

系统可靠性由于系统精练, 可靠性很高。可靠性低, 受探头、信号传输通道、主机等全部设

备影响。

施工、安装方便, 能在细小的夹缝、易燃、易爆、有毒、有害、恶不方便, 许多地方无法实施甚至无法安装; 布线

劣环境下安装; 布线简单; 基本不需要维护。复杂; 维护困难。

不带电, 抗射频和电磁干扰、防燃、防爆、抗腐蚀、耐早期技术, 过去应用广泛。在许多特殊环境下无

其它特点高压和强电磁场、耐辐射, 能在各种有害的环境中

法使用。

工作。

6光纤温度传感系统的性能及技术指标

介绍该系统的主要技术性能指标。如表 2 所示。

表 2分布式光纤温度传感系统的性能指标

性能指标台式便 携 式

测温范围- 30~ 120( 普通外套的光纤)

- 170~ 500( 特殊外套的光纤)

测温精度最小 1, 平均 2

测量距离2km ( 典型)可定制长达 10km 距离的系统

空间分辨率2. 5m, 使用光纤绕组为 5cm

系统硬件配置主机+ 测温光纤+ 计算机( 选购)主机( 内置工控机和液晶显示屏) + 测温光纤

光纤型号: 62. 5/ 125GI 光纤( 通信光纤的标准型号之一)

光纤的规格外套规格: 普通型: 有外径为 0. 25mm、0. 90mm 和 3mm 的塑料管三种。

特殊型: 外径为 3mm 的不锈钢管

系统功能扩展可以选用光纤切换模块同时检测多路测温光纤

表 2 可知, 分布式光纤温度传感系统的测温范围很大, 采用特殊外套的光纤其范围可达到-~ 500 , 可以满足绝大多数工业环境的温度检测。其测温精度可以达到数公里, 但是选用的光纤却不是特殊类型的产品, 仅为普通的通讯用光纤, 这样, 该系统也就具备了较高的性能价格比。

7 光纤温度传感系统在电力系统的应用

1 , 测量的距离分布式光纤温度传感系统自投产以来, 主要应用于电力系统、建筑、化工、油田以至海洋开发等领域, 并已取得大量可信可靠的应用业绩。近两年来, 由广州羊城科技实业有限公司研制生产的分布式光纤温度传感系统在国内电力系统的变电站、发电厂已经陆续使用, 获得了良好的效果。

7. 1 光纤温度传感系统在电气设备温度监测方面的特点

7. 1. 1 光纤测温是一个连续的实时监测系统, 可以测量和记录任何时刻的温度, 并可以设置多个报警点。另外, 光纤测温还可以根据环境温度的不同, 对报警点温度进行自动修正。而目前火灾报警系统中常用的感温电缆只能设置一个报警点, 如要改变报警温度, 则只能改换另外一种规格, 不能作到报警点温度的任意设置。

7. 1. 2 光纤测温可以对电气配电装置的母排、动力电缆的接头等部位进行 零距离 监测。其构成原理决定了它不会受到电磁干扰的影响, 也不会对电气设备的正常运行带来任何负面的影响。 7. 1. 3 通过采用不同的外护套材料, 光纤温度传感系统可以适应各种工作环境。

7. 2光纤温度传感系统在电力系统中的应用

光纤测温在电力系统的应用范围, 归纳起来包括以下几个方面。

7. 2. 1 电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度监测监控

可以应用在发电厂、变电站的电缆夹层、电缆沟道、大型电缆隧道( 例如广州珠江新城 3. 8km 的地下电缆隧道) 的温度监测和监控。对电力电缆的监护, 可以将测温光纤贴在电缆的表面, 在取得了电缆表面数据后, 将电缆的负荷电流同时描成一组相关曲线, 并从电流值推算出芯线导体的温度系数, 从表面温度变化与导体温度变化之差 ( 相同时刻作比较) 便可以求出表面温度与运行负荷电流的相关关系, 并以此来支持供电系统的安全运行。

另外, 在诸如大型电缆隧道等场合, 其内部环境温度的高低对保证电缆的正常运行有很大关系, 采用光纤温度传感系统后, 可以对其进行分布式连续监测, 如有必要甚至可以与通风、空调开关柜内的电缆接头、10kV 、35kV 高压开关柜动静触头及电气设备的连接头是易出故障的薄弱环节, 原因是该部位接触不良, 接触电阻较大,在大电流情况下该处热功率很大, 其结果是接头发热严重, 加剧接触面氧化, 使得接触电阻进一步增大, 形成恶性循环, 发展到一定阶段后, 则会造成严重的故障, 破坏供电的安全可靠。而采用光纤测温, 则可以将光纤缠绕在接头上, 实时监测其温度, 在演变成事故前, 及早发现并采取处理措施。

7. 2. 3 发电厂、变电站的环境温度检测及火灾报警系统

光纤测温系统因可以实时长期监测温度, 并自动将所检测数据寄存于电脑, 故可以做到温度变化的差动监测。更可以提前做出过热预报, 亦即火灾早期报警, 这更是一般的热源传感器或烟雾传感器等报警方式难以胜任的, 另外, 本系统还可以与火灾报警系统联动使用, 在达到设定的报警条件时, 启动消防系统。

7. 2. 4其它

可以预计的场合还包括: 各种大、中型发电机、变压器、电动机的温度分布测量、热动保护以及故障诊断; 火力发电厂的加热系统、蒸汽管道、输油管道的温度和故障点检测; 地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测等等。

8结束语

光纤温度传感作为一种高新技术在国内已经开始推广应用。我们相信随着电力系统广大工程技术人员对该技术的熟悉了解, 该技术必将对电力系统的安全运行作出贡献。

一、分布式光纤测温系统需求

温度是最重要的物理量之一，在我们的生产和生活中，温度的测量非常重要。温度变化的监测，可以有效的避免隧道、管线及高温反应炉等安全隐患的发生，以及发生事故时协助救援方案的制定。然而传统的测温技术由于感温电缆测温精度和定位精度差等原因不能满足要求;精确度较高的点式测温仪或热电偶又解决不了线性与连续监测的需要。因此，可以很好的解决以上难题，兼具精度要求及连续监测功能的分布式光纤测温系统(简称DTS)应运而生。

由于多模光纤的拉曼增益高、受激阈值高，因此成熟的分布式测温产品多采用多模光纤作为传感光纤。但传统的通信多模光纤仅优化了波长850nm和1300nm处的衰减，较高的C波段衰减严重影响了长距离测量的信噪比，另一方面较大的模间色散会造成长距离测试下空间分辨率的劣化。此外，普通多模光纤因其几何一致性较差，会导致接续点测得的温度出现跳变。

二、分布式测温系统用多模光纤和少模光纤

长飞公司针对传统测温系统中多模光纤在实际应用中的问题，利用自身在光纤设计制造方面的经验和技术能力，对测温多模光纤进行了改进。

(1) DTS工作波长处衰减的优化，提高了长距离测温的信噪比;

(2) C波段带宽的优化提高了长距离DTS的空间分辨率，解决了目前DTS系统在长距离传输中空间分辨率劣化;

(3) 几何一致性的优化，提高了系统的测温精度，以及实际工程中不可避免的光缆接续点温度一致性。

性能优化后的测温多模光纤结合长飞DTS主机测试结果显示，温度曲线平整，测温距离在25km时，温度分辨率优于2℃，空间分辨率约2-3米。另外，此光纤还做了抗弯和耐高温涂层处理，使该光纤更适合成缆以及高温应用。

基于多模光纤的分布式拉曼传感系统，其优势在于多模光纤具有较大的有效模场面积和较高的拉曼增益系数，易于通过自发拉曼散射获得光纤沿线的温度信息。其劣势在于多模光纤的损耗较大，更重要的是由于多模光纤模间色散(模式差分群时延)引入的脉冲展宽导致长距离传感的空间分辨率不足，这在需要较高空间分辨率的温度测量场景下实际上限制了光纤的传感距离(通常多模系统长度局限于8～10km)。基于单模光纤的分布式拉曼传感系统，其优势在于损耗较小，不存在模间色散导致的脉冲展宽，其劣势在于有效模场面积较小，为了避免产生受激拉曼散射，输入光功率受限从而探测距离受限。因此基于单模光纤的长距离分布式光纤温度传感器系统较为复杂、成本较高(需要进行分布式放大并进行复杂的信号处理)。而少模光纤和单模光纤相比，在只激励起基模的情况下，对比单模光纤而言，具有较大的模场面积，对比多模光纤而言，由于其特殊的折射率设计，具有模间色散极小的优势。利用少模光纤作为传感光纤，结合现有的单模光纤拉曼系统，可在保证高空间分辨率的同时，有效延长现有分布式温度传感器的传感距离，并无需增加系统复杂度。

长飞公司提出基于少模光纤的分布式光纤测温系统，从拉曼散射的原理出发，对少模光纤中的斯托克斯拉曼散射与反斯托克斯拉曼散射进行了理论分析与计算，找出了优化的温度解调算法，研制出了高效的少模光纤耦合设备，并将少模光纤与现有单模光纤设备高效结合，研制出了分布式拉曼测温的相应模块。该少模DTS系统中，准基模运行避免了模间色散导致脉宽展宽，同时大有效面积大大提高了入纤光功率，最终实现了基于少模光纤的长距离高空间分辨率分布式光纤测温系统产品。如下图，长飞少模光纤结合少模DTS主机测试，测温距离大于20km时，温度分辨率优于4℃，空间分辨率约3米。

长飞公司专注特纤技术20余年，利用特纤研发与制造的优势，很好地将特纤技术与传感技术相结合，高效地推进了分布式光纤测温系统的性能优化。产品已广泛应用于国内外电力、隧道及管廊的监测，如新郑机场长鹰隧道中的温度监测。长飞公司将继续推进分布式光纤测温系统中多模与少模光纤的优化及测温系统的产业商用化，发挥长飞公司在特纤与特纤传感市场的旗帜作用，引领市场的优质发展！