BOTDR分布式光纤传感技术在冶金设备变形及温度监测中的可行性研究

亓昌秋

（山东钢铁莱芜钢铁集团有限公司总调度室，山东 莱芜 271104）

1 概述

光纤传感技术是上世纪八十年代伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒介，感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术，该技术可通过时域技术（OTDR）和复用技术实现了分布式传感测试，为最具前途的分布式传感技术之一。它应用光纤几何上的一维特性，把被测参量作为光纤位置长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的测量，同时获取被测物理参量的空间分布状态和随时间变化的信息。分布式光纤传感技术中，光纤既是传感介质，又是信号传输通道，不需要任何传感探头，采用价格很低廉的普通通信光纤就可以作为传感光纤实现传感和信息采集；光纤具体积小、重量轻、几何形状适应性强，植入到监测体中不影响监测体强度；光纤采用光信号为信息媒介，具有信息通量大、传输距离远，抗电磁干扰，特别适合长距离远程监测；光纤传感材料为二氧化硅，具有电绝缘性好，化学稳定性好，特别适合在一些环境恶劣的场所中进行长期监测。

目前基于光纤传感的分布式调制解调技术有：准分布的布拉格光纤光栅解调技术（简称FBG），光时域反射计（简称OTDR）；拉曼散射光时域反射测量技术（简称ROTDR）；布里渊散射光时域反射测量技术(简称BOTDR)和布里渊光时域分析测量技术（简称BOTDA）等，其中准分布布拉格光纤光栅技术是开发最为成熟、应用最为广泛的光纤传感技术，基于布里渊散射技术的分布式传感系统是目前国际上的研发热点，是最具潜力的一种分布式传感技术。正因为分布式光纤传感技术具有众多的独特优势，自问世以来，很快从通信领域中通信光纤光损和断点的检测和监测中脱颖出来，开始在航天、国防、医学等领域得广泛应用。基于布里渊光时域反射技术（BOTDR）的光纤传感技术可实行对应变和温度的测量。具有分布式测量、测试距离长、可植入性强及操作简便等特点，具有传统的传感技术无可比拟的优势。在冶金企业中，有很多大型的设备需要进行变形和温度的监测，BOTDR光纤传感器的独特特点使得其在冶金产业应用中有先天的优势。

2 BOTDR传感原理

BOTDR是布里渊散射光时域反射测量计 (Brillouin optic time-domain reflectometer)的缩写如图1，其基本原理是利用光纤中注入脉冲激光会发生各种散射现象，其中布里渊散射光的中心频率与光纤的应变和温度相关，光纤的应变量、光纤所受温差与布里渊频率的漂移量可用下式表示

式中，vB(ε,T)为在环境温度为T应变为时光纤布里渊频率的漂移量，vB(0,T0)表示在温度为T0，无应变时光纤布里渊频率的漂移量， ∂vB(ε)/ ∂ε 为比例系数，约为 0.05MHz/με，ε 为光纤的轴向应变量。 ∂vB(T)/坠T 为比例系数，约为1MHz/K，(T-T0)为光纤的温度变化。

利用BOTDR光学解调设备获得光纤上各点的布里渊频移值就可以对光纤的应变和温度值进行测量。为了实现光纤应变与温度的分布式测量，要利用光时域反射技术对光纤传感数据进行空间方位的解析。光时域反射(OTDR)技术是实现分布式光纤传感的关键技术。脉冲光注入光纤后，光子与光纤中的粒子会发生弹性和非弹性碰撞，与脉冲光传播的相反方向就会出现背向散射光，通过测定该散射光的回波时间就可确定散射点的位置。

光纤上任意一点至脉冲光注入端的距离由式2计算得到：

图1 布里渊频移与应变和温度的关系

式中，c是真空中的光速，n是光纤的折射率，T是OTDR发出的脉冲光与接收到的后向散射光的时间差。

空间分辨率是时域技术的一个重要概念，是指仪器所能分辩的两个相邻事件点间的最短距离。空间分辨率△Z取决于入射光的脉冲宽度τ，它们之间的关系如式3所示：

△Z=vτ (3)

式中，v是光纤中的光速。

将OTDR技术和相干自外差光谱探测技术相结合，能够有效地探测出布里渊背向散射光沿光纤的分布，实现分布式应变和温度的测量。

3 BOTDR技术在冶金设备监测中的应用

传统的冶金企业设备监测系统需要铺设大量的传输线缆，其监测网络建成和维护成本高昂，对于环境要求苛刻的场所，如旋转部件，油库，配电站，锅炉等，会限制网络布设和供电。BOTDR传感技术中的传感光纤即作为传感器量测温度和变形，同时传感光纤又承担数据传输的任务，因此大大简化了线路布设工作，光纤所到之处即是可测之处，就像在设备之上植入神经，方便地获得冶金设备的工作性态。同时，光纤的主要材料是二氧化硅，具有本质安全的特点，其绝缘性保证了传感光纤和被监测设备之间没有电磁干扰，避免了由于传感器件的介入对被监测设备的安全运行产生不良影响。光纤轻柔纤细，耐久性好，与传统传感设备相比，易于布设，能在较恶劣的环境下长期稳定工作。与其他光纤传感技术相比（如FBG），BOTDR技术有着分布式和长距离的特点，可以实现对光纤上每一点的应变或温度状态进行监测，避免了点式或准分布式监测系统的漏检问题，其理论监测距离达80km，尤其适用于大型企业或大型设备的监测工作。目前，BOTDR监测技术的应变测量范围为（-1.5～1.5）%，空间分解度可达1m，应变的测量精度达±0.003%，温度测量精度在0.5℃左右。

将BOTDR技术应用于冶金设备监测中要解决以下问题：

a.传感光纤的选择：对于应变传感和温度传感，要选择相应的传感光纤，应变传感光纤要考虑其长期疲劳效应，温度传感光纤要有良好的长期稳定性。

b.传感光纤的布设方式：应变传感光纤的布设要保证其与被监测设备变形协调，温度传感光纤要确保光纤不受外界变形的干扰。

c.应变监测的温度补偿：由于BOTDR传感技术对温度和应变双重敏感，对于应变测量，要消除温度对应变测量的干扰。

d.监测系统的开发：利用GIS，数据挖掘，小波分析，数值模拟，无线数据传输等技术开发集数据测试、分析处理及预报预警于一体的分布式远程监测系统。

结语

大型冶金设备的分布式实时监控是国际及国内的一大发展趋势，也是一项需要不断攻关的高新技术课题。本文介绍了BOTDR传感技术的基本原理，分析了其在冶金设备监测中的可行性，并提出了以后要解决的问题。BOTDR技术不断发展成熟，其应用前景十分广阔。

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