基于BOTDA的分布式光纤温度传感测量实验研究*

贾振安， 张 童， 刘颖刚， 尉 婷， 徐 成

(西安石油大学 光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西 西安 710065)

基于BOTDA的分布式光纤温度传感测量实验研究*

贾振安， 张 童， 刘颖刚， 尉 婷， 徐 成

(西安石油大学 光电油气测井与检测教育部重点实验室，陕西 西安 710065)

为了进一步提高布里渊光时域分析(BOTDA)的测温精度,基于BOTDA的原理，构建了温度传感测量系统。测温实验发现，测温光纤的保护层厚度影响了其测温的精度；裸纤直接测温的精度较高，但也易受外界影响，且易断，故改进光纤的保护层可以提高其测温精度。提出一种将导热硅脂涂敷在光纤上进行测温试验的方法，提高了温度测量的准确性。

布里渊光时域分析； 分布式； 温度传感； 导热硅脂

0 引 言

第一根光纤诞生在20世纪60年代，并在随后的几十年里迅速发展，成为一种不可或缺的通信手段。经不断研究，光纤传感技术也从实验室研究走向实用化，部分光纤传感器已投入实际工程应用并形成产业。随着在实际工程中的应用，光纤传感器相比传统的传感器优点越发突出，如,光纤本身体积小、质量轻，实际应用中便于铺设；电绝缘性好、灵敏度高、抗电磁干扰能力强、耐高温、耐高压、耐腐蚀、能够在恶劣环境下有效地进行传感检测。光纤即是传感器又是传输介质，能够实现长距离、分布式的准确测量[1，2]。

基于瑞利散射和拉曼散射的光纤检测技术发展较早、使用较为广泛，但这2种技术均难能实现长距离、高精度测量。基于布里渊的分布式光纤分析(BOTDA)原理的传感技术虽然发展较晚，但它不仅可以实现长距离、高精度、高空间分辨率的测量，而且可以同时测量温度和应变。因此，基于布里渊散射的传感检测技术有重大研究价值。基于该技术，本文利用不同的光纤进行了测温对比实验。

1 BOTDA的测温原理

图1为BOTDA原理图。将一束泵浦光和一束探测光分别从传感光纤的两端入射进光纤，当泵浦光与探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，在该区域内就会产生布里渊放大效应[3]。因此，检测从光纤一端耦合出来的连续光功率就可以确定光纤各小区间上能量转移达到最大时所对应的频率差[4～6]。

图1 BOTDA原理图Fig 1 Principle diagram of BOTDA

在BOTDA技术中，布里渊频移与温度、应变的变化关系为

νB(ε,T)=νB(0)+(T-T0)C12+(ε-0)C11.

(1)

其中,νB(ε,T)表示应变为ε，温度为T时的布里渊频移；νB(0)为ε=0，T=T0时的布里渊频移；C12为温度影响系数，C11为应变影响系数[7～9]。

若光纤不受应力，即ε=0，布里渊频移与温度的变化关系为

νB(0,T)=νB(0,T0)[1+CT(T-T0)],

(2)

式中CT为布里渊频移的温度系数；T0为参考温度。因此，检测布里渊频移就可得到相应的温度。

2 实验研究

图2为系统实验平台。实验中，光纤采用的是松套测温光纤和裸纤(均进行过温度标定)，涂覆材料选用的是导热硅脂，分析仪采用DiTeStSTA—R系列的BOTDA系统，其温度测量范围为-270～700 ℃。

图2 实验平台Fig 2 Experimental platform

在240.6～242.6 m的裸纤上均匀涂覆导热硅脂，和测温光纤连成一个回路，并分别将长度约为1.5 m的裸纤、测温光纤以及加有涂覆的裸纤放在测温箱里，进行测温试验，加温区间为30～100 ℃，加热梯度为10 ℃，逐级调节恒温箱温度，每级温度稳定30 min，待光纤充分受热后用BOTDA 系统进行测量，再将测量数据与温度进行拟合，得到裸纤、测温光纤、加涂覆裸纤的测量结果，如图3所示。

图3 裸纤、测温光纤的测温结果Fig 3 Temperature measurement results by bare fiber and temperature measuring fiber

由实验结果可以得出：对于裸纤，拟合曲线的线性度非常好，测温值与恒温箱设定值之差变化较恒定，没有出现测量值随温度升高误差变大的情况，可以快速、准确地测量温度。对比测温光纤，开始时，测量值与恒温箱设定值之差变化较恒定，拟合曲线的斜率基本保持不变，当温度逐级升高至60 ℃时，拟合曲线的斜率明显减小，测温差值已经达到了2 ℃，超过了误差范围，这说明护套对光纤的温度效应是有影响的。这是由于在开始升温时，光纤护套虽然阻碍了温度的传递，但由于热膨胀效应，护套对纤芯产生了一定的拉应力，使得光纤在感受温度的同时也感受到应变，故而拟合曲线斜率较高。当温度升高到某一温度时，护套热膨胀使纤芯拉伸，拉应力减小，故拟合曲线斜率减小。

由于裸纤没有保护层，虽然可以灵敏地感受周围环境的温度变化，但同时很容易受应力等外界因素影响，使测温结果产生误差，而且裸纤易断，很难应用于实际温度测量中。为了提高测温光纤的测量精度，应尽量避免保护层对温度传递的阻碍和热膨胀效应等的影响。本文采用导热硅脂涂覆裸纤进行试验研究，其结果见图4。

图4 裸纤与加涂覆裸纤的测温结果Fig 4 Temperature measurement results by bare fiber and coated bare fiber

由实验结果可以得出：加有涂覆的裸纤，测温值与恒温箱设定差值较为恒定，没有出现测量值随温度升高误差变大的情况，且均在误差范围之内。对比裸纤，加有涂覆的裸纤不仅可以满足测温精度要求，同时又起到保护裸纤的作用；对比松套测温光纤，减小保护层厚度，从而减小保护层引起的误差，测温精度较高，且均在误差范围内。

3 结 论

本文通过对裸纤、松套测温光纤与加有导热涂覆的裸纤进行测温试验，试验结果表明：裸纤可以很灵敏地感知周围环境温度的变化，测温的误差较小且恒定，但是裸纤易断；松套测温光纤较裸纤结实，但是其测温误差随着温度升高逐步变大至超过误差范围。相对测温光纤，导热硅脂代替保护层，减小温度在传递至纤芯时的损失，使光纤更快更容易感应温度，从而提高了测温的精度。相对裸纤，导热硅胶起到保护层的作用，保证测温精度的同时保护光纤不易断。因此，为了提高测温光纤的测温精度，就得对起保护层进行进一步的改良，以减小温度在传递至纤芯时的损失，从而提高测温精度。

[1] 张 颖,张 娟,郭玉静,等.分布式光纤温度传感器的研究现状及趋势[J].仪表技术与传感器,2007(8):1-3.

[2] 王其富,乔学光,贾振安,等.布里渊散射分布式光纤传感技术的研究进展[J].传感器与微系统,2007,26(7):7-9.

[3] 张竞文,吕安强,李宝罡,等.基于BOTDA的分布式光纤传感技术研究进展[J].光通信研究,2010(4):25-27.

[4] Yu L P,Liu Y Z,Dai Z Y. Brillouin scattering distributed optical fiber sensor[J].Laser & Optoelectronics Progress,2006,43(4):24-28.

[5] 宋牟平,励志成,裘 超,等.50 km长距离布里渊光时域分析分布式光纤传感器[J].中国激光,2010,37(6):1426-1429.

[6] 聂 俊,李端有,梁 俊,等.基于BOTDA的温度和应变测试探讨[J].长江科学院院报,2011,28(4):66-70.

[7] 黄军芬,黄民双,冯音琦,等.基于BOTDA技术的分布式光纤温度传感技术试验系统[J].仪表技术与传感器,2011，3(2):6-8.

[8] Yu L P,Liu Y Z,Dai Z Y. Brillouin scattering distributed optical fiber sensor[J].Laser & Optoelectronics Progress,2006,43(4):24-28.

[9] Song M P,Zhao B,Zhang X M. Brillouin optical time domain analysis distributed optic fiber sensor based on microwave electrooptic modulation[J].Acta Optica Sinica,2005,25(8):1053-1056.

Experimental study on distributed optical fiber temperature sensing and measurement system based on BOTDA*

JIA Zhen-an, ZHANG Tong, LIU Ying-gang, WEI Ting, XU Cheng

(Key Laboratory of Photoelectricity Gas & Oil Logging and Detecting of Ministry of Education，Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065,China)

To further improve temperature measurement precision of Brillouin optical time-domain analysis(BOTDA),a temperature sensing and measurement system which based on BOTDA is constructed.It is found that the protective layer of temperature measuring optical fiber affects precision of temperature measurement,and the bare fiber has higher precision,but also is affected easily by environment and is easily broken,so improve protective layer of optical fiber can improve measurement precision. Propose a kind of temperature measurement method which uses thermal grease apply on optical fiber,improves accuracy of temperature measurement.

BOTDA;distributed;temperature sensing;thermal grease

2014—01—23

国家自然科学基金资助项目(607277004)；陕西省“13115”科技创新工程重大科技专项项目(2009ZDKG—42)

TP 212.9

A

1000—9787(2014)04—0035—02

贾振安(1959-)，男，陕西咸阳人，教授，主要从事光纤测井技术、光纤传感技术的研究．