分布式光纤测温系统的原理及应用

张建华

（新疆油田公司百口泉采油厂，新疆克拉玛依 834000）

0 引言

温度监测技术在工业、农业、环保、科研等领域有着广泛应用，但传统的温度监测系统存在着线路复杂、易受干扰、安全性低、监测范围小等缺点，很难满足各领域的测温需求。随着电子技术的进步，各类温度传感器无论是灵敏度、分辨率、响应范围还是性价比等方面的指标都有了很大的进步，基本满足对常规温度监测的要求。光纤传感器是以光纤通信、光谱分析等技术为基础的新型传感器，具有体积小、灵敏度高、抗干扰能力强等优势。光纤温度传感器是应用最广泛的光纤传感器之一，具有耐腐蚀、耐高温、抗干扰、结构紧凑、精度高、适合远距离传输等特点，可以满足温度的实时监测要求。

1 分布式光纤温度传感系统原理

1.1 分布式光纤温度传感器

分布式光纤温度传感器是采用若干光纤温度传感器，根据一定的布点规律进行安装测温，得到特定空间区域内的温度分布情况的一种测温技术。该项技术的主要原理是光波在光纤介质内传输时可以产生后向散射，而散射能量与介质温度有关，通过检测散射光的特性即可算出环境温度值（图1）。

图1 分布式光纤温度传感系统原理

在实际应用中，光源通常采用高能量的激光脉冲，注入光纤后，激光会不断产生后向散射，当温度发生改变时，散射的结果也会有所不同，通过光电探测器接收散射光，并经过波分复用、检测解调等处理，由信号处理单元计算出实际的温度值。根据光纤中的光速和回波到达时间，还可以对测点进行精确定位。

1.2 分布式光纤测温系统原理

分布式光纤测温系统主要由分布式光纤温度传感器、控制主机、信号处理单元、激光光源、光电探测器、波长检测器等部分构成。由主机的控制程序对多个光纤温度传感器进行扫描，各传感器都会产生一定能量的反向散射光，在光电探测器接收到反射光后，首先对反射光进行窄带扫描，被扫描的光波段被接收器接收后转换为光谱分布，该光谱分布实际上受到波长的调制。

将光谱分布转换为电流信号，该电流的大小可以直接表征光强的大小，但电流值通常是非常微弱的，还需要通过放大电路进行放大。经过放大并整形的电流信号被转换成脉冲电压，该脉冲电压由信号处理单元进行接收并锁定其上升沿和下降沿，在此期间采用计时器进行计数，根据计时中断信号被触发时的计数值，即可得到传感器的标定曲线，从而计算出反射波的中心波长和波长变化量，并演算出环境温度的真实值。

2 系统主要功能分析

分布式光纤测温系统通过对测点的实时监测，可以实现对测点过热故障或火灾的早期预测，防患于未然。当测点出现过热或火灾时，光纤传感器可以实时传回测量数据，由主机控制的测温软件系统会根据告警阈值决定是否告警，当测量温度高于设定阈值时将会发出告警信息，并根据回波接收的时间准确定位过热位置，指导检修工作。系统配备了显示器，可以对测点的布置和各测点的实时状态进行监视。测温系统通过以太网接入局域网络，可以与其他信息化平台实现互联互通，达到平台间的数据共享。

3 分布式光纤测温系统的应用优势

3.1 大范围、高密度测量

分布式光纤测温系统可以将成百上千个传感器串接在一起，对沿线几千米范围内的测点进行实时监测。测点的布置密度可达米级，测量精度在1 ℃以内，特别适用于大范围的多点测温应用场景，例如电力传输线路温度实时监测、大型厂房温度实时监测等。

3.2 实现光电隔离、抗干扰

分布式光纤测温系统采用普通光纤作为传感介质，控制主机和现场各测点之间只有光学连接，没有电气连接，避免了各测点对电源的依赖，也避免了沿线电子设备对测量过程的干扰。由于光纤的传输损耗极低，光信号传输的距离很远，无需中继设备，精简了系统的结构和安装难度。

3.3 在线自动测量

在一些边远地区或生产流水线，要求系统能够进行实时测温。分布式光纤测温系统由于采用光学测量原理，通过光电探测器和信号处理算法，可以实时完成对各测点反射波的光谱分析并计算实时温度，可以很方便地进行自动化控制，满足在线自动测量的要求。

4 系统安装和部署要点

4.1 主机安装

测温系统本身对温度的变化非常敏感，温度的异常变化可能增大测量误差。因此，分布式光纤测温系统的主机和控制计算机应安装在环境比较稳定的监控室或中心机房中，其中主机的最佳工作温度为10～35 ℃、湿度≤70%。如果由于特殊情况不能满足以上环境要求，则主机在使用之前必须进行重新标定。

4.2 光纤敷设

在分布式光纤测温系统中，光纤传感器数量较多，因此光纤传感器的安装占据了整个系统安装部署的绝大多数时间。为了满足大范围、高密度的温度监测，光纤的敷设必须保证质量，但不同应用场合的光纤敷设方案也不尽相同，这就要求按照一定的原则来处理。

（1）管状对象监测。如果待监测的对象或其周围环境是管状的，例如电缆、管道、隧道等，可以将光纤敷设在其外表面，根据现场条件对其进行固定。若想进一步提高监测准确度，在条件允许的情况下，还可以把光纤嵌入到护套内或管子的内壁上，减少热量在传递中的损失。

（2）面状对象监测。典型的面状对象监测场景包括油罐、锅炉等，由于其表面曲率较小，可近似认为是平面结构。根据其外部形状的特点，将光纤紧紧贴在其表面上，尽可能增加接触面积，提高传热效率。

（3）立体对象监测。立体对象包括实心物体和室内空间两种情况，对于车间、大棚、仓库等室内空间的应用场景，可以将光纤立体地吊装在空间的不同位置，避免与其他物体接触；对于发电机定子、混凝土结构等实体的测温，可以将光纤嵌入到实体的线槽内，或预埋在混凝土中。如果测量空间过大，可以采用光纤切换器对同一台主机下的多路光纤进行扫描，提高系统的覆盖能力。

（4）测点的定位。在分布式光纤测温的一些特殊场景，有时候不仅需要测出测点所在位置的实际温度，而且还要知道测点的距离，例如电缆的接头处、易发热的部位等，此时可以将光纤的一段绕成圈，固定在需要定位的测点上，但注意绕圈的半径不能小于光纤的可弯曲半径。

4.3 光纤保护

无论采用哪种敷设方式，都要注意光纤的保护。由于光纤是采用石英拉制而成的，其直径非常小，很容易出现刮伤或折断，因此在敷设和使用过程中不能让外力损伤光纤，在转弯处尽可能增加弯曲半径，否则会增加光纤损耗，引起信号衰减且增加误差。光纤接头在对接之前必须保持清洁，做好接头的防护。

5 结语

分布式光纤测温技术是伴随着光纤和电子技术的发展而兴起的，近年来，各种光纤产品的综合性能不断增强，电子技术也更加先进，给分布式光纤测温系统的发展创造了良好的条件。由于分布式光纤测温技术的一系列优势，不难预测在未来的十几年内，光纤温度传感器技术将得到进一步的推广。