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分布式光纤测温技术

光纤通信技术发展过程中,人们发现激光信号在光纤中传播时,光信号受到了光纤周围环境的影响,在强度和频率等参数上发生了变化。随着光纤的进步发展,衍生出了光纤传感这一技术。光纤传感技术采用了光纤作为传感和通信媒介,十分适合实现分布式传感。

分布式光纤测温原理

根据激光在光纤中传播时散射光的类型来分类,可以分为基于瑞利散射效应,基于布里渊散射效应和的基于布里渊散射效应的三类。
从定位方式来看,可以分为光时域反射(Optical Time Domain Reflectometer,OTDR)技术和光频域反射(Optical Frequency Domain Reflectometer,OFDR)技术。由于瑞利散射效应的温度敏感性很低,基于该效应的分布式光纤测温系统逐渐被淘汰;基于布里渊散射效应的分布式光纤测温系统不但可以测量温度信息,还可以测量应变信息,因而得到了长足发展,但两种信息不能同时测量,且存在相互干扰的问题需要解决;由于拉曼散射效应的温度敏感性强,且基于该效应的分布式光纤测温系统结构较为简单,因而受到了人们关注,成为了最具实用意义的分布式测温技术。OFDR技术对激光源和探测器等硬件有很高要求,硬件性能是系统的空间分辨率和传感距离的决定性因素,相对于OTDR技
术来说成本更高,所以基于OFDR技术的分布式光纤测温系统有发展的前景,但实用性尚需提高。

分布式光纤测温技术

目前人们在研究的分布式光纤测温技术有多种类型,主要有基于拉曼散射效应和光时域反射技术的分布式光纤测温技术(ROTDR),基于拉曼散射效应和光频域反射技术的分布式光纤测温技术(ROFDR),基于自发布里渊散射效应和光时域反射技术的分布式光纤测温技术(BOTDR),基于受激布里渊散射效应和光时域反射技术的分布式光纤测温技术(BOTDA)和基于受激布里渊散射效应和光频域反射技术的分布式光纤测温技术(BOFDA)等。目前最具实用意义的ROTDR。

1977年,MK Barnoski 等人发明了光时域反射仪,通过对后向散射光的时域分析,给出了光纤衰减随长度的变化规律,用于检测光纤的传输衰减和故障定位 。1980年,英国Rogers首次提出了利用单模光纤的后向散射光的温度敏感特性测量沿线温度分布的方案。1983年,英国南安普顿大学的 Hartog 研制了使用液芯光纤的分布式光纤测温系统,在光纤长度为数百米的情况下,实现了分辨率为±2m,温度分辨率为±2℃。但是受限于液芯光纤的不便且温度测量范围较小,实用性有限,这种方法没有得到继续发展。经过改进,Hartog 将液芯光纤更换为固体光纤,光源采用了半导体激光器,研制出了基于拉曼散射效应的分布式光纤测温系统。1985 年,Dakin 也报道了相同原理的分布式光纤测温的实现,实验中他利用了氩离子激光器做光源,雪崩光电二极管做探测器,实现的空间分辨率为5m,温度分辨率为10℃。

对于基于ROTDR原理的DTS的商品化,最早是英国的York企业于 1987 年完成的。该企业的产品的传感距离2km,空间分辨率为 7.5m,温度分辨率为±2℃,温度测量范围为-50℃到 25℃。随后日本的藤仓企业于 90 年代推出的产品将空间分辨率提高为 3.5m。同时期德国的 GESO 企业凭借采用了光电倍增管的单光子计数器做为光电探测器,实现了 0.5m 的高空间分辨率。近年来的 DTS 产品主要以美国 Agilent 企业和英国 Sensornet 企业的产品为代表。其中美国 Agilent 企业的一系列产品测量测量距离从 2km 到 30km 不等,以适应不同应用场景的要求。空间分辨率为±1m,温度分辨率为±1℃。英国 Sensornet 企业的 Halo-DTS 型产品是目前国际最高水平,测量距离最高达到 60km,空间分辨率为±1m,温度分辨率为最高达到 0.01℃。

光纤联系

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