光线测温技术简介及其应用

Posted 2022-12-23 无痕幽雨

一、光纤探温技术简介

光纤(Optic Fiber)全称为光导纤维，是一种常用的圆柱形介质波导材料。光纤传感技术实质是通过光纤通讯将光作为被测量的载体对目标进行检测。光纤传感技术具有与所测对象非接触性、测量的精度高和灵敏度高，而且反应速度快等特点。

图1 光纤内部结构图

光纤探温的特点：

1. 可以实现单点、多点和连续区域的测温；

2. 可以同时作为测温和传输的介质；

3. 拥有抗电磁干扰能力、抗腐蚀、绝缘性能好，安装方式灵活；

4. 可以与消防、报警系统等联动；

5. 可以远程传输数据，远程查看和操控；

6. 可以进行数据分析，故障点排查

光纤测温技术的分类：

根据应用场景不同，可以分为
1. 点式温度测量：在系统某些重点关注的地方部署单个温度探头进行测量。

2. 准分布式测量：电力系统生产中，需要对空域的温度梯度场分布进行测量，分布式温度测量的概念由此被提出。将单点式温度测量沿光纤传播方向串联，可形成覆盖多点温度探测的准分布式测量。

3. 完全分布式测量：光纤本身既可以作为光信号传输的通道，也可以作为温度敏感材料传导温度变化。分布式光纤测温系统可通过部署一台监控设备加上一根传感光纤实现。单位光纤长度的监控成本随着传感距离的增加而降低，是目前极具发展前景的工程测温方案。

点式测温技术主要包括：

1. 荧光辐射光纤温度传感技术：

在光纤末端镀上荧光物质，通过测量荧光能量衰减时间，利用荧光物质本征余晖时间温度相关性，可得出被测点的温度值。使用荧光效应的光纤温度传感器适用温度范围-50~200℃，精度约为±1℃。目前主要应用于电气设备内部测温。具有体积小，集成方便，性能可靠、抗电磁干扰，绝缘性能好，安装方便，组网灵活的特点。

2. 砷化镓光纤测温技术：

将砷化镓晶体材料嵌入光纤的远端作为温度探头，在光纤近端设备注入入射光。当传感器光源发出多波长入射光辐射到砷化镓晶体上时，砷化镓晶体材料在不同温度下会吸收不同波长的入射光，没有被吸收的波长的光则会被反射回设备。通过分析反射光的光谱，可以得到探头处的温度参数。

砷化镓光纤传感器的优点是通过绝对光谱测量获得探头温度，而并非通过温度变化量测量，因此不涉及现场定标，探头通用性好。另外，砷化镓传感器传感距离可以超过500m，光源寿命和在线检测长期稳定性超过30年，是一种比较好的点式光纤测温方案。

砷化镓光纤的成本较高。

准分布式光纤测温技术：

代表性方案为多个光纤光栅串联的测温系统。工作原理是沿光纤的纵向通过紫外光辐射，曝光刻蚀形成若干个不同中心波长的布拉格光纤光栅。每一个布拉格光纤光栅对特定的光波长是功率全反射。在光纤传播方向上将多个布拉格光纤光栅顺序串联，形成空间上离散的准空间分布测温系统。将一束包含多个波长的宽谱光注入光纤，光束经过一系列光纤布拉格光栅，每个光栅反射回与其波长对应的单色光信号。当光纤光栅所处的环境温度发生变化，光栅反射信号的波长也会发生变化。

这种光纤光栅式测温系统的缺点在于，光纤光栅的机械强度较低，在复杂工况下容易损坏，因此对光纤光栅传感器的可靠性有一定要求。波长解调的灵敏度也是一个问题，几十度的温升引起的反射光波长漂移不超过1nm。

其优点是探头体积小、光路可适当弯曲，抗电磁辐射，便于遥测。

光栅：指的是由大量等宽等间距的平行狭缝构成的光学器件。

布拉格光纤光栅：满足布拉格条件的在光纤的纤芯部分形成的光栅

布拉格条件：λ=2neffΛ

其中Λ为光栅周期，λ是真空波长，neff是光纤中光的有效折射率

温度变化会引起光纤周期和有效折射率的变化，通过分析反射波长的变化可得出温度变化。

分布式光纤测温技术：

单波长发射光入射到光纤后，从光纤返回的散射光包括3种频率分类，瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，其散射光强的分布如图。瑞利散射对温度不敏感，而拉曼散射和布里渊散射具有温度调制特性，可以作为分布式光纤测温的技术方案。

图2 光纤中的散射光强分布示意

分布式光纤测温技术的基本原理包括对反射光的时域或者频域分析。光时域分析反射(Optical Time-Domain Reflectometer，OTDR)的主要原理是将一束高功率的激光入射到光纤中，散射回来的光强随时间变化，得到相关物理量沿光纤传播方向的分布。光频域分析反射(Optical Frequency-Domain Reflectometer，OFDR)的原理是在光纤终端解析光的频域信息，区分出携带信息的信号光，对其进行分析得到温度的特征。

基于时域的拉曼测温方法中是通过分析两路光，一路是不随温度变化的参照光，一路是携带温度信号的光，比较它们的光强来得到光纤沿线的温度场分布。目前已研制出测温距离30km，空间分辨率3m，温度分辨率0.1℃，测温范围覆盖0~200℃的拉曼测温系统。

图3 光时域反射技术原理

基于频域的拉曼测温方法是利用网络分析仪解析频域信号，通过光纤的复基带传输函数进行温度的分布式测量，相较于时域分析的方法由更好的位置分辨率，理论上可以达到毫米级别。

基于时域的布里渊测温方式是在脉冲光和连续光信号的共同作用下，布里渊散射光会在另一路光的作用下被放大，通过检测布里渊散射光的强度变化，可以测算温度的变化。基于布里渊时域分析技术的光纤温度传感器的测量长度大于50km，温度分辨率1℃。

基于频域分析的布里渊测温系统是通过网络分析仪解析光纤的复基带传输函数，以及函数幅值和相位解调处温度信息。

二、光纤测温技术的应用

示例1 感温电缆在电力系统中的应用

图4 电缆光纤测温结构示意图

图5 电力开关柜分布式光纤测温预警系统示意图

分布式光纤光栅测温与报警系统主要由三部分构成，主要功能分别如下：传感器与光纤传输系统：由光纤传感单元、多路器、光端接线盒、熔断器、光纤等组成；

数据采集系统：由激光发生器、集成放大器、数采仪、标定系统、工控机等组成。

光纤测温系统能实现的功能：

1. 火灾自动报警：对光纤传感器检测的区域温度数据进行实时采集，存储和显示，并能对历史数据进行动态分析和追踪，一旦发现温度异常波动，可以自动发出火灾预警。

2. 监测点定位：图形化人机界面，显示监测位置；

3. 远程网络在线状态查询：温度和报警数据存在硬盘中，可以设置采样间隔，可以通过网络远程查看数据。

4. 可以设定不同的报警条件:如温度超过某一临界值，温升速率超过某个值，温度超过平均温度达到某个值；

5. 温度统计:可以温度数据进行统计分析

6. 系统联动：温度异常时可以报警，电话或者短信提醒；

7. 线路自检及故障定位：能够对温度异常的位置进行准确定位

8. 温度分布曲线

示例2：感温光纤测量供热管道是否发生泄漏

图6 感温光纤测漏缠绕方式结构

对于因阀门机械结构损坏或控制指令／反馈异常而引起管道介质在阀门处发生轻微泄漏的情况，通过光纤DTS技术测量阀门前后温差变化来间接进行监控。

在阀门法兰前后0.5~2m处(保证温度取样的精确度)，以直接贴近管外壁的螺旋状缠绕方式固定，实现360°监测阀门前后的管壁温度。判断条件：当阀门关闭后，两侧的温差小于某个值时，判断阀门出现泄露并报警。

示例3：感温光纤测量保温层保温效果

图7 感温光纤在管路的安装方式剖视图

判断条件：比较保温层原始温差和实时温差，当温差大于临界值时，判断保温失效并报警

光纤测温有几个重要的参数，包括测温范围、测量长度、温度分辨率和空间分辨率。通常来说，光纤测温的测温范围可从零度到数百摄氏度，光纤测温的测量长度较长，可达几km到几十km，温度分辨率从零点几度到几度不等，空间分辨率以m级居多。在储能系统中，m级的空间分辨率可以帮助系统识别到单个pack级别的温度异变，如果希望识别位置更加精确，那么就需要采用空间分辨率更高的光纤测温系统。

参考文献：

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[3]. 张琨鹏,富兆龙.分布式光纤测温传感技术的设计应用[J].通用机械,2018(09):54-56+58.

[4]. 邹墨. 光纤测温技术在电力系统中的应用[D].福州大学,2013.