分布式光纖測溫系統的原理及應用

張建華

（新疆油田公司百口泉采油廠，新疆克拉瑪依 834000）

0 引言

溫度監測技術在工業、農業、環保、科研等領域有著廣泛應用，但傳統的溫度監測系統存在著線路復雜、易受干擾、安全性低、監測范圍小等缺點，很難滿足各領域的測溫需求。隨著電子技術的進步，各類溫度傳感器無論是靈敏度、分辨率、響應范圍還是性價比等方面的指標都有了很大的進步，基本滿足對常規溫度監測的要求。光纖傳感器是以光纖通信、光譜分析等技術為基礎的新型傳感器，具有體積小、靈敏度高、抗干擾能力強等優勢。光纖溫度傳感器是應用最廣泛的光纖傳感器之一，具有耐腐蝕、耐高溫、抗干擾、結構緊湊、精度高、適合遠距離傳輸等特點，可以滿足溫度的實時監測要求。

1 分布式光纖溫度傳感系統原理

1.1 分布式光纖溫度傳感器

分布式光纖溫度傳感器是采用若干光纖溫度傳感器，根據一定的布點規律進行安裝測溫，得到特定空間區域內的溫度分布情況的一種測溫技術。該項技術的主要原理是光波在光纖介質內傳輸時可以產生后向散射，而散射能量與介質溫度有關，通過檢測散射光的特性即可算出環境溫度值（圖1）。

圖1 分布式光纖溫度傳感系統原理

在實際應用中，光源通常采用高能量的激光脈沖，注入光纖后，激光會不斷產生后向散射，當溫度發生改變時，散射的結果也會有所不同，通過光電探測器接收散射光，并經過波分復用、檢測解調等處理，由信號處理單元計算出實際的溫度值。根據光纖中的光速和回波到達時間，還可以對測點進行精確定位。

1.2 分布式光纖測溫系統原理

分布式光纖測溫系統主要由分布式光纖溫度傳感器、控制主機、信號處理單元、激光光源、光電探測器、波長檢測器等部分構成。由主機的控制程序對多個光纖溫度傳感器進行掃描，各傳感器都會產生一定能量的反向散射光，在光電探測器接收到反射光后，首先對反射光進行窄帶掃描，被掃描的光波段被接收器接收后轉換為光譜分布，該光譜分布實際上受到波長的調制。

將光譜分布轉換為電流信號，該電流的大小可以直接表征光強的大小，但電流值通常是非常微弱的，還需要通過放大電路進行放大。經過放大并整形的電流信號被轉換成脈沖電壓，該脈沖電壓由信號處理單元進行接收并鎖定其上升沿和下降沿，在此期間采用計時器進行計數，根據計時中斷信號被觸發時的計數值，即可得到傳感器的標定曲線，從而計算出反射波的中心波長和波長變化量，并演算出環境溫度的真實值。

2 系統主要功能分析

分布式光纖測溫系統通過對測點的實時監測，可以實現對測點過熱故障或火災的早期預測，防患于未然。當測點出現過熱或火災時，光纖傳感器可以實時傳回測量數據，由主機控制的測溫軟件系統會根據告警閾值決定是否告警，當測量溫度高于設定閾值時將會發出告警信息，并根據回波接收的時間準確定位過熱位置，指導檢修工作。系統配備了顯示器，可以對測點的布置和各測點的實時狀態進行監視。測溫系統通過以太網接入局域網絡，可以與其他信息化平臺實現互聯互通，達到平臺間的數據共享。

3 分布式光纖測溫系統的應用優勢

3.1 大范圍、高密度測量

分布式光纖測溫系統可以將成百上千個傳感器串接在一起，對沿線幾千米范圍內的測點進行實時監測。測點的布置密度可達米級，測量精度在1 ℃以內，特別適用于大范圍的多點測溫應用場景，例如電力傳輸線路溫度實時監測、大型廠房溫度實時監測等。

3.2 實現光電隔離、抗干擾

分布式光纖測溫系統采用普通光纖作為傳感介質，控制主機和現場各測點之間只有光學連接，沒有電氣連接，避免了各測點對電源的依賴，也避免了沿線電子設備對測量過程的干擾。由于光纖的傳輸損耗極低，光信號傳輸的距離很遠，無需中繼設備，精簡了系統的結構和安裝難度。

3.3 在線自動測量

在一些邊遠地區或生產流水線，要求系統能夠進行實時測溫。分布式光纖測溫系統由于采用光學測量原理，通過光電探測器和信號處理算法，可以實時完成對各測點反射波的光譜分析并計算實時溫度，可以很方便地進行自動化控制，滿足在線自動測量的要求。

4 系統安裝和部署要點

4.1 主機安裝

測溫系統本身對溫度的變化非常敏感，溫度的異常變化可能增大測量誤差。因此，分布式光纖測溫系統的主機和控制計算機應安裝在環境比較穩定的監控室或中心機房中，其中主機的最佳工作溫度為10～35 ℃、濕度≤70%。如果由于特殊情況不能滿足以上環境要求，則主機在使用之前必須進行重新標定。

4.2 光纖敷設

在分布式光纖測溫系統中，光纖傳感器數量較多，因此光纖傳感器的安裝占據了整個系統安裝部署的絕大多數時間。為了滿足大范圍、高密度的溫度監測，光纖的敷設必須保證質量，但不同應用場合的光纖敷設方案也不盡相同，這就要求按照一定的原則來處理。

（1）管狀對象監測。如果待監測的對象或其周圍環境是管狀的，例如電纜、管道、隧道等，可以將光纖敷設在其外表面，根據現場條件對其進行固定。若想進一步提高監測準確度，在條件允許的情況下，還可以把光纖嵌入到護套內或管子的內壁上，減少熱量在傳遞中的損失。

（2）面狀對象監測。典型的面狀對象監測場景包括油罐、鍋爐等，由于其表面曲率較小，可近似認為是平面結構。根據其外部形狀的特點，將光纖緊緊貼在其表面上，盡可能增加接觸面積，提高傳熱效率。

（3）立體對象監測。立體對象包括實心物體和室內空間兩種情況，對于車間、大棚、倉庫等室內空間的應用場景，可以將光纖立體地吊裝在空間的不同位置，避免與其他物體接觸；對于發電機定子、混凝土結構等實體的測溫，可以將光纖嵌入到實體的線槽內，或預埋在混凝土中。如果測量空間過大，可以采用光纖切換器對同一臺主機下的多路光纖進行掃描，提高系統的覆蓋能力。

（4）測點的定位。在分布式光纖測溫的一些特殊場景，有時候不僅需要測出測點所在位置的實際溫度，而且還要知道測點的距離，例如電纜的接頭處、易發熱的部位等，此時可以將光纖的一段繞成圈，固定在需要定位的測點上，但注意繞圈的半徑不能小于光纖的可彎曲半徑。

4.3 光纖保護

無論采用哪種敷設方式，都要注意光纖的保護。由于光纖是采用石英拉制而成的，其直徑非常小，很容易出現刮傷或折斷，因此在敷設和使用過程中不能讓外力損傷光纖，在轉彎處盡可能增加彎曲半徑，否則會增加光纖損耗，引起信號衰減且增加誤差。光纖接頭在對接之前必須保持清潔，做好接頭的防護。

5 結語

分布式光纖測溫技術是伴隨著光纖和電子技術的發展而興起的，近年來，各種光纖產品的綜合性能不斷增強，電子技術也更加先進，給分布式光纖測溫系統的發展創造了良好的條件。由于分布式光纖測溫技術的一系列優勢，不難預測在未來的十幾年內，光纖溫度傳感器技術將得到進一步的推廣。