分布式光纤温度传感器

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1、1．研究背景（执笔人：）温度是度量物体冷热程度的物理量，许多物理现象和化学过程都是在一定温度下进行，人们的日常生活也和温度密切相关。随着科学技术的迅猛发展，对温度的测量也提出了更多更高的要求。以电信号为工作基础的传统的温度传感器，如热电偶、热敏电阻、热释电探测器等温度传感器的发展已经非常成熟，但在有强电磁干扰或易燃易爆的场合下，基于电信号测量的传统温度传感器便受到很大的限制。光纤温度传感与测量技术是仪器仪表领域重要的发展方向之一。由于光纤具有体积小、重量轻、可挠、电绝缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀、测量范围大、灵敏度高等特点，对传统的传感器特别是温度传感器能起到扩展提高的

2、作用，完成前者很难完成甚至不能完成的任务。光纤传感技术用于温度测量，除了具有以上特点外，与传统的温度测量仪器相比，还具有响应快、频带宽、防爆、防燃、抗电磁干扰等特点。在科研和工程技术中，有许多场合需要确定温度的分布,例如长距离输油管道、通信电缆或电力电缆等管道的沿线温度场分布，大型电力变压器内部的温度场分布等。传统的电温度传感器不能工作在强电磁环境中，也不宜在易燃、易爆环境或腐蚀性环境中工作，对于采用点式温度传感器实现温度的分布测量还存在难于安装、难于布线、难于维护的问题。分布式光纤温度传感器可实现沿光纤连续分布的温度场的分布式测量，测试用光纤的跨距可达几十千米，空

3、间分辨率高、误差小，与单点、多点准分布测量相比具有较高的性格比。与传统的传感器相比，分布式光纤温度传感器具有诸多优点：集传感与传输于一体，可实现远距离测量与监控；一次测定就可以获取整个光纤区域的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被设区域的二维和三维分布情况；能在一条长达数千米的传感器光纤环路上获得几十、几百甚至几千条信息，因此单位信息成本显著降低；测量范围宽，具有高空间分辨率和高精度；在具有强电磁干扰或易燃易爆以及其他传感器无法接近的恶劣环境下，分布式光纤温度传感器具有无可比拟的优点。因此，自20世纪80年代以来，人们对实现分布式光纤温度传感器的各种技术展开了

4、广泛研究。分布式光纤温度传感器系统的信号通道和传感器全部用光纤实现，因而具有光纤传感器的所有特点。它最显著的特点还在于网络化传感方向，即把传感光纤或光纤传感器回路沿作用场压力、温度、应变等分布排列，并采用独特的探测技术，对回路场上的空间分布和随时间变化的信息进行测量和监控，因而可以实现长距离、大范围、高密度的监测，系统具有无法比拟的性价比。20世纪70年代提出的基于OTDR的瑞利散射系统的分布式光纤温度传感器经历了基于OTDR的喇曼散射和基于OTDR的布里渊散射系统，使得测温精度和范围大幅提高。已经显示出很大的优越性，但它们离工业实用化还有很长的一段距离。另外，OF

5、DR是20世纪90年代以来的一个新技术，以及随着喇曼散射和布里渊散射强散射研究的深入，OFDR与其集成日益显示出其在测量精度、测量范围和测量速度方面的优越性。除了基于OTDR的喇曼散射型温度传感器外，其他几种分布式温度光纤传感器离工业实用化还有很长的一段距离，所以基于OTDR和OFDR的分布式温度光纤传感器仍将是研究的热点，尤其是基于OFDR的新型分布式光纤传感器将是一个重要的发展方向。对该技术发展重点关注一下几个方面：（1）现实单根光纤上多个物理参数（温度和应变）或化学参数的同时测量；（2）提高信号接收和处理系统的检测能力，提高系统的空间分辨率和测量不确定度；（3

6、）提高测量系统的测量范围，减少测量时间；（4）基于二维或多维的分布式光纤传感网络将成为光纤传感器的研究方向。分布式光纤温度传感系统可以解决一些常规温度传感器难以解决的问题，主要应用于以下几个方面：煤矿、隧道的灾害防治以及其报警系统；高层建筑、智能大厦、桥梁、高速公路等灾害性在线、动态检测、防护及报警；地下河架空高压电力电缆的热点检测和监控；各种大、中型变压器、发电机组的温度分布测量、热保护和故障诊断；火力发电所的配管温度、供热系统的管道输油管道的热点检测和故障诊断；油库、油罐、危险品仓库、大型仓库和大型轮船的货仓火灾及报警系统；化工生产过程的在线、动态检测；特别值得

7、提出的是，把分布式光纤温度传感器埋入材料结构中，组成智能材料结构可以实现材料本身的实时自检测和自诊断，用于航空、航天飞行器的在线、动态检测和机器人的神经网络系统。这种西欧年的学术思想将会使材料与工程科学产生革命性的变化，尤其是在航空航天的现代化工程领域具有特别重要的意义和广阔的前景。自1988年开始国际光学工程协会将光纤智能结构的研究列入专题讨论会，这种智能结构系统已被美国联合研究开发中心用于计划中的空间站，以实现对空间站结构整体温度的分布式控制。因此，通过改善分布式光纤温度传感器信号处理方式来提高整个系统的测温精度具有十分重要的意义。它能使分布式光纤温度传感器