光纖溫度傳感器工作原理及實際應用分析

摘要：文章在分析DTS分布式光纖傳感器系統的邏輯組成和工作原理后，詳細介紹了基于分布式光纖溫度傳感器和光纖光柵溫度傳感器測溫系統對在電力系統各重要電氣設備進行溫度安全監測中的應用。

關鍵詞：光纖溫度傳感器；DTS；電力溫度監測

中圖分類號：TP212文獻標識碼：A文章編號：1006-8937（2011）20-0082-01

溫度是工程應用領域中重要的檢測和監控對象，對于一個內部結構復雜、涉及點面較多的復雜系統而言，要獲得一個準確且具有一定監測對象范圍跨度的實時溫度信息（或監測對象分布的應用應變特性），采用常規的單點移動式或由多個獨立單點相互結合組成的準分布式溫度傳感器側空虛體統，不僅會由于數據采集的延時性降低溫度測量數據的準確度，同時還會由于復雜的接線使整個系統布線變得非常困難，這時選用分布式光纖溫度傳感系統（Distributed Temperature Sensing，DTS）就是一種非常有效的方法，非常適合冶金、化工、電力等惡劣環境場合中的實時溫度測量和監控，具有相當大的研究意義。

1DTS分布式光纖傳感器系統

DTS 分布式光纖傳感器系統是一款結構較為復雜的工業應用領域溫度在線檢測和控制產品，其非常適用于環境較為惡劣、干擾對象較多、監測范圍跨度較大的重要工農業應用產生中的溫度實時準確檢測和控制。

1.1DTS系統組成

DTS分布式光纖傳感器系統主要包括傳感光纖、光路模塊、電路模塊、高級應用軟件、以及一些輔助的外圍集成電路設備，其邏輯組成結構如圖1所示。

從圖1可知，DTS系統在運行時，首先由電路模塊中得控制及信號處理電路將對應的控制信號通過驅動電路驅動半導體激光器發生對應的高速脈沖信號，然后經過光路模塊中得激光脈沖耦合形成對應的光纖信號，并經分光光路轉換后進入到傳感光纖中，再經探測器、探測電路、高速采集電路等將光纖傳感器中的溫度信號返回到系統的控制及信息處理電路中，完成對監測對象溫度信號的采集。通過半導體激光器產生的激光脈沖在進入到傳感光纖后，就會通過分光耦合特性發生背向散射光，其所產生散射光主要有三個波長的背向散射光，分別為Anti-Stokes（反斯托克斯）光、Rayleigh（瑞利）光、以及Stokes（斯托克斯）光。三種背向散射光中，Anti-Stokes具有溫度敏感個性，為溫度信號光；而Stokes光對溫度信號不敏感，為系統中得參考光。從系統傳感光纖中返回的探測器中的背向散射光經分光光路、光濾波器濾波后，可以將Stokes光波和Anti-Stokes光波有效分離，然后再經 APD 探測器接收后，經探測電路等放大電路處理后由高速數據采集模塊進行自動采集，并經接口電路上傳到客戶PC機上，完成對系統溫度信號、溫度分布曲線、波動曲線等的動態顯示。

1.2分布式光纖傳感器測溫原理

從圖1可知，DTS測溫系統主要采用拉曼分布式光纖溫度傳感器作為其溫度信號載體，其在實際測溫過程主要利用了基于光纖中的自發拉曼散射溫度效應原理，即采用具有OTDR技術的分布式光纖傳感器檢測技術來實現對有一定跨度的分布式溫度信號進行動態測量分析。分布式光纖傳感器的測溫機理是依據后向拉曼散射光譜的溫度響應效應。當DTS系統中得雪崩二極管（APD）在運行時探測到的Anti-Stokes反斯托克斯光散射信號非常微弱時，就會自動輸出幅值僅為幾十納伏的信號電壓，加上光信號在耦合、濾波、以及分光轉換等環節中均可能出現一定光能量的損失，這樣在溫度信號采集過程中就可能出現溫度信息被淹沒或存在隨機噪聲的不利工況。因此在DTS系統中采用了微弱信號放大過濾處理技術來處理系統中可能存在的噪聲等干擾信號，消除系統中Stokes斯托克斯光波和Anti-Stokes反斯托克斯光波信號在系統采集、傳輸過程中引起的溫度信號測量誤差。DTS系統中采用設置定標區技術方法來小城系統中Anti-Stokes光波和Stokes光波信號中可能存在的干擾分量，降低由于散射系數、光濾波因子、以及APD探測器響應度差異等因素對系統溫度信號測量結果的影響，從而獲得較為準確的溫度信號。DTS系統中分布式光纖傳感器的溫度信號測量公式為：

=-ln[]（1）

式（1）中，h為普朗克系統；c為光波光速；為光波波數傳輸過程中得偏移量；k為波爾茲曼系數；為提供溫度精確度的定標區溫度值；T為DTS系統采集到的絕對溫度值。

從大量文獻資料可知，目前基于分布式光纖傳感器的DTS測溫系統，其測量距離最長以及可以高達30 km，其測量精度也可以達到0.5℃范圍內；溫度信號空間定位精度則最高可以達到0.25 m范圍內，對應其溫度信號的分辨率最高也可以達到0.01℃范圍內，大大提高了惡劣環境中溫度信號的檢測和控制精度。

2分布式光纖傳感器在工程中的實際應用

DTS測溫系統在各行各業特殊惡劣環境過程控制中發揮著非常重要的作用。本文將對DTS系統在電力行業中的溫度測控應用進行分析。電力系統中是一個復雜電、磁、熱等相互交融的復雜環境，有很多高壓電氣設備需要動態監測器溫度信號，以保障其安全穩定、節能經濟的高效運行。分布式光纖傳感器在電力系統中的應用大多是根據電氣設備溫度信號監測技術手段的不同，將分布式光纖溫度測溫儀與光纖光柵測溫儀相互結合構筑完善的測溫控制系統，其具體邏輯組成結構示如圖2所示。

從圖2中可知，由于供配電系統中電纜分布較為分散且需要進行溫度監測點較多，因此現場工程機1選用基于分布式光纖傳感器的測溫儀；而變壓器、開關設備等一次設備布設較為集中，因此，現場工程機2選用基于光纖光柵傳感器的測溫儀，這樣可以大大提高光纖溫度傳感器測溫系統的技術經濟效益。利用分布式光纖溫度傳感器和光纖光柵溫度傳感器相結合組成的測溫系統在電力系統中溫度監測應用領域發揮著非常重要的作用，不僅具有非常良好的屏蔽性能能夠有效避免電力系統中強大的電磁場和溫度場的干擾，同時還具有耐高壓、耐輻射等優點，能夠有效提高電力系統測溫系統運行經濟可靠性。

3結語

基于分布式光纖溫度傳感器和光纖光柵溫度傳感器的測溫系統在電力系統中發揮著非常重要的安全監測作用，實現了發電廠、變電站、甚至區域范圍內供配電系統重要電氣設備的溫度在線實時監控，為全廠（站）安全監測控制提供了重要溫度信號，便于運行人員及時發現安全隱患，確保整個電力生產安全穩定、節能經濟的高效運營，具有非常大的應用發展前景和研究意義。

參考文獻：

[1] 楊國平，支元彥，戴銀祿.分布式光纖測溫系統在變電站溫 度監控中的應用[J].電氣開關，2006(5):39-41.