分布式溫度傳感系統(tǒng)--基本知識(shí)
光纖傳感器與傳統(tǒng)傳感器相比有著巨大的優(yōu)點(diǎn):光纖具有電絕緣性、耐腐蝕、信號(hào)傳輸距離長(zhǎng)、損耗低等固有屬性,由光纖傳感器組成的系統(tǒng)可以抗雷電,并且不受強(qiáng)電磁場(chǎng)、高壓、大電流的干擾;由于光纖本身比較柔軟,所以可以將光纖植入到實(shí)際的應(yīng)用環(huán)境, 這有效的解決了傳統(tǒng)傳感器不能提供應(yīng)用場(chǎng)合的瓶頸,為工程提供了一個(gè)可行、可靠的解決方案,這是傳統(tǒng)傳感器的。
分布式光纖傳感器與光纖光柵傳感器相比也有眾多優(yōu)勢(shì),主要體現(xiàn)在:分布式光纖傳感器可以沿著光纖感溫,它可以應(yīng)用于工程中以線、面甚至立體組成的感溫系統(tǒng);而光纖光柵是單點(diǎn)式的, 光纖光柵的每個(gè)探頭都需要進(jìn)行特殊保護(hù), 因而,光纖光柵系統(tǒng)往往總體造價(jià)較高、工程安裝也不那么方便。在很多場(chǎng)合,分布式溫度傳感器是光纖光柵傳感器理想的替代品。
DTS 分布式溫度傳感系統(tǒng)(DTS, distributed temperature sensing)是根據(jù)激光脈沖在光纖中傳輸產(chǎn)生非線性散射效應(yīng)來(lái)檢測(cè)的,它的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù)分別是拉曼散射效應(yīng)(Raman Scattering Effect)和光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR, Optical Time Domain Reflectometer), 早在1981年英國(guó)的SouthHampton大學(xué)研究組就進(jìn)行了相關(guān)研究, 近年內(nèi),隨著激光技術(shù)、光信號(hào)探測(cè)與處理技術(shù)的提高,產(chǎn)品和相應(yīng)技術(shù)日趨成熟,分布式溫度傳感系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域越來(lái)越廣。 我公司就是結(jié)合當(dāng)今流行技術(shù),從而開(kāi)發(fā)出性、可靠性的分布式溫度傳感系統(tǒng)產(chǎn)品。
下面介紹一下DTS系統(tǒng)的兩個(gè)關(guān)鍵技術(shù):
1. 拉曼散射效應(yīng)(Raman Scattering Effect)---實(shí)現(xiàn)測(cè)溫
在光脈沖入射到傳感光纖后,光子在光纖中的傳播由于受到光纖的密度、應(yīng)力、光纖中的參雜、溫度、彎曲變形等因素的影響,有一部分的散射光會(huì)沿入射光反向的方向傳播,稱之為背向散射光。在背向散射光中,根據(jù)反射光的頻率特性,可以分成下列幾種:
瑞利(RayLeigh)散射:占散射光的主要成分,是由光纖折射率的微小變化引起的,其頻率和入射光一致;
布里淵(Brillouin)散射:由光子與光纖內(nèi)彈性聲波低頻聲子相互作用引起,其頻率與入射光脈沖相差11GHZ左右。在光纖中波長(zhǎng)變化約為0.88nm,光強(qiáng)度與瑞利散射光相比約-15db。布里淵散射可用來(lái)測(cè)量溫度和應(yīng)變。
拉曼(Raman)散射:是由光子與光聲子相互作用引起的,其頻率與入射光相差13.2THZ左右。光強(qiáng)度與瑞利散射光相比約為-30db(1000分之一),是一種非常微弱的信號(hào)。拉曼效應(yīng)僅僅可用來(lái)測(cè)量溫度。
在實(shí)際測(cè)量中,可以得到經(jīng)光電轉(zhuǎn)換后的電平值,就能由上式求溫度T。經(jīng)過(guò)理論計(jì)算得到溫度與拉曼散射強(qiáng)度比的關(guān)系。h是波朗克(Planck)常數(shù),h=6.626 068 76.52×10-34J.s(1998年基本物理常數(shù)數(shù)據(jù)), 是一光纖分子的聲子頻率為13.2THz,k是波爾茲曼常數(shù),k=1.380 650324×10-23JK-1,T是凱爾文(Kelvin)jue對(duì)溫度,T0是定標(biāo)光纖的溫度。
被測(cè)光纖的溫度和拉曼(Raman)散射的Stokes及Anti-Stokes的光強(qiáng)關(guān)系如下:
2. 光學(xué)時(shí)域反射測(cè)量技術(shù)(OTDR)---實(shí)現(xiàn)定位
光學(xué)時(shí)域反射器(OTDR)是用于檢測(cè)光纖損耗、定位光纖故障的常用設(shè)備,它廣泛用于通訊工程的光纜鋪設(shè)上,是光纖的定位雷達(dá)。其工作原理是通過(guò)向被測(cè)光纖發(fā)射光脈沖, 通過(guò)檢測(cè)背向散射的瑞利散射在不同時(shí)域的光強(qiáng),從而得到在光纖空間上的損耗定位;定位的距離和時(shí)域關(guān)系如下:
D= c×t / 2×n
其中,c是光在真空中的速度,t是光信號(hào)發(fā)出后到散射信號(hào)接收回來(lái)的時(shí)間,n是光纖的折射率。所以,通過(guò)采集和分析光脈沖從光纖的一端注入后在光纖內(nèi)傳播時(shí)產(chǎn)生的Raman背向光的時(shí)間各強(qiáng)度信號(hào),得到相應(yīng)位置的溫度信息, 從而就可以得到沿光纖整根的不同位置的溫度曲線。