分布式多点温度测量

物理学、化学、医学、生物学等自然科学领域的各种现象中，温度是一个非常重要的物理量。在食品和饮料加工、塑料生产、金属加工等各个行业都需要监测和控制温度。为了能够测量温度，可以根据给定测量的适用性采用各种类型的设备，包括热电偶、电阻温度检测器、热敏电阻、红外辐射温度计和加热标签。通常需要使用具有相同性能水平的相同类型的温度测量设备同时测量多个点的温度。

如果测量点分布较远，则可以采用基于光纤的传感器，作为在多个分布点进行温度测量的最合适设备之一。基于光纤的传感器具有许多优点，例如体积小、灵活性好、远程操作、抗电磁场和射频干扰以及能够在恶劣环境中运行。已经开发了各种基于光纤的温度传感器，据报道它们可以使用光纤布拉格光栅测量温度(FBG)、红外 (IR)光纤或可以改变其物理特性（包括颜色、吸光度和反射率）的特殊材料，作为温度的函数. 然而，上述基于光纤的温度传感器即使使用长光纤，也不适合监测分布广泛的多点温度。在某些情况下，需要同时测量相距数百米或数公里的点的温度。例如，有必要测量或监测难以接近的危险环境（如核电站、放射性废物场和化工厂）的温度。

在这项研究中，我们开发了一种基于硅油的多通道光纤温度传感器系统 (FTSS)，使用光时域反射计(OTDR) 来同时测量多个任意点的温度。OTDR 是一种光电仪器，可用于表征光纤并揭示光纤通信网络中的光纤断裂位置。作为 FTSS 的一部分，OTDR 可用作光源和光学测量设备。它可以测量多个不同的光信号，这些光信号随着分布在多个点上的温度变化而同时产生。我们测量并分析了光功率 FTSS 的四个通道，以便使用 OTDR 同时确定四个不同点的各个温度。

材料和方法
对于实时同步温度测量，我们开发了多通道 FTSS。它由光纤温度传感探头、光纤耦合器、传输光纤和 OTDR 组成。感温探头由感温材料、镀镍黄铜帽、光纤通道（FC）端接器和单模光纤组成，如图1所示。作为感温材料，我们使用了硅油（KF-54，Shin-Etsu），其折射率随温度变化而变化。此外，它还表现出温度稳定性、良好的传热特性，在-35°C至250°C的温度范围内表现非常明显。镀镍黄铜帽，具有非常好的导热性, 用于增加温度敏感性，镀镍可以防止外部污染物引起的腐蚀。圆柱形镀镍黄铜帽的高度为 13.0 毫米，帽的外径和内径分别为 9.0 和 6.1 毫米。为了将光纤简单准确地连接到光学仪器（如 OTDR 和光纤耦合器），我们采用了 FC 端接器（30126C3，Thorlabs Inc.），这有助于通过镀镍进行快速简单的操作黄铜帽，由于内部凹槽的螺旋结构。为了将光信号从温度传感探头传输到 OTDR，我们使用了具有纤芯/包层结构的单模光纤（980HP，Thorlabs Inc.）。单模光纤的外径为 245 µm，由折射率为 1.402 的氟化聚合物制成。纤芯直径为 3.6 µm，由折射率为 1.46 的二氧化硅制成。

在本研究中，OTDR（AQ7275-735041，Yokogawa Inc.）用作光源和光测量设备。常用于光通信领域中埋地光线路故障点的测量。它可以测量和显示由沿光纤的端点散射（瑞利反向散射）或反射（菲涅耳反射）的光产生的一系列光脉冲。OTDR 的优势在于它可以同时实时测量多个光信号，并将光纤的长度延长到数百公里。

我们使用 OTDR测量了反射光（菲涅耳反射）的光功率。菲涅耳反射是部分入射光在具有不同折射率的两种介质之间的离散界面处的反射。在 FTSS 中，菲涅耳反射是在硅油与传感探头远端单模光纤纤芯的界面处产生的。反射光（菲涅耳反射）的强度比为：
(1)
其中 R 是反射系数，并且 和 分别是单模光纤纤芯和硅油的折射率。硅油的折射率与菲涅耳反射强度（方程（1））之间的相关性随温度而变化，如图2所示。

硅油的折射率随着温度的升高而降低，接近单模光纤纤芯的折射率值，导致菲涅耳反射强度降低。因此，菲涅耳反射量随着硅油温度的降低而增加。因此，可以通过测量反射光的光强来确定任意点的温度，这与硅油的折射率变化直接相关。

用于评估温度传感探头的实验装置。一旦将具有温度感应探头的四个通道放入四个烧杯中，每个烧杯中的水温就可以使用加热板（Combi mantle，Global Lab）独立控制和保持。使用热电偶（54II温度计）测量水温, Fluke)，用作参考温度计。在四个通道中使用热电偶测量的温度和使用 OTDR 的光功率进行比较和分析，以确定四个烧杯中的水温。一个 1 × 4 光纤耦合器（FCQ1315-FC，Thorlabs Inc.）用于将来自 OTDR 的光源信号分配到温度传感探头，以及收集和传输来自探头的菲涅尔反射信号到OTDR。

分布式光纤测温系统特点:

分布式实时测量，覆盖100%探测区域，精确定位火灾发生位置；

测量距离长，测量信息丰富；

测量精度高，响应速度快；

可靠性高，误报率低；

报警方式灵活，可实现差定温多级报警方式，确保火灾初期可靠报警；

探测光缆既是信号传输载体，又是感温元件，安装方便；

光信号测量，本质安全，抗电磁干扰，适合易燃易爆环境下长期工作；

探测光缆寿命长，后期维护成本低。