分布式光纤测温系统应用隧道电力电缆火灾报警

激光脉冲在光纤中传输时, 由于光纤存在的微观不均匀性会导致光在光纤中产生后向散射现象, 从而可以依据不同时间获取的不同强度的后向散射光来进行光纤的定位, 再讲光纤铺设至监测环境中即可以实现对监测环境中进行长距离的精确定位。

光在光纤中的散射光分为瑞利散射、布里渊散射、拉曼散射三种。其中瑞丽散射强度最强但其强度值对温度值不敏感, 因此无法用于温度监测;布里渊散射强度排列第二, 但是其强度对光纤的温度以及所受的应力有双重的敏感性, 且布里渊散射光的波段有一部分与瑞利散射的波段重合, 因此若使用布里渊散射监测温度, 不仅需要消除应力对光强的影响, 还要消除瑞利散射光对布里渊散射光的影响, 这对系统的硬件有着较高的要求以及后期软件中的数据处理带来较大的难度;拉曼散射在三种散射光中强度最弱, 但是其波段与瑞利散射和布里渊散射的波段相差较远, 不会受到其它两种散射光的影响, 并且拉曼散射光仅对温度有敏感性, 因此利用拉曼散射对温度的敏感并结合光时域反射技术即可以完成对整个光纤上的温度分布式测量。

拉曼散射, 是由于光纤纤芯介质材料成分起伏以及密度的微观变化等因素的影响, 介质分子与入射光子互相作用, 由于介质的非线性效应, 入射光光子与分子发生非弹性碰撞, 在碰撞的过程中, 光子与分子之间发生能量交换, 光子不仅改变了运动方向, 同时光子的部分能量传递给分子, 或分子振动的部分能量传递给光子, 从而改变了光子的频率。

基于后向拉曼散射的物理原理是光子和光纤分子的热振动相互作用发生能量交换, 如果一部分热振动转换为光能, 发出了一个比光源波长短的光, 成为反斯托克斯光, 如果一部分光能转换成了热振动, 则发出一个比光源波长长的光, 称为斯托克斯光。他们在频谱图上大致是对称分布的, 反斯托克斯光对温度的敏感度比斯托克斯光要大很多, 因此可以将斯托克斯光作为参考光, 反斯托克斯光作为信号光, 将两者进行对比即可得到温度的信号, 并通过光时域反射技术即可将温度与空间位置所对应, 实现分布式测温的目的。

两种光强比值为:

分别是Anti-Stokes和Stokes的光强, , 分别是他们的波长, h为普朗克常量, c为光速, 为拉曼频移波数, 为玻尔兹曼常数, T为绝对温度。

实际测量中, 这两种不同波长光的衰减差异和探测器对两种光的响应差异, 要通过设定定标区来消除, 一般定标区设置在光纤的前200m, 把它放入恒温箱作为参考光纤, 设置其温度为T₀, 则有。则在测温系统标定之后, 通过测定R (T) 就可确定沿光纤各测量点的温度值。

分布式光纤测温技术特点

分布式光纤测温技术应用于长距离场景其所拥有的优势是传统点式测温所无法企及的, 作为一种高新技术, 分布式光纤测温已经在水利交通、冶金化工得到了广泛的应用, 在电力电子方面在近些年来也得到了相应的关注。随着科学技术的发展, 对于传感技术的要求也会越来越高, 因此, 在整个分布式光纤测温系统中有仍然有许多技术要点需要得到关注并进一步优化, 如光源工作时中心波长、峰值功率、脉冲宽度的变化对采样的影响;更高的增益的运放电路;更快速地信号采集以及更加效率准确的温度解析算法等都需要得到进一步的改善优化。