分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)依據(jù)后向散射原理可以分為三種：基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里淵散射。目前發(fā)展比較成熟，且有產(chǎn)品應(yīng)用于工程的是基于拉曼散射的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)。它的傳感原理主要依據(jù)的是光纖的光時(shí)域反射(OTDR)原理和光纖的后向拉曼散射溫度效應(yīng)。

分布式光纖測(cè)溫

一、引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，電力系統(tǒng)正在朝著超高壓、大電網(wǎng)、大容量、自動(dòng)化的方向發(fā)展，一旦發(fā)生事故便會(huì)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)造成巨大損失。如何對(duì)正在運(yùn)行的電力設(shè)備進(jìn)行在線(xiàn)監(jiān)測(cè)并進(jìn)行安全預(yù)測(cè)和溫度變化趨勢(shì)分析？如何通過(guò)實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)對(duì)設(shè)備質(zhì)量、運(yùn)行環(huán)境、運(yùn)行方式、設(shè)備老化、負(fù)荷不平衡等進(jìn)行科學(xué)分析？這些都是電力系統(tǒng)中迫切需要解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的紅外測(cè)溫儀、紅外成像儀、感溫電纜、熱電阻式測(cè)溫系統(tǒng)等只能對(duì)電力系統(tǒng)的局部位置進(jìn)行測(cè)溫，無(wú)法為安全、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行、高效檢修提供科學(xué)依據(jù)。而分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多點(diǎn)、在線(xiàn)的分布式測(cè)量，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)行設(shè)備的實(shí)時(shí)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，有效地解決了長(zhǎng)期以來(lái)現(xiàn)場(chǎng)出現(xiàn)的高溫、燃燒、爆炸、火災(zāi)等事故應(yīng)急不備的問(wèn)題。在電力系統(tǒng)中，這種光纖測(cè)溫技術(shù)在高壓電力電纜、電氣設(shè)備因接觸不良引起的發(fā)熱部位、電纜夾層、電纜通道、大型發(fā)電機(jī)定子、大型變壓器、鍋爐等設(shè)施的溫度定點(diǎn)傳感場(chǎng)合具有廣泛的應(yīng)用前景。

二、分布式光纖測(cè)溫的基本原理

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)依據(jù)后向散射原理可以分為三種：基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里淵散射。目前發(fā)展比較成熟，且有產(chǎn)品應(yīng)用于工程的是基于拉曼散射的分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)。它的傳感原理主要依據(jù)的是光纖的光時(shí)域反射(OTDR)原理和光纖的后向拉曼散射溫度效應(yīng)。

(一)光時(shí)域反射(OTDR)原理

當(dāng)激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖中存在折射率的微觀(guān)不均勻性，會(huì)產(chǎn)生散射。在時(shí)域里，入射光經(jīng)后向散射返回到光纖入射端所需時(shí)間為t，激光脈沖在光纖中所走過(guò)的路程為2L，其中v為光在光纖中的傳播速度、C為真空中的光速，n為光纖折射率。在測(cè)得時(shí)刻t時(shí)，就可求得距光源L處的距離。

(二)光纖的后向拉曼散射溫度效應(yīng)

當(dāng)一個(gè)激光脈沖從光纖的一端射入光纖時(shí)，這個(gè)光脈沖會(huì)沿著光纖向前傳播。由于光脈沖與光纖內(nèi)部分子發(fā)生彈性碰撞和非彈性碰撞，故光脈沖在傳播中的每一點(diǎn)都會(huì)產(chǎn)生反射，反射中有一小部分的反射光，其方向正好與入射光的方向相反(亦可稱(chēng)為后向)。這種后向反射光的強(qiáng)度與光線(xiàn)中的反射點(diǎn)的溫度有一定的相關(guān)關(guān)系。反射點(diǎn)的溫度(該點(diǎn)光纖所處的環(huán)境溫度)越高，反射光的強(qiáng)度也越大。利用這個(gè)現(xiàn)象，若能測(cè)出后向反射光的強(qiáng)度，就可以計(jì)算出反射點(diǎn)的溫度，這就是利用光纖測(cè)量溫度的基本原理。

如用公式來(lái)表達(dá)：當(dāng)激光脈沖在光纖中傳播時(shí)與光纖分子相互作用，會(huì)發(fā)生瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射，其中拉曼散射是由于光纖分子的熱振動(dòng)和光子相互作用發(fā)生能量交換而產(chǎn)生的。如果一部分光能轉(zhuǎn)換成熱振動(dòng)，那么將發(fā)出一個(gè)比光源波長(zhǎng)長(zhǎng)的光，稱(chēng)為斯托克斯光；如果一部分熱振動(dòng)轉(zhuǎn)換為光能，那么將發(fā)出一個(gè)比光源波長(zhǎng)短的光，稱(chēng)為反斯托克斯光。根據(jù)拉曼散射理論，在自發(fā)拉曼散射條件下，兩束反射光的光強(qiáng)與溫度有關(guān)，它們的比值R(T)為：

(1)其中，和分別是斯托克斯光強(qiáng)和反斯托克斯光強(qiáng)，h為普朗克常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度。從(1)式中可以看出，R(T)僅與溫度T有關(guān)。因此，我們可以借助反斯托克斯與斯托克斯光強(qiáng)之比來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的測(cè)量。

三、分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的傳感過(guò)程

如圖1所示，分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)的傳感過(guò)程為：計(jì)算機(jī)控制同步脈沖發(fā)生器產(chǎn)生具有一定重復(fù)頻率的脈沖，這個(gè)脈沖一方面調(diào)制脈沖激光器，使之產(chǎn)生一系列大功率光脈沖，另一方面向高速數(shù)據(jù)采集卡提供同步脈沖，進(jìn)入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。光脈沖經(jīng)過(guò)波分復(fù)用器的一個(gè)端口進(jìn)入到傳感光纖，并在光纖中各點(diǎn)處產(chǎn)生后向散射光，返回到波分復(fù)用器中。后向散射光通過(guò)波分復(fù)用器中的薄膜干涉濾光片分別濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，經(jīng)波分復(fù)用器的另外兩個(gè)端口輸出，并分別進(jìn)入到光電檢測(cè)器(APD)和放大器中進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換和放大，將信號(hào)放大到數(shù)據(jù)采集卡能夠采集的范圍上。最后由數(shù)據(jù)采集卡進(jìn)行存儲(chǔ)和處理，用于溫度的計(jì)算。