拉曼散射分布式光纤测温系统

测量原理-拉曼效应

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物理测量尺寸，例如温度或压力以及拉力，可能会影响玻璃纤维并局部改变纤维中光的传输特性。作为结果阻尼的光的石英玻璃纤维通过散射，的外部物理影响的位置可以被确定，使得该光纤可用作线性传感器。光纤由掺杂石英玻璃制成。石英玻璃是二氧化硅(SiO 2)具有无定形固体结构。热效应引起固体内的晶格振荡。当光落在这些热激发的分子振荡上时，在光粒子(光子)与分子的电子之间发生相互作用。光散射，也称为拉曼散射，发生在光纤中。与入射光不同，此散射光发生的光谱偏移量等于晶格振荡的共振频率。因此，从光纤散射回的光包含三个不同的光谱份额：

的瑞利散射与所使用的激光源的波长，

来自光子的斯托克斯线分量转移到更长的波长(更低的频率)，并且

光子的反斯托克斯线分量移动到比瑞利散射更短的波长(更高的频率)。

所谓的反斯托克斯带的强度与温度有关，而所谓的斯托克斯带实际上与温度无关。光纤的局部温度由反斯托克斯光强度与斯托克斯光强度之比得出。

测量原理——OTDR和OFDR技术

分布式传感技术有两个基本测量原理：OTDR(光学时域反射仪)和OFDR(光学频域反射仪)。对于分布式温度感测，通常使用代码相关技术，该技术带有两种原理的元素。

OTDR于20年前开发，现已成为电信损耗测量的行业标准，该技术可检测到(相对于拉曼信号非常占优势的)瑞利背向散射信号。OTDR的原理非常简单，与用于雷达的飞行时间非常相似。本质上，由半导体或固态激光器产生的窄激光脉冲被发送到光纤中，并分析了反向散射光。从背向散射的光返回到检测单元开始，就可以定位温度事件的位置。

替代的DTS评估单元采用了光频域反射法(OFDR)。仅当在整个测量时间内检测到的反向散射信号以复杂的方式作为频率的函数进行测量，然后进行傅立叶变换时，OFDR系统才能提供有关局部特征的信息。OFDR技术的基本原理是激光器采用的准连续波模式和光学反向散射信号的窄带检测。由于对电子元件的线性度要求较高的FFT计算，这被技术上难以测量的拉曼散射光和相当复杂的信号处理所抵消。

代码相关性DTS将有限长度的开/关序列发送到光纤中。选择具有适当属性的代码，例如Binary Golay代码。与OTDR技术相比，光能散布在代码上，而不是打包成单个脉冲。因此，可以使用与OTDR技术相比具有较低峰值功率的光源，例如长寿命的紧凑型半导体激光器。需要将检测到的反向散射(类似于OFDR技术)转换回空间轮廓，例如通过互相关。与OFDR技术相比，发射是有限的(例如128位)，避免了远处的弱散射信号与短距离的强散射信号叠加，从而改善了散粒噪声 以及信噪比。

使用这些技术，可以分析与一个系统的距离大于30 km，并测量小于0.01°C的温度分辨率。

传感电缆的构建与系统集成

温度测量系统由控制器激光源，用于OTDR的脉冲发生器或用于代码相关或调制器的代码发生器，以及用于OFDR的HF混合器，光学模块，接收器和微处理器单元)和石英玻璃纤维制成线形温度传感器。光纤电缆(长度可能超过30 km)本质上是无源的，没有单独的感应点，因此可以基于标准电信光纤进行制造。这提供了出色的规模经济。由于系统设计者/集成商不必担心每个传感点的精确位置，因此与传统传感器相比，大大降低了设计和安装基于分布式光纤传感器的传感系统的成本。此外，由于传感电缆没有活动部件，设计寿命超过30年，因此维护和运行成本也大大低于传统传感器。光纤传感技术的其他好处是它不受电磁干扰，振动的影响 并且可以安全地用于危险区域(激光功率低于可能引起点火的水平)，因此使这些传感器成为工业传感应用的理想之选。

关于传感电缆的构造，尽管它基于标准光纤，但在设计单个传感电缆时必须小心以确保为光纤提供足够的保护。这必须考虑到工作温度(标准电缆可在85°C的温度下运行，但使用正确的设计可以测量到700°C的温度)，气态环境(氢会导致测量结果变差，尽管“ 氢变暗 ”)，也称为衰减-二氧化硅玻璃化合物)和机械保护。

大多数可用的DTS系统具有灵活的系统架构，并且相对易于集成到诸如SCADA的工业控制系统中。在石油和天然气工业中，已经开发了一种基于XML的文件标准(WITSML)，用于从DTS仪器传输数据。该标准由Energistics维护。

激光安全与系统运行。

当基于光学测量(例如光学DTS)运行系统时，对于永久性安装，需要考虑激光安全性要求。许多系统使用低功率激光设计，例如，分类为激光安全等级1M，任何人都可以使用(不需要经过批准的激光安全人员)。某些系统基于3B等级的高功率激光器，尽管可以安全地由经批准的激光器安全员使用，但可能不适合永久安装。

纯无源光学传感器技术的优势是缺乏电或电磁相互作用。市场上的某些DTS系统使用特殊的低功耗设计，并且在爆炸性环境中具有固有的安全性，例如通过ATEX指令 0区认证。

为了在火灾探测应用中使用，法规通常要求根据相关标准的认证系统，例如EN 54 -5或EN 54 -22(欧洲)，UL521或FM(美国)，cUL521(加拿大)和/或其他国家或地方标准标准。

使用DTS进行温度估算

温度分布可用于基于正交分解法或主成分分析的模型。这样可以通过仅在几个空间位置进行测量来重建温度分布 [4]。

应用程序

分布式温度传感可以成功部署在多个工业领域：

石油和天然气生产-永久的井下监控，启用了连续油管的已部署干预系统，钢丝油缆已部署的干预系统。

电力电缆和传输线监控(载流量优化)

隧道，工业输送带和特殊危险建筑物的火灾探测

工业感应炉监控

液态天然气(LNG)载体和终端的完整性

堤坝和大坝的泄漏检测

工厂和过程工程中的温度监控，包括传输管道

储罐和容器

最近，DTS也已应用于生态监测：

流温度

地下水源检测

矿井以及湖泊和冰川上的温度曲线

各种树叶密度下的深雨林环境温度

澳大利亚地下矿井中的温度曲线

接地回路热交换器中的温度曲线(用于接地耦合的加热和冷却系统)

分布式线型光纤感温火灾报警系统(DTS) 主要是-种时域分布式光纤监测系统，它的技术基础是光时域反射技术OTDR， 是近几年发展起来的一种用于实时测量空间温度场分布的高新技术，它能够连续测量光纤沿线所在处的温度,

测量距离在几公里到几十公里范围，空间定位精度达到米的量级，能够进行不间断的自动测量，特别适用于需要大范围多点测量的场合，它具有精度高、数据传输及读取速度快、自适应性能好等优点。系统具有防燃、防爆、抗腐蚀、抗电磁干扰、在有害环境中使用安全，实现实时快速线性测温并定位,是光机电、计算机一体化技术的集成。

近年来已开始应用于各种大、中型变压器，发电机组的温度分布测量、热保护和故障诊断;大型仓库、油库、危险品库、大型轮船的货轮、高层建筑、.煤矿、隧道和输油管道的火灾防护及报警系统;化工原料及油料生产过程中的在线、动态检测;把它作为一种典型的机敏结构(smart structure) 用于航空、HG皇冠飞行器的在线、动态检测系统和机器人的神经网络系统。