光纤温度传感器工作原理及实际应用分析

光纤温度传感器工作原理及实际应用分析

摘要：文章在分析DTS分布式光纤传感器系统的逻辑组成和工作原理后，详细介绍了基于分布式光纤温度传感器和光纤光栅温度传感器测温系统对在电力系统各重要电气设备进行温度安全监测中的应用。

关键词：光纤温度传感器；DTS；电力温度监测

温度是工程应用领域中重要的检测和监控对象，对于一个内部结构复杂、涉及点面较多的复杂系统而言，要获得一个准确且具有一定监测对象范围跨度的实时温度信息（或监测对象分布的应用应变特性），采用常规的单点移动式或由多个独立单点相互结合组成的准分布式温度传感器侧空虚体统，不仅会由于数据采集的延时性降低温度测量数据的准确度，同时还会由于复杂的接线使整个系统布线变得非常困难，这时选用分布式光纤温度传感系统（Distributed Temperature Sensing，DTS）就是一种非常有效的方法，非常适合冶金、化工、电力等恶劣环境场合中的实时温度测量和监控，具有相当大的研究意义。

1DTS分布式光纤传感器系统

DTS 分布式光纤传感器系统是一款结构较为复杂的工业应用领域温度在线检测和控制产品，其非常适用于环境较为恶劣、干扰对象较多、监测范围跨度较大的重要工农业应用产生中的温度实时准确检测和控制。

1.1DTS系统组成

DTS分布式光纤传感器系统主要包括传感光纤、光路模块、电路模块、高级应用软件、以及一些辅助的外围集成电路设备，其逻辑组成结构如图1所示。

从图1可知，DTS系统在运行时，首先由电路模块中得控制及信号处理电路将对应的控制信号通过驱动电路驱动半导体激光器发生对应的高速脉冲信号，然后经过光路模块中得激光脉冲耦合形成对应的光纤信号，并经分光光路转换后进入到传感光纤中，再经探测器、探测电路、高速采集电路等将光纤传感器中的温度信号返回到系统的控制及信息处理电路中，完成对监测对象温度信号的采集。通过半导体激光器产生的激光脉冲在进入到传感光纤后，就会通过分光耦合特性发生背向散射光，其所产生散射光主要有三个波长的背向散射光，分别为Anti-Stokes（反斯托克斯）光、Rayleigh（瑞利）光、以及Stokes（斯托克斯）光。三种背向散射光中，Anti-Stokes具有温度敏感个性，为温度信号光；而Stokes 光对温度信号不敏感，为系统中得参考光。从系统传感光纤中返回的探测器中的背向散射光经分光光路、光滤波器滤波后，可以将Stokes光波和Anti-Stokes光波有效分离，然后再经APD 探测器接收后，经探测电路等放大电路处理后由高速数据采集模块进行自动采集，并经接口电路上传到客户PC机上，完成对系统温度信号、温度分布曲线、波动曲线等的动态显示。

1.2分布式光纤传感器测温原理

从图1可知，DTS测温系统主要采用拉曼分布式光纤温度传感器作为其温度信号载体，其在实际测温过程主要利用了基于光纤中的自发拉曼散射温度效应原理，即采用具有OTDR技术的分布式光纤传感器检测技术来实现对有一定跨度的分布式温度信号进行动态测量分析。分布式光纤传感器的测温机理是依据后向拉曼散射光谱的温度响应效应。当DTS系统中得雪崩二极管（APD）在运行时探测到的Anti-Stokes反斯托克斯光散射信号非常微弱时，就会自动输出幅值仅为几十纳伏的信号电压，加上光信号在耦合、滤波、以及分光转换等环节中均可能出现一定光能量的损失，这样在温度信号采集过程中就可能出现温度信息被淹没或存在随机噪声的不利工况。因此在DTS系统中采用了微弱信号放大过滤处理技术来处理系统中可能存在的噪声等干扰信号，消除系统中Stokes斯托克斯光波和Anti-Stokes反斯托克斯光波信号在系统采集、传输过程中引起的温度信号测量误差。DTS系统中采用设置定标区技术方法来小城系统中Anti-Stokes 光波和Stokes光波信号中可能存在的干扰分量，降低由于散射系数、光滤波因子、以及APD探测器响应度差异等因素对系统温度信号测量结果的影响，从而获得较为准确的温度信号。DTS系统中分布式光纤传感器的温度信号测量公式为：

=-ln[] （1）

式（1）中，h为普朗克系统；c为光波光速；为光波波数传输过程中得偏移量；k为波尔兹曼系数；为提供温度精确度的定标区温度值；T为DTS系统采集到的绝对温度值。

从大量文献资料可知，目前基于分布式光纤传感器的DTS测温系统，其测量距离最长以及可以高达30 km，其测量精度也可以达到0.5℃范围内；温度信号空间定位精度则最高可以达到0.25 m范围内，对应其温度信号的分辨率最高也可以达到0.01℃范围内，大大提高了恶劣环境中温度信号的检测和控制精度。

2分布式光纤传感器在工程中的实际应用

DTS测温系统在各行各业特殊恶劣环境过程控制中发挥着非常重要的作用。本文将对DTS系统在电力行业中的温度测控应用进行分析。电力系统中是一个复杂电、磁、热等相互交融的复杂环境，有很多高压电气设备需要动态监测器温度信号，以保障其安全稳定、节能经济的高效运行。分布式光纤传感器在电力系统中的应用大多是根据电气设备温度信号监测技术手段的不同，将分布式光纤温度测温仪与光纤光栅测温仪相互结合构筑完善的测温控制系统，其具体逻辑组成结构示如图2所示。

从图2中可知，由于供配电系统中电缆分布较为分散且需要进行温度监测点较多，因此现场工程机1选用基于分布式光纤传感器的测温仪；而变压器、开关设备等一次设备布设较为集中，因此，现场工程机2选用基于光纤光栅传感器的

测温仪，这样可以大大提高光纤温度传感器测温系统的技术经济效益。利用分布式光纤温度传感器和光纤光栅温度传感器相结合组成的测温系统在电力系统中温度监测应用领域发挥着非常重要的作用，不仅具有非常良好的屏蔽性能能够有效避免电力系统中强大的电磁场和温度场的干扰，同时还具有耐高压、耐辐射等优点，能够有效提高电力系统测温系统运行经济可靠性。

3结语

基于分布式光纤温度传感器和光纤光栅温度传感器的测温系统在电力系统中发挥着非常重要的安全监测作用，实现了发电厂、变电站、甚至区域范围内供配电系统重要电气设备的温度在线实时监控，为全厂（站）安全监测控制提供了重要温度信号，便于运行人员及时发现安全隐患，确保整个电力生产安全稳定、节能经济的高效运营，具有非常大的应用发展前景和研究意义。

参考文献：

[1] 杨国平,支元彦,戴银禄.分布式光纤测温系统在变电站温度监控中的应用[J].电气开关,2006(5):39-41.