分布式光纤温度传感器与其性能参数检测方法的研究

MEASUREMENT EQUIPMENT AND APLICATION 量 重 堕旦巷分 布 式 光 纤 温 度 传 感 器 与 其 性 能参 数 检 测 方 法 的 研 究张丽萍 。张 斌 ，余俊杰(1．上海市计量测试技术研究院，上海 201203；2．上海交通大学，上海 200240；3．上海波 [通信科技有限公司，上海 201204)[摘 要]分布式光纤温度传感器 (DTS)是近年来开始研究的新型传感技术。基于光纤后向散射现象和光时域反射理论，它能在整条光纤的长度上 ，以距离的连续函数形式测量出光纤上各点的温度值。文章对分布式光纤温度传感器测温原理进行了分析并提出了 DTS性能参数检测方法。

[关键词]分布式光纤温度传感器；拉曼散射；空间分辨率；温度精度；定位精度[中图分类号]TH811 [文献标识码]B [文章编号]1002—1183(2013)05-0037-03分布式光纤温度传感器 (DTS)作为一种新型的温度测量设备有着明显的特点，在国内外都已开始应用。分布式光纤温度传感技术具有连续分布式测量、测量距离远、抗电磁干扰、测温和定位精度高等特点，广泛应用于长距离输油、输气管道的泄漏检测，高压电力电缆、电气设备因接触不良原因产生的局部发热、火灾预警、大型发电定子、大型变压器、锅炉等设施的大范围多点温度测量。相对于传统的测温技术，它的最大的特点是可以非常容易地实现长距离分布式连续温度测量。分布式光纤温度传感器 (DTS)早就已经从实验室阶段步人到产品阶段，目前市场使用前景广阔。但是作为一种多参数的计量器具，其量值溯源的问题始终没有解决。目前，国内外对 DTS性能参数测试方法都还停留在各家企业 自己制定的企业标准，还没有上升到国家规范和行业标准。因此，本文提出分布式温度传感器 (DTS)的参数检测方法，相信对规范产品市场，保 障分布式温度传感器(DTS)各项参数指标准确可靠十分有益。

1 分布式光纤温度传感器简介DTS由一台主处理器和一根光纤组成。它的主要工作原理是基于光纤的光时域反射 (OTDR)和光纤的后向拉曼 (Raman)散射效应。该系统利用 OTDR技术进行定位，利用拉曼散射效应进行测温。当主处理器中的激光器向光纤注入激光脉冲时，激光脉冲与光纤分子相互作用而发生散射。散射有多种，如瑞利(Rayleigh)散射、布里渊 (Brilouin)散射和拉曼(Raman)散射等。其中拉曼散射是由于光纤分子的热振动而产生，它会产生一个比光源波长长的光，称斯托克斯 (Stokes)光，和一个比光源波长短的光，称为反斯托克斯 (Anti．Stokes)光。光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯 (Anti—Stokes)光强发生变化，Anti．Stokes与 Stokes的比值提供了温度的绝对指示，利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量 (如图 1所示)。

l激光脉冲眢向前 新 散射布里渊散射 布里渊散刺拉曼蝴 拉曼散图 1 分布式光纤温度传感器工作原理示意图光在光纤中以一定的速度传播，通过测量人射光和后向散射光之间的时间差 ，及光纤内的光传播速度 C ，可以计算不同散射点的位置距入射端的距离置，从而可以得到光纤连续的温度分布，置 可按下式计算：置 ：c式中：C 为光纤中的光传播速度，m／s；At 为后向散射延迟时间，S。

反斯托克斯光强与斯托克斯光强之比和温度之间的定量关系可用下式表示：[收稿 日期]2012—06—01[作者简介]张丽萍 (1982一)，女，浙江奉化人，工程师，毕业于上海理工大学，从事温度检测工作。

工业计量 2013年第23卷第 5期 ．37.

计量装置及应用 MEASUREMENT EQUIPMENT AND APPLICATION— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — —
— — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — — 一 = n㈡川 fo一+ Af／ )式中：h为普朗克常数，J·S；k为波尔兹曼常数，J／K；Is为斯托克斯光强度；厶 为反斯托克斯光强度；为人射光的频率，1／s；Af为拉曼光频率增量，l／S。斯托克斯光频率为 一 ，反斯托克斯光频率为.

结合高品质的脉冲光源和高速的信号采集与处理技术，就可以得到沿着光纤所有点的准确温度值。目前 DTS系统测量距离通常为 1—10kin，最长可达30kin；测温范围一100～500％，DTS系统使用的光纤决定了系统的测温范围。

分布式光纤温度传感器 (DTS)的性能指标有：(1)空间分辨率；(2)温度精度；(3)定位精度。

2 检测方法与结果为了测试分布式光纤温度传感器 (DTS)性能参数，我们选用了市场上通用的测量距离为 1km，测温范围为 一15—85℃的DTS系统针对性地制定了一个检测方法，以求对 DTS的空间分辨率、温度精度、定位精度做出准确的检测。

2．1 空间分辨率的检测(1)空间分辨率的定义分布式光纤测温系统对沿光纤长度分布的温度进行测量所能分辨的最小空间单元，即最小长度。

(2)空间分辨率检测方法试验与检测结果将 DTS与测温光纤连接，然后把连续的 和测温光纤分别放人 0℃和 40~(2的恒温槽或恒温箱中(如图2)。根据 DTS测温曲线可以读出温度从 0~C上升到40~C这一段对应的光纤长度 (考虑到误差等各种因素的影响，取温度上升 20％到 80％这段长度)。

这段长度即为 DTS测温的空间分辨率 (如图 3所示)。测试结果如表 1。

· 38 ·图2 空间分辨率测试示意图表 1 DTS系统空间分辨率检测结果表DTS系统空间分辨率检测结果／m空间分辨率 — — (出厂指标)／m =L2=lOre LI=L2=30m Ll =50m(距离30m处) (距离500m处) (距离 900m处)O．8(3)空间分辨率检测方法确定由上述空间分辨率检测结果的复现性可以确定 ，按上述检测方法，在光纤不同位置上 、L：取长度不小于 lOre，按图3空间分辨率计算方法进行空间分辨率的检测，都能符合空间分辨率的检测要求。

温度40℃0℃0℃ 40℃一 一 三I 上L 待测温度一 L {／ 卜_— · 囡 芑间分育 器． 图3 空间分辨率计算方法示意图2．2 测温精度的检测(1)测温精度的定义测量温度与实际温度的误差。

(2)测温精度检测方法试验与检测结果将感温光纤与光纤测温主机相连，使其处于正常工作状态。取固定长度 f的感温光纤放人恒温槽中，用一等标准铂电阻温度计作为温度标准。待达到所设定温度并保持一段时间后，DTS位置温度的平均测量值与标准温度的差值即为 DTS的测温精度。为了检测DTS的满量程测温精度，我们取了光纤不同位置的不同长度的三段光纤进行检测 ，测试了 一l5oC、0~C 、15℃、30℃、45℃、60℃、75℃、85 这 8个温度点。测试结果如表 2。

表 2中测温精度出厂指标为 ±0．5℃，DTS系统测温精度检测结果在 2：lore，f=30m，2=50m时均为 ±0．1oI二。

(3)测温精度检测方法确定由上述测温精度检测结果的复现性可以确定，按上述检测方法，在光纤不同位置上取长度不小于 10m的光纤进行测温精度的检测，都能符合测温精度的检测要求。

Industrial M easurement 20l3 Vo1．23 No．5