Application of Fiber-optic Temperature Sensor in Temperature Measurement System
Wang Ling
（Xi"an University of Science and Technology，Xi"an 710054，China）
摘要：光纤温度传感器属于一门新型的测温技术。由于其信息传送是基于光信号来实现的，因此具有显著的绝缘、抗电磁干扰以及耐高压等特点。本文就针对光纤温度传感器在温度测量系统中的具体应用展开讨论。
Abstract: Fiber optic temperature sensor is a new type of temperature measurement technologies. Because its information transmission is based on the optical signal, it has characteristics of significant insulation, anti-electromagnetic interference and high pressure. In this paper, the specific application of fiber-optic temperature sensor for temperature measurement system is discussed.
关键词：光纤温度传感器 温度测量 应用
Key words: fiber optic temperature sensor；temperature measurement；application
中图分类号：TB22文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）29-0154-01
1光纤温度传感器简介与工作原理
1.1 光纤温度传感器的种类按照不同的工作原理，可以将光纤温度传感器分功能型和传输型两类。与传输型传感器不同，功能型传感器中的光纤不仅是传感器，还是光信号的载体。下面我们介绍两种比较常用的光纤温度传感器：
1.1.1 分布式光纤温度传感器在光纤传送的过程中，激光的反射光包括三部分，即瑞利散射、拉曼散射以及布里渊散射。分布式光纤温度传感器开始是基于后向瑞利散射的液芯光纤分布式温度监控系统，后来发展为基于光时域和光频域拉曼散射的光纤温度测控系统。至现阶段，分布式光纤温度传感器可以实现长达30km的温度测量，测量精度可以控制在0.5℃范围绕内，而空间定位精度可控制在0.25m以内，温度分辩率高达约0.01℃。现在分布式光纤温度传感器进行连续分布式测量时，主要仍是基于拉曼散射效应与光时域射计技术相结合来实现的；而现在光纤温度传感器的研究热点则是基于布里渊散射光时域和光频域系统。
1.1.2 光纤光栅点式温度传感器光纤纤芯会形成空间相位光栅，而光纤材料自身又具有光敏性，因此光纤光栅温度传感器就利用光纤材料的这一特性实现温度的测控。光纤光栅的编码即为其波长，因此光纤光栅温度传感器在建筑、电力、石油甚至航天领域均得到广泛的应用。光纤光栅温度传感器又分为Bragg光纤光栅温度传感器以及长周期光纤光栅传感器。其中Bragg光纤光栅指的是单模掺锗光纤经过紫外光照射成栅技术所形成的全新的光纤型Bragg光栅，其成栅后光纤的纤芯折射率呈现出周期性的分布条纹，同时产生Bragg光栅效应。它的基本光学特性是窄带光学滤波器，其以共振波长为中心，并满足下述光学方程式：λb=2nΛ
上式中：λb：Bragg波长；Λ：光栅周期；n：光纤模式下有效拆射率。
此外还有长周期光纤光栅，相对而言该光纤光栅比较特殊，它把前向传输的基模耦合到同是前向传输的包层模中。其背景发射很低，而且宽带滤波，属于新型的宽带带阻滤波器。
1.2 光纤温度传感器的工作原理光时域反射技术：当光脉冲进入光纤后，光纤中内部因子的折射率不均交，光就会与其产生碰撞再反射回来，从而连续的产生瑞利背向散射光然后回到入射端。在定位受测温度点时，就可以根据光纤中光波的传播速度及背向光回波的时间间隔来进行。例如采样频率设为f，光纤中光的速度为v，真空环境下光的速度设为c，光纤折射率为n，光脉冲在光纤中的距离S为单程距离L的两倍，则可得出下式：S=2L=vt=■
上式反映出光时域反射技术在进行光纤故障点、受测点以及断点的定位时，均有着重要的作用。
1.3 背向Raman散射当脉冲激光器所发射的光脉冲入光纤后，光波就会产生非弹性碰撞，从而光波频率就会出现偏移，能量也随之转移，最终产生Raman散热。
1.4 瑞利散射光通过激光器脉冲入光纤后，激光脉冲就会和光纤中的离子产生弹性碰撞，其中一部分光被散射回来，这部分光中有些频率和入射光相等，即为瑞利后向散射光。
2光纤温度传感器在温度监测系统中的应用
2.1 提高系统的信噪比利用DTS测出的温度信号比较微弱，如果在噪声很大的环境中，会导致有效温度信号的数据丢失。所以分析这种微弱的温度信号时，要先对其做相应的预处理。在解调过程中信噪比要能够与测量的精度要求相符，因此可以利用小波分解结合互相关延时过程的方法进行所采集微弱信号的去噪处理，以提高其信噪比。因为小波函数中Haar函数在处理信噪比相对较低的系统信号时比较有效，所以系统在处理信号时可以选择Haar函数。而互相关函数可以准确出输出信号受输入信号影响的程度，可以有效的修正测量过程中由于噪声源所导致的误差，且互相关的过程又满足系统处理信号的要求，所以选择其进行信号处理。将上述两种方法相结合，对信号进行去噪处理可以得到很好的效果。
2.2 系统的结构和解调原理分布式光纤温度传感器系统所利用的是上述光时域反射技术及光纤背向Raman散射温度效应。当脉冲激光器LD射出脉冲光后，其经过定向耦合器向传感光纤输出，背向散射光带有受测点的温度信息，传感光纤再将其传回至定向耦合器并分为路，其中一种可以直接由背向散射光提取瑞利光，而另外一路则经过波分复用器后滤出反斯托克斯光。APD，即光电检测器可以探测出这两路光信号的空间温度，并将光信号转换为电信号再进行放大，将放大后的电信号传输至数据采集及处理电路进行双高速A/D转换以及数据处理，接着将处理好的数据传送至计算机系统，计算机的屏幕上就会实时的显示出数据处理的过程。再通过小波函数结合互相关过程的方法对信号去噪，最终根据解调的温度信号获取受测区的温度分布信息。
系统通过反斯托克斯和瑞利后向散射比解调的方法进行温度信号的解调，通过瑞利散射的光时域反射仪曲线解调反斯托克斯光的光时域反射仪曲线，最终获取需测量的温度。系统通过双通道测量的方法获取温度值，获取的解调温度数据精确度更高，系统的稳定性及灵敏度均有所提高。
3系统测试结果
对上述系统进行测试：把920m处的光纤置于50℃恒温环境中进行相关试验，同时也将普通的酒精温度计置于同一环境。在试验过程中，酒精温度计的温度显示为49～50℃时，光纤传感器温度监测系统所显示出的温度值为50℃，而定位光标仪所显示的光标1则为920m；当温度试验区的受测温度出现明显变化时，该系统的测试结果与酒精温度计的测量结果相符。
参考文献：
[1]吕宗岩.分布式光纤温度传感器的系统设计[D].秦皇岛:燕山大学,2006.
[2]苏国民.光纤温度传感器在煤矿井下温度测量系统中的应用[J].科技资讯,2009，(11).
[3]周春新,曾庆科等.光纤光栅应变-温度传感器的原理及进展[J].光纤器件,2006，（10）.