分布式光纤温度传感检测技术及其应用
分布式光纤温度传感系统是一种用于实时测量空间温度场分布的传感系统。该技术最早于1981年由英国南安普顿大学提出，目前国外（主要是英国、日本等国）已研制出产品。国内也正积极开展这方面的研究工作，已经研制成功分布式光纤温度传感器的系列产品，并在一些工业领域得到了初步应用，效果非常理想。分布式光纤传感技术具有抗电磁场干扰、大的信号传输带宽等特点。它能够连续测量光纤沿线所在处的温度，测量距离在几千米范围，空间定位精度达到米的数量级，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应用场合。在电力系统中，这种光纤传感技术在高压电力电缆、电气设备因接触不良原因易产生发热的部位、电缆夹层、电缆通道、大型发电机定子、大型变压器、锅炉等设施的温度定点传感场合具有广泛的应用前景。
1 光纤温度传感的检测原理
光纤的温度传感原理的主要依据是光纤的光时域反射（OTDR）原理以及光纤的背向拉曼散射温度效应。当一个光脉冲从光纤的一端射入光纤时，这个光脉冲会沿着光纤向前传播，在传播中的每一点都会产生反射，反射之中有一小部分的反射光的方向正好与入射光的方向相反（亦可称为“背向”）。这种背向反射光的强度与光纤中的反射点的温度有一定的相关关系。反射点的温度（该点的光纤的环境温度）越高，反射光的强度也越大。也就是说，背向反射光的强度可以反映出反射点的温度。利用这个现象，若能测量出背向反射光的强 度，就可以计算出反射点的温度，这就是利用光则通过测量从激光脉冲发出到背向反射光回来的时间差实现。
以下用公式来表达〔1〕：当波长为λo的激光入射到光纤中，它在光纤中传输的同时不断产生后向散射光波，这些后向散射光波中除有一与入射光波长相同的很强的中心谱线之外，在其两侧，还存在着λo－Δλ及λo＋Δλ的两条谱线。中心谱线为瑞利散射谱线，长波一侧波长为λs（λs＝λo＋Δλ）的谱线称为斯托克斯线（stokes），短波一侧波长为λa（λa＝λo－Δλ）的谱线称为反斯托克斯线（anti－stokes）。根据拉曼散射理论，在自然拉曼散射条件下，反斯托克斯光强Ia与斯托克斯光强Is的比值R（T）为：
R（T）＝Ia／Is＝（λs／λa）4・exp（－hcu／kT）．
式中：h为普朗克常量；c为真空中的光速；u为波数偏移量；k为波尔兹曼常量；T为热力学温度。
从式中可以看出，R（T）仅与温度T有关，而与光强、入射条件、光纤几何尺寸及光纤成分无关〔2〕。据此，我们可以借助探测反斯托克斯及斯托克斯后向拉曼散射光强之比值来实现温度绝对测量。
2 光纤温度传感系统的结构
分布式光纤温度传感系统由二极管激光器、波长甄别模块、光电检测器、信号处理电路、光纤传感回路和计算机等组成，如图1所示。
为确保二极管激光器的功率及峰值波长的稳定，采用半导体致冷低温恒温槽冷却工作〔3〕。激光脉冲通过耦合器入射到光纤传感回路，并将光纤传感回路的背向散射回波采集回来，通过波长甄别模块分成斯托克斯通道和反斯托克斯通道；光电检测器组件为高灵敏、低噪声硅雪崩二极管组件（APD），为了确保APD的稳定工作，使其在低温恒温槽冷却工作。信号处理电路由高速瞬态平均器和累加器组成，计算机主要用于温度信号的解调和信号处理、显示。根据用户的需要，设计软件和界面。
3 光纤温度传感系统的性能及技术指标
以羊城科技公司的产品为例，介绍该系统的主要技术性能指标，如表1所示。
4 光纤温度传感系统在电力系统的应用
分布式光纤温度传感系统自问世以来，主要应用于电力系统、建筑、化工以至海洋开发等领域，并已取得了大量可信可靠的应用实绩。在国内，由于是首创产品，光纤温度传感技术的应用领域有待大力开拓，其应用前景是非常广阔的。
4．1 在电气设备温度监测方面的特点
a）光纤测温是一个连续的实时监测系统，可以测量和记录任意时刻的温度，并可以设置多个报警点。另外，光纤测温还可以根据环境温度的不同，对报警点温度进行自动修正。而目前火灾报警系统中常用的感温电缆只能设置一个报警点，如要改变报警温度，则只能改换另外一种规格，不能做到报警点温度的任意设置。
b）光纤测温可以对电气配电装置的母排、动力电缆的接头等部位进行“零距离”监测。其构成原理决定了它不会受到电磁干扰的影响，也不会对电气设备的正常运行带来任何负面的影响。
c）通过采用不同的外护套材料，光纤温度传感系统可以适应各种工作环境。
4．2 在电力系统中的应用
4．2．1 电力电缆的表面温度及电缆密集区域的温度监测监控
可以应用在发电厂、变电站的电缆夹层、电缆沟道、大型电缆隧道（例如广州珠江新城3．8 k m的地下电缆隧道）的温度监测和监控。对电力电缆的监护，可以将测温光纤贴在电缆的表面，在取得了电缆表面数据后，将电缆的负荷电流同时描成一组相关曲线，并从电流值推算出芯线导体的温度系数，从表面温度变化与导体温度变化之差（相同时刻作比较）便可以求出表面温度与运行负荷电流的相互关系，并以此来支持供电系统的安全运行。
另外，在诸如大型电缆隧道等场合，其内部环境温度的高低对保证电缆的正常运行有很大关系，采用光纤温度传感系统后，可以对其进行分布式连续监测，如有必要甚至可以与通风、空调系统配合使用，以满足季节温度不同的情况下，始终保证环境温度在允许的范围内。原因是该部位是电缆接线端子与母排的压接处，处理不好会导致接触不良或电流分布不均匀，其结果是接头发热严重。发展到一定阶段后，则会造成严重的故障，破坏供电的安全可靠。而采用光纤测温，则可以将光纤缠绕（最小弯曲直径为3 c m）在电缆接头上，实时监测其温度，在演变成事故前，及早发现并采取处理措施。
4．2．3 发电厂、变电站的环境温度检测及火灾报警系统
光纤测温系统因可以实时长期监测温度，并自动将所检测数据寄存于电脑，故可以做到温度变化的差动监测。更可以提前做出过热预报，亦即火灾早期报警，这更是一般的热源传感器或烟雾传感器等报警方式难以胜任的。另外，本系统还可以与火灾报警系统联动使用，在达到设定的报警条件时，启动消防系统。
4．2．4 其它
可以预计的应用场合还包括：各种大、中型发电机、变压器、电动机的温度分布测量、热动保护以及故障诊断；火力发电厂的加热系统、蒸汽管道、输油管道的温度和故障点检测；地热电站和户内封闭式变电站的设备温度监测；等等。