分布式光纖傳感溫度測試系統(tǒng)性能標定方法

二、原理介紹

1.分布式光纖監(jiān)測技術(shù)

(1)光纖光時域反射(OTDR)原理

當(dāng)激光脈沖在光纖中傳輸時，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，會產(chǎn)生瑞利散射，在時域里，激光脈沖在光纖中所走過的路程為2L，可表示為

2L=V×t (1)

式中:V——光在光纖中傳播的速度，可表示為V=cn，其中c為真空中的光速，n為光纖的折射率；t——入射光經(jīng)背向散射返回到光纖入射端所需的時間。

在t時刻測量到的是離光纖入射端距離為L處局域的背向瑞利散射光。用光時域反射技術(shù)，可以確定光纖處的損耗，光纖故障點、斷點的位置，對測量點進行定位，因此也可稱為光纖激光雷達。

在空間域里，光纖的瑞利背向散射光子通量:

式中:Φe——在光纖入射端的激光脈沖的光子通量；KR——與光纖瑞利散射截面相關(guān)的系數(shù)；V0——入射激光的頻率；S——光纖的背向散射因子；a0——入射光子頻率處光纖的損耗；L——局域處離入射端的長度，。

(2)三類散射

在光纖中傳播的光波，其大部分是前向傳播的，但由于光纖的非結(jié)晶材料在微觀空間存在不均勻結(jié)構(gòu)，有一小部分光會發(fā)生散射。光纖中的散射過程主要有3種:瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射，它們的散射機理各不相同。

當(dāng)光入射到光纖中，光與光纖介質(zhì)相互作用引起光的散射。當(dāng)光子與光纖中的SiO2分子相互作用時，兩者沒有能量交換的彈性碰撞部分稱為瑞利(Rayleigh)散射；兩者有能量交換的部分，即入射光子與介質(zhì)產(chǎn)生非彈性碰撞，吸收或發(fā)射聲子時，產(chǎn)生布里淵(Brillouin)散射、拉曼(Raman)散射。

2.分布式光纖溫度監(jiān)測技術(shù)

(1)拉曼散射原理

與分布式光纖傳感溫度測試系統(tǒng)主要相關(guān)的是拉曼散射。光通過介質(zhì)時由于入射光與分子運動相互作用而頻率發(fā)生變化的散射即為拉曼散射(見圖1)。

圖1拉曼散射示意圖

拉曼散射遵循如下規(guī)律:散射光中在每條原始入射譜線(頻率為v0)兩側(cè)對稱地伴有頻率為v0±vi(i=1，2，3，……)的譜線，長波一側(cè)的譜線稱紅伴線或斯托克斯線，短波一側(cè)的譜線稱紫伴線或反斯托克斯線；頻率差vi與入射光頻率v0無關(guān)，由散射物質(zhì)的性質(zhì)決定，每種散射物質(zhì)都有自己特定的頻率差，其中有些與介質(zhì)的紅外吸收頻率相一致。

因為拉曼散射光的強度與溫度成正比，利用拉曼效應(yīng)可進行溫度測量。

(2)測量原理(見圖2)

利用拉曼效應(yīng)進行溫度測量。激光脈沖入射到光纖里，在發(fā)送端得到背向散射光，并進行分析。拉曼散射光的強度與溫度成正比。測量散射光強度得到沿光纖分布的溫度。

利用OTDR技術(shù)計算溫度點的位置，是通過測量背向散射光返回起始端的時間來得到的，類似于雷達回波技術(shù)。

系統(tǒng)采用低功率激光器，將采集信號與調(diào)制信號相關(guān)(格雷碼)形成低功率系統(tǒng)。

三、系統(tǒng)校準

測算由系統(tǒng)與光纜構(gòu)成的溫度測量系統(tǒng)的衰減率，用測得的衰減率對實測溫度進行校正，減少或消除由于散射光衰減引起的溫度測量誤差。

系統(tǒng)采用獨有的專利保護的單接收器設(shè)計，從根本上消除了由傳感器光電轉(zhuǎn)換效率導(dǎo)致溫度測量的不準確性，儀器本身出廠后無需再次校準。而由于各個使用者采用的光纜不盡相同，所以使用系統(tǒng)前需要對光纜進行校準。

校準分為長度校準和溫度校準，系統(tǒng)充分考慮到實際工程安裝中以及后續(xù)維護中可能在一條線路上使用不同供應(yīng)商的光纜，所以每個測量通道最多可劃分為16個校準分區(qū)，獨立校準。

測量模式分為2種:單端測量和雙端測量模式。單端測量采用的是溫度校準。溫度校準的參數(shù)為衰減率、增益和偏置。在每段需要校準的傳感光纜的前部預(yù)留(20～50)m用于校準使用。雙端測量模式無需校準anti-stokes和stokes光的衰減率差，由系統(tǒng)自動完成動態(tài)的計算，在進行雙端測量模式(兩個通道連接同一條光纖)時，系統(tǒng)自動校準由一定的環(huán)境和機械原因(應(yīng)力、光纖彎曲、熔接點、氫腐蝕)導(dǎo)致的Stokes/Anti-Stokes損耗比的變化。這樣的設(shè)計可以保證在鋪設(shè)的光纖的使用壽命內(nèi)精確地實現(xiàn)溫度測量。

四、可重復(fù)性和準確度標定

分布式光纖傳感溫度測試系統(tǒng)在使用前需確定儀器測量數(shù)據(jù)的可重復(fù)性以及儀器的準確度，從而使儀器使用者在進行測量數(shù)據(jù)處理時，能更清楚地知道數(shù)據(jù)的可靠性并合理確定數(shù)據(jù)的準確度。因此，儀器需要通過實驗進行可重復(fù)性和準確度的系統(tǒng)性能標定。

1.實驗設(shè)計

(1)實驗設(shè)備

1臺分布式光纖傳感溫度測試儀器，1臺恒溫水域槽SC—5A，光纖若干，1臺計算機，剪刀、膠帶若干。

(2)實驗步驟

將大約200m的光纖放入水槽中，水槽設(shè)定為恒溫40℃，并在表1設(shè)定儀器的相關(guān)配置參數(shù)。

以上不變的參數(shù)在本實驗中保持不變，變量為采樣時間。實驗分為4組，名稱分別為T30、T60、T120、T240，相應(yīng)的采樣時間分別為30s、60s、120s、240s。然后啟動儀器開始實驗，得到實驗數(shù)據(jù)。

2.實驗數(shù)據(jù)處理方法

(1)重復(fù)性標定數(shù)據(jù)處理方法

計算每組實驗每次計量各測點之間測值的標準差，得到100個標準差。如果100次重復(fù)測量得到的100個方差隨著時間的加倍而減半，并且100個標準差足夠接近，即每組實驗標準差的極差比小于平均值30%，即可驗證重復(fù)性。

(2)準確度標定數(shù)據(jù)處理方法

首先，證明測得的數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布。任取其中一次測得的各點數(shù)據(jù)，以0.01為溫差單位(溫度精確到2位小數(shù))，統(tǒng)計此溫度下的實驗數(shù)據(jù)值個數(shù)，作出數(shù)據(jù)值個數(shù)與溫度之間的關(guān)系圖(目前為散點圖)，圖形形狀接近正態(tài)分布曲線，即可以認為是符合正態(tài)分布。

然后，運用正態(tài)分布置信區(qū)間的概念，結(jié)合正態(tài)分布表，可以求得95%保證率下的置信區(qū)間。均值±1.96σ就是置信區(qū)間，1.96σ就是準確度。

3.實驗主要影響因素

在上述實驗中影響因素是時間，而此實驗成立的前提是其他因素對實驗結(jié)果沒有影響，為此，我們已經(jīng)進行相關(guān)實驗排除了其他可能影響的因素，即采樣長度和采樣間隔的影響。

(1)采樣長度

在相同實驗條件下，將放入恒溫水槽中的光纖長度改為50m，并且采樣時間設(shè)定為60s，其他的配置參數(shù)均與上述實驗相同，進行實驗，記錄試驗數(shù)據(jù)。經(jīng)計算分析，當(dāng)僅光纖長度變化時，試驗數(shù)據(jù)的平均標準差變化極小，可忽略不計。由此可得，采樣長度不是本實驗的主要影響因素。

(2)采樣間隔

在相同實驗條件下，將采樣間隔改為0.15s，并且采樣時間分別設(shè)定為30s、60s、120s、240s，其他配置參數(shù)均與上述實驗相同，進行實驗，記錄試驗數(shù)據(jù)。運用同樣的數(shù)據(jù)處理方法，求得各次測量的溫度平均標準差和各次測量的極差比。對比可得各次測量的標準差相差不大，30s時的極差比差別較大，但極差比仍然都小于30%。由此可得，采樣間隔不是本實驗的影響因素。

4.小結(jié)

本實驗在排除了采樣長度和采樣間隔對實驗結(jié)果的影響后，確定實驗變量只有采樣時間，并通過4組對比實驗，設(shè)定采樣時間分別為30s、60s、120s、240s，各進行100組實驗，得到原始的實驗數(shù)據(jù)。

然后，通過對每組實驗中的100組數(shù)據(jù)求標準差及其標準差的平均值，對比分析4個標準差的平均值驗證了理論，即隨著采樣時間加倍，溫度變化的方差減半。在此前提下，求得各組實驗的極差比并且比較得到極差比均小于30%。由此，驗證了儀器的可重復(fù)性。

最后，同樣運用實驗中的原始實驗數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)每組實驗測量的數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布的規(guī)律，運用正態(tài)分布置信區(qū)間的概念，結(jié)合正態(tài)分布表，可以求得95%保證率下的置信區(qū)間。均值±1.96σ就是置信區(qū)間，1.96σ就是準確度。由此，求出4個采樣時間下儀器的準確度，為今后儀器的使用提供了便利。

五、空間分辨力標定

由于受空間分辨力(0.5m)的限制，當(dāng)光纖上發(fā)生小于空間分辨力長度的升溫時，測得的溫差將小于實際溫差。本實驗的目的在于探究局部升溫時，溫差測量值和溫差實際值之間的關(guān)系。

本實驗將先根據(jù)光纖測出環(huán)境溫度計算出升溫目標溫度，再利用自制的線熱源將光纖加熱到目標溫度。穩(wěn)定一段時間后，在儀器上讀出升溫段測量溫度，與實際溫度比較后得出結(jié)論。

1.實驗內(nèi)容

局部升溫長度:0.5m、0.3m、0.2m、0.1m、0.05m，共5種情況。

溫差:5、10、15、20攝氏度，共4個等級。

光纖連接方案:光纖上升溫段和測點的相對位置會影響測量值大小，以升溫段0.5m為例:這0.5m可能恰好覆蓋了一個測點所管轄的光纖長度范圍，也有可能位于兩個測點的中間，此時沒有任何一個測點管轄的0.5m完全升溫，而理論上這兩種情況的測量值是不同的。通過一定連接方案的設(shè)計，可以人為控制升溫段和測點的相對位置，囊括所有情況。

具體方案如圖3所示。共取30個升溫段，通過有規(guī)律地改變連接段的長度(每次遞增0.05m，1.00m～1.45m共10個連接段，循環(huán)3次并除去最后一個，得到29個連接段)，從而改變升溫段和測點的相對位置，保證測量結(jié)果的完整性和可靠性。

2.實驗數(shù)據(jù)處理方法

根據(jù)以上分析可以看出，溫差測量值將不是一個固定的數(shù)值，而是一個范圍。

通過同時測量多個給定長度的樣本，我們找到了這個范圍的下限值，其所代表溫度的數(shù)值確定方法為找尋所有波峰的最小值，記錄此數(shù)值。再用此值減去環(huán)境溫度，就可以得到溫差的測量值。通常，此測量值小于溫差的實際值。

由理論分析可以看出，實際溫差與升溫長度兩者和測量溫差都是成正相關(guān)的關(guān)系，即實際溫差越高，測量溫差越高，升溫長度在一定范圍內(nèi)越長，測量溫差也越高。

為了進一步說明三者的關(guān)系，可以對試驗數(shù)據(jù)進行列表分析或是數(shù)據(jù)擬合分析，得出溫差測量值的經(jīng)驗公式。

3.小結(jié)

本實驗通過儀器、恒溫水浴槽、自制線熱源的配合使用，得到了在5個長度等級(0.5m、0.3m、0.2m、0.1m、0.05m)、4個實際溫差(5℃、10℃、15℃、20℃)條件下的溫差測量值，并可以通過對測量值的分析擬合出溫差測量值的經(jīng)驗公式，從而指導(dǎo)儀器在測溫技術(shù)上的實際工程應(yīng)用。

六、結(jié)束語

通過分布式光纖傳感溫度測試系統(tǒng)的可重復(fù)性、準確度和空間分辨力的性能標定試驗，可以清楚地知道儀器的可重復(fù)性，提供給儀器使用者以儀器的準確度和溫差測量值的經(jīng)驗公式，從而在實際工程中，儀器使用者在已確定可能發(fā)生的或者希望探測到的升溫長度和實際升溫的前提下，可以通過經(jīng)驗公式計算出溫差測量值，并結(jié)合前面準確度分析的工作，就可以方便地找到能夠可靠反映這一溫差測量值的測量時間，進而指導(dǎo)分布式光纖測溫技術(shù)的工程應(yīng)用。