分布式光纖傳感溫度測試系統(tǒng)性能標(biāo)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(shí)域反射(OTDR)原理

當(dāng)激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，會(huì)產(chǎn)生瑞利散射，在時(shí)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(shí)間。

在t時(shí)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(shí)域反射技術(shù)，可以確定光纖處的損耗，光纖故障點(diǎn)、斷點(diǎn)的位置，對(duì)測量點(diǎn)進(jìn)行定位，因此也可稱為光纖激光雷達(dá)。

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(huì)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(jī)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(shí)，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(shí)，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(shí)由于入射光與分子運(yùn)動(dòng)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(duì)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?yàn)槔⑸涔獾膹?qiáng)度與溫度成正比，利用拉曼效應(yīng)可進(jìn)行溫度測量。

(2)測量原理(見圖2)

利用拉曼效應(yīng)進(jìn)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(jìn)行分析。拉曼散射光的強(qiáng)度與溫度成正比。測量散射光強(qiáng)度得到沿光纖分布的溫度。

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

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

三、系統(tǒng)校準(zhǔn)

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(duì)實(shí)測溫度進(jìn)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(dú)有的專利保護(hù)的單接收器設(shè)計(jì)，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(zhǔn)確性，儀器本身出廠后無需再次校準(zhǔn)。而由于各個(gè)使用者采用的光纜不盡相同，所以使用系統(tǒng)前需要對(duì)光纜進(jìn)行校準(zhǔn)。

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

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(zhǔn)。溫度校準(zhǔn)的參數(shù)為衰減率、增益和偏置。在每段需要校準(zhǔn)的傳感光纜的前部預(yù)留(20～50)m用于校準(zhǔn)使用。雙端測量模式無需校準(zhǔn)anti-stokes和stokes光的衰減率差，由系統(tǒng)自動(dòng)完成動(dòng)態(tài)的計(jì)算，在進(jìn)行雙端測量模式(兩個(gè)通道連接同一條光纖)時(shí)，系統(tǒng)自動(dòng)校準(zhǔn)由一定的環(huán)境和機(jī)械原因(應(yīng)力、光纖彎曲、熔接點(diǎn)、氫腐蝕)導(dǎo)致的Stokes/Anti-Stokes損耗比的變化。這樣的設(shè)計(jì)可以保證在鋪設(shè)的光纖的使用壽命內(nèi)精確地實(shí)現(xiàn)溫度測量。

四、可重復(fù)性和準(zhǔn)確度標(biāo)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(zhǔn)確度，從而使儀器使用者在進(jìn)行測量數(shù)據(jù)處理時(shí)，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(zhǔn)確度。因此，儀器需要通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行可重復(fù)性和準(zhǔn)確度的系統(tǒng)性能標(biāo)定。

1.實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

(1)實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1臺(tái)分布式光纖傳感溫度測試儀器，1臺(tái)恒溫水域槽SC—5A，光纖若干，1臺(tái)計(jì)算機(jī)，剪刀、膠帶若干。

(2)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)中保持不變，變量為采樣時(shí)間。實(shí)驗(yàn)分為4組，名稱分別為T30、T60、T120、T240，相應(yīng)的采樣時(shí)間分別為30s、60s、120s、240s。然后啟動(dòng)儀器開始實(shí)驗(yàn)，得到實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

2.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理方法

(1)重復(fù)性標(biāo)定數(shù)據(jù)處理方法

計(jì)算每組實(shí)驗(yàn)每次計(jì)量各測點(diǎn)之間測值的標(biāo)準(zhǔn)差，得到100個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差。如果100次重復(fù)測量得到的100個(gè)方差隨著時(shí)間的加倍而減半，并且100個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差足夠接近，即每組實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)差的極差比小于平均值30%，即可驗(yàn)證重復(fù)性。

(2)準(zhǔn)確度標(biāo)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(diǎn)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(jì)此溫度下的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)值個(gè)數(shù)，作出數(shù)據(jù)值個(gè)數(shù)與溫度之間的關(guān)系圖(目前為散點(diǎn)圖)，圖形形狀接近正態(tài)分布曲線，即可以認(rèn)為是符合正態(tài)分布。

然后，運(yùn)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(zhǔn)確度。

3.實(shí)驗(yàn)主要影響因素

在上述實(shí)驗(yàn)中影響因素是時(shí)間，而此實(shí)驗(yàn)成立的前提是其他因素對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果沒有影響，為此，我們已經(jīng)進(jìn)行相關(guān)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)條件下，將放入恒溫水槽中的光纖長度改為50m，并且采樣時(shí)間設(shè)定為60s，其他的配置參數(shù)均與上述實(shí)驗(yàn)相同，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。經(jīng)計(jì)算分析，當(dāng)僅光纖長度變化時(shí)，試驗(yàn)數(shù)據(jù)的平均標(biāo)準(zhǔn)差變化極小，可忽略不計(jì)。由此可得，采樣長度不是本實(shí)驗(yàn)的主要影響因素。

(2)采樣間隔

在相同實(shí)驗(yàn)條件下，將采樣間隔改為0.15s，并且采樣時(shí)間分別設(shè)定為30s、60s、120s、240s，其他配置參數(shù)均與上述實(shí)驗(yàn)相同，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，記錄試驗(yàn)數(shù)據(jù)。運(yùn)用同樣的數(shù)據(jù)處理方法，求得各次測量的溫度平均標(biāo)準(zhǔn)差和各次測量的極差比。對(duì)比可得各次測量的標(biāo)準(zhǔn)差相差不大，30s時(shí)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(shí)驗(yàn)的影響因素。

4.小結(jié)

本實(shí)驗(yàn)在排除了采樣長度和采樣間隔對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響后，確定實(shí)驗(yàn)變量只有采樣時(shí)間，并通過4組對(duì)比實(shí)驗(yàn)，設(shè)定采樣時(shí)間分別為30s、60s、120s、240s，各進(jìn)行100組實(shí)驗(yàn)，得到原始的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

然后，通過對(duì)每組實(shí)驗(yàn)中的100組數(shù)據(jù)求標(biāo)準(zhǔn)差及其標(biāo)準(zhǔn)差的平均值，對(duì)比分析4個(gè)標(biāo)準(zhǔn)差的平均值驗(yàn)證了理論，即隨著采樣時(shí)間加倍，溫度變化的方差減半。在此前提下，求得各組實(shí)驗(yàn)的極差比并且比較得到極差比均小于30%。由此，驗(yàn)證了儀器的可重復(fù)性。

最后，同樣運(yùn)用實(shí)驗(yàn)中的原始實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，通過數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)每組實(shí)驗(yàn)測量的數(shù)據(jù)符合正態(tài)分布的規(guī)律，運(yùn)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(zhǔn)確度。由此，求出4個(gè)采樣時(shí)間下儀器的準(zhǔn)確度，為今后儀器的使用提供了便利。

五、空間分辨力標(biāo)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(shí)，測得的溫差將小于實(shí)際溫差。本實(shí)驗(yàn)的目的在于探究局部升溫時(shí)，溫差測量值和溫差實(shí)際值之間的關(guān)系。

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

1.實(shí)驗(yàn)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(gè)等級(jí)。

光纖連接方案:光纖上升溫段和測點(diǎn)的相對(duì)位置會(huì)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(gè)測點(diǎn)所管轄的光纖長度范圍，也有可能位于兩個(gè)測點(diǎn)的中間，此時(shí)沒有任何一個(gè)測點(diǎn)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(jì)，可以人為控制升溫段和測點(diǎn)的相對(duì)位置，囊括所有情況。

具體方案如圖3所示。共取30個(gè)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(gè)連接段，循環(huán)3次并除去最后一個(gè)，得到29個(gè)連接段)，從而改變升溫段和測點(diǎn)的相對(duì)位置，保證測量結(jié)果的完整性和可靠性。

2.實(shí)驗(yàn)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(gè)固定的數(shù)值，而是一個(gè)范圍。

通過同時(shí)測量多個(gè)給定長度的樣本，我們找到了這個(gè)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(shí)際值。

由理論分析可以看出，實(shí)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(shí)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(jìn)一步說明三者的關(guān)系，可以對(duì)試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)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(yàn)公式。

3.小結(jié)

本實(shí)驗(yàn)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(gè)長度等級(jí)(0.5m、0.3m、0.2m、0.1m、0.05m)、4個(gè)實(shí)際溫差(5℃、10℃、15℃、20℃)條件下的溫差測量值，并可以通過對(duì)測量值的分析擬合出溫差測量值的經(jīng)驗(yàn)公式，從而指導(dǎo)儀器在測溫技術(shù)上的實(shí)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(zhǔn)確度和空間分辨力的性能標(biāo)定試驗(yàn)，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(zhǔn)確度和溫差測量值的經(jīng)驗(yàn)公式，從而在實(shí)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(shí)際升溫的前提下，可以通過經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算出溫差測量值，并結(jié)合前面準(zhǔn)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(shí)間，進(jìn)而指導(dǎo)分布式光纖測溫技術(shù)的工程應(yīng)用。