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LIOS TECHNOLOGY
Distributed Temperature Sensing (CN)

分布式光纤温度测量

分布式光纤温度测量系统(DTS)是通过光纤作为传感器来测量温度的光学仪器。光纤沿线的温度不仅仅是以点的形式,而是连续分布地被测录。即使是远距离外的某点温度也能被精确测量。

测量原理 拉曼效应
各类物理方面的条件,比如温度或压力以及拉力,可能会影响玻璃纤维以及改变光线在光纤中传输的特性。通过测量散射光在光纤中衰减结果,可以得出光纤受外部物理影响的位置,从而光纤可以被用作线型传感器。

光纤是由混合石英玻璃制成的。石英玻璃是无定形固体结构二氧化硅(SiO2)的一种存在形式。热效应会引发固体内的晶格振荡。当光落在这些被热量激发的分子振荡上时,光粒子和分子电子之间会发生相互作用。光散射,也被称为拉曼散射,会发生在光纤上。与其他光不用,散射光经历了一个量相当于晶格振荡的共振频率的光谱变化。

因此,从光纤散射回来的光包含三股不同的光谱:

  •  波长等同于原激光源的瑞利散射,
  •  具有较高波长的斯托克斯线,光子在其中生成,
  •  以及具有比瑞利散射更低波长的反斯托克斯线,光子在其中被摧毁。


所谓反斯托克斯线的强度是随温度变化的,而斯托克斯线的强度则与温度无关。光纤的局部温度可由斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比推测得出。

测量原理 -- 光频域反射技术
光频域反射(OFDR)技术是最新的分布式光纤测温(DTS)方法。如果被检测到的回波信号在整个测量时间段内被测算为复杂的频率函数,且满足傅里叶变换时,光频域反射系统(OFDR)将提供该区域光纤的温度信息。光频域反射技术带来的基本优势在于激光发射的连续波模式以及光散射回来信号的窄带侦测,以此实现更高的信噪比,相对于传统的脉冲技术(OTDR)来说。此项技术优势使得耐用的半导体激光二极管和信号电子零件的运用成为可能。

光频域反射已经发展成为一个可以测量长度仅为几毫米的光学波导表征的高分辨率测量方法。而LIOS技术有限公司将其率先运用于拉曼散射测量方式中,同时也是LIOS的全球专利。


分布式温度测量系统结构
分布式温度测量系统包含一个控制器(频率生成器,激光源,光学模块,高频混频器,接收器和微型处理器单元)以及作为线型温度传感器的石英玻璃纤维(光纤)。

该设计为三条分光通道,因为除了两条测量通道(反斯托克斯和斯托克斯)之外,还需要另一条参考通道。光频域反射(OFDR)系统在高频调制器的帮助下,其激光源的输出功率在测量时间内从千赫兹开始直到兆赫兹,整体频率成窦状。由此产生的频移是对反射区域分辨率的直接测量。通过光学模块,频率调制激光源被直接连接到光纤传感器。

不断发射出的拉曼散射光在光模块中不断被光谱过滤,并通过光探测器转化为电子信号。然后测量信号在低频范围内被放大和混合。傅里叶变换的平均低频信号生成两条拉曼散射曲线。这些散射曲线的幅值和被观测位置的拉曼散射强度成正比。感应管道光纤的温度则可通过两条测量通道的幅度比得出。