分布式多點(diǎn)溫度測(cè)量

物理學(xué)、化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生物學(xué)等自然科學(xué)領(lǐng)域的各種現(xiàn)象中，溫度是一個(gè)非常重要的物理量。在食品和飲料加工、塑料生產(chǎn)、金屬加工等各個(gè)行業(yè)都需要監(jiān)測(cè)和控制溫度。為了能夠測(cè)量溫度，可以根據(jù)給定測(cè)量的適用性采用各種類型的設(shè)備，包括熱電偶、電阻溫度檢測(cè)器、熱敏電阻、紅外輻射溫度計(jì)和加熱標(biāo)簽。通常需要使用具有相同性能水平的相同類型的溫度測(cè)量設(shè)備同時(shí)測(cè)量多個(gè)點(diǎn)的溫度。

如果測(cè)量點(diǎn)分布較遠(yuǎn)，則可以采用基于光纖的傳感器，作為在多個(gè)分布點(diǎn)進(jìn)行溫度測(cè)量的最合適設(shè)備之一。基于光纖的傳感器具有許多優(yōu)點(diǎn)，例如體積小、靈活性好、遠(yuǎn)程操作、抗電磁場(chǎng)和射頻干擾以及能夠在惡劣環(huán)境中運(yùn)行。已經(jīng)開發(fā)了各種基于光纖的溫度傳感器，據(jù)報(bào)道它們可以使用光纖布拉格光柵測(cè)量溫度(FBG)、紅外 (IR)光纖或可以改變其物理特性（包括顏色、吸光度和反射率）的特殊材料，作為溫度的函數(shù). 然而，上述基于光纖的溫度傳感器即使使用長(zhǎng)光纖，也不適合監(jiān)測(cè)分布廣泛的多點(diǎn)溫度。在某些情況下，需要同時(shí)測(cè)量相距數(shù)百米或數(shù)公里的點(diǎn)的溫度。例如，有必要測(cè)量或監(jiān)測(cè)難以接近的危險(xiǎn)環(huán)境（如核電站、放射性廢物場(chǎng)和化工廠）的溫度。

在這項(xiàng)研究中，我們開發(fā)了一種基于硅油的多通道光纖溫度傳感器系統(tǒng) (FTSS)，使用光時(shí)域反射計(jì)(OTDR) 來同時(shí)測(cè)量多個(gè)任意點(diǎn)的溫度。OTDR 是一種光電儀器，可用于表征光纖并揭示光纖通信網(wǎng)絡(luò)中的光纖斷裂位置。作為 FTSS 的一部分，OTDR 可用作光源和光學(xué)測(cè)量設(shè)備。它可以測(cè)量多個(gè)不同的光信號(hào)，這些光信號(hào)隨著分布在多個(gè)點(diǎn)上的溫度變化而同時(shí)產(chǎn)生。我們測(cè)量并分析了光功率 FTSS 的四個(gè)通道，以便使用 OTDR 同時(shí)確定四個(gè)不同點(diǎn)的各個(gè)溫度。

材料和方法
對(duì)于實(shí)時(shí)同步溫度測(cè)量，我們開發(fā)了多通道 FTSS。它由光纖溫度傳感探頭、光纖耦合器、傳輸光纖和 OTDR 組成。感溫探頭由感溫材料、鍍鎳黃銅帽、光纖通道（FC）端接器和單模光纖組成，如圖1所示。作為感溫材料，我們使用了硅油（KF-54，Shin-Etsu），其折射率隨溫度變化而變化。此外，它還表現(xiàn)出溫度穩(wěn)定性、良好的傳熱特性，在-35°C至250°C的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)非常明顯。鍍鎳黃銅帽，具有非常好的導(dǎo)熱性, 用于增加溫度敏感性，鍍鎳可以防止外部污染物引起的腐蝕。圓柱形鍍鎳黃銅帽的高度為 13.0 毫米，帽的外徑和內(nèi)徑分別為 9.0 和 6.1 毫米。為了將光纖簡(jiǎn)單準(zhǔn)確地連接到光學(xué)儀器（如 OTDR 和光纖耦合器），我們采用了 FC 端接器（30126C3，Thorlabs Inc.），這有助于通過鍍鎳進(jìn)行快速簡(jiǎn)單的操作黃銅帽，由于內(nèi)部凹槽的螺旋結(jié)構(gòu)。為了將光信號(hào)從溫度傳感探頭傳輸?shù)?OTDR，我們使用了具有纖芯/包層結(jié)構(gòu)的單模光纖（980HP，Thorlabs Inc.）。單模光纖的外徑為 245 μm，由折射率為 1.402 的氟化聚合物制成。纖芯直徑為 3.6 μm，由折射率為 1.46 的二氧化硅制成。

 

在本研究中，OTDR（AQ7275-735041，Yokogawa Inc.）用作光源和光測(cè)量設(shè)備。常用于光通信領(lǐng)域中埋地光線路故障點(diǎn)的測(cè)量。它可以測(cè)量和顯示由沿光纖的端點(diǎn)散射（瑞利反向散射）或反射（菲涅耳反射）的光產(chǎn)生的一系列光脈沖。OTDR 的優(yōu)勢(shì)在于它可以同時(shí)實(shí)時(shí)測(cè)量多個(gè)光信號(hào)，并將光纖的長(zhǎng)度延長(zhǎng)到數(shù)百公里。

我們使用 OTDR測(cè)量了反射光（菲涅耳反射）的光功率。菲涅耳反射是部分入射光在具有不同折射率的兩種介質(zhì)之間的離散界面處的反射。在 FTSS 中，菲涅耳反射是在硅油與傳感探頭遠(yuǎn)端單模光纖纖芯的界面處產(chǎn)生的。反射光（菲涅耳反射）的強(qiáng)度比為：
(1)
其中 R 是反射系數(shù)，并且 和 分別是單模光纖纖芯和硅油的折射率。硅油的折射率與菲涅耳反射強(qiáng)度（方程（1））之間的相關(guān)性隨溫度而變化，如圖2所示。

 

硅油的折射率隨著溫度的升高而降低，接近單模光纖纖芯的折射率值，導(dǎo)致菲涅耳反射強(qiáng)度降低。因此，菲涅耳反射量隨著硅油溫度的降低而增加。因此，可以通過測(cè)量反射光的光強(qiáng)來確定任意點(diǎn)的溫度，這與硅油的折射率變化直接相關(guān)。

用于評(píng)估溫度傳感探頭的實(shí)驗(yàn)裝置。一旦將具有溫度感應(yīng)探頭的四個(gè)通道放入四個(gè)燒杯中，每個(gè)燒杯中的水溫就可以使用加熱板（Combi mantle，Global Lab）獨(dú)立控制和保持。使用熱電偶（54II溫度計(jì)）測(cè)量水溫, Fluke)，用作參考溫度計(jì)。在四個(gè)通道中使用熱電偶測(cè)量的溫度和使用 OTDR 的光功率進(jìn)行比較和分析，以確定四個(gè)燒杯中的水溫。一個(gè) 1 × 4 光纖耦合器（FCQ1315-FC，Thorlabs Inc.）用于將來自 OTDR 的光源信號(hào)分配到溫度傳感探頭，以及收集和傳輸來自探頭的菲涅爾反射信號(hào)到OTDR。

分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)特點(diǎn):

分布式實(shí)時(shí)測(cè)量，覆蓋100%探測(cè)區(qū)域，精確定位火災(zāi)發(fā)生位置；

測(cè)量距離長(zhǎng)，測(cè)量信息豐富；

測(cè)量精度高，響應(yīng)速度快；

可靠性高，誤報(bào)率低；

報(bào)警方式靈活，可實(shí)現(xiàn)差定溫多級(jí)報(bào)警方式，確保火災(zāi)初期可靠報(bào)警；

探測(cè)光纜既是信號(hào)傳輸載體，又是感溫元件，安裝方便；

光信號(hào)測(cè)量，本質(zhì)安全，抗電磁干擾，適合易燃易爆環(huán)境下長(zhǎng)期工作；

探測(cè)光纜壽命長(zhǎng)，后期維護(hù)成本低。