賈振安， 張 童， 劉穎剛， 尉 婷， 徐 成

(西安石油大學 光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西 西安 710065)

基于BOTDA的分布式光纖溫度傳感測量實驗研究*

賈振安， 張 童， 劉穎剛， 尉 婷， 徐 成

(西安石油大學 光電油氣測井與檢測教育部重點實驗室，陜西 西安 710065)

為了進一步提高布里淵光時域分析(BOTDA)的測溫精度,基于BOTDA的原理，構建了溫度傳感測量系統(tǒng)。測溫實驗發(fā)現(xiàn)，測溫光纖的保護層厚度影響了其測溫的精度；裸纖直接測溫的精度較高，但也易受外界影響，且易斷，故改進光纖的保護層可以提高其測溫精度。提出一種將導熱硅脂涂敷在光纖上進行測溫試驗的方法，提高了溫度測量的準確性。

布里淵光時域分析； 分布式； 溫度傳感； 導熱硅脂

0 引 言

第一根光纖誕生在20世紀60年代，并在隨后的幾十年里迅速發(fā)展，成為一種不可或缺的通信手段。經不斷研究，光纖傳感技術也從實驗室研究走向實用化，部分光纖傳感器已投入實際工程應用并形成產業(yè)。隨著在實際工程中的應用，光纖傳感器相比傳統(tǒng)的傳感器優(yōu)點越發(fā)突出，如,光纖本身體積小、質量輕，實際應用中便于鋪設；電絕緣性好、靈敏度高、抗電磁干擾能力強、耐高溫、耐高壓、耐腐蝕、能夠在惡劣環(huán)境下有效地進行傳感檢測。光纖即是傳感器又是傳輸介質，能夠實現(xiàn)長距離、分布式的準確測量[1，2]。

基于瑞利散射和拉曼散射的光纖檢測技術發(fā)展較早、使用較為廣泛，但這2種技術均難能實現(xiàn)長距離、高精度測量?；诓祭餃Y的分布式光纖分析(BOTDA)原理的傳感技術雖然發(fā)展較晚，但它不僅可以實現(xiàn)長距離、高精度、高空間分辨率的測量，而且可以同時測量溫度和應變。因此，基于布里淵散射的傳感檢測技術有重大研究價值?；谠摷夹g，本文利用不同的光纖進行了測溫對比實驗。

1 BOTDA的測溫原理

圖1為BOTDA原理圖。將一束泵浦光和一束探測光分別從傳感光纖的兩端入射進光纖，當泵浦光與探測光的頻差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移相等時，在該區(qū)域內就會產生布里淵放大效應[3]。因此，檢測從光纖一端耦合出來的連續(xù)光功率就可以確定光纖各小區(qū)間上能量轉移達到最大時所對應的頻率差[4～6]。

圖1 BOTDA原理圖Fig 1 Principle diagram of BOTDA

在BOTDA技術中，布里淵頻移與溫度、應變的變化關系為

νB(ε,T)=νB(0)+(T-T0)C12+(ε-0)C11.

(1)

其中,νB(ε,T)表示應變?yōu)棣牛瑴囟葹門時的布里淵頻移；νB(0)為ε=0，T=T0時的布里淵頻移；C12為溫度影響系數(shù)，C11為應變影響系數(shù)[7～9]。

若光纖不受應力，即ε=0，布里淵頻移與溫度的變化關系為

νB(0,T)=νB(0,T0)[1+CT(T-T0)],

(2)

式中CT為布里淵頻移的溫度系數(shù)；T0為參考溫度。因此，檢測布里淵頻移就可得到相應的溫度。

2 實驗研究

圖2為系統(tǒng)實驗平臺。實驗中，光纖采用的是松套測溫光纖和裸纖(均進行過溫度標定)，涂覆材料選用的是導熱硅脂，分析儀采用DiTeStSTA—R系列的BOTDA系統(tǒng)，其溫度測量范圍為-270～700 ℃。

圖2 實驗平臺Fig 2 Experimental platform

在240.6～242.6 m的裸纖上均勻涂覆導熱硅脂，和測溫光纖連成一個回路，并分別將長度約為1.5 m的裸纖、測溫光纖以及加有涂覆的裸纖放在測溫箱里，進行測溫試驗，加溫區(qū)間為30～100 ℃，加熱梯度為10 ℃，逐級調節(jié)恒溫箱溫度，每級溫度穩(wěn)定30 min，待光纖充分受熱后用BOTDA 系統(tǒng)進行測量，再將測量數(shù)據(jù)與溫度進行擬合，得到裸纖、測溫光纖、加涂覆裸纖的測量結果，如圖3所示。

圖3 裸纖、測溫光纖的測溫結果Fig 3 Temperature measurement results by bare fiber and temperature measuring fiber

由實驗結果可以得出：對于裸纖，擬合曲線的線性度非常好，測溫值與恒溫箱設定值之差變化較恒定，沒有出現(xiàn)測量值隨溫度升高誤差變大的情況，可以快速、準確地測量溫度。對比測溫光纖，開始時，測量值與恒溫箱設定值之差變化較恒定，擬合曲線的斜率基本保持不變，當溫度逐級升高至60 ℃時，擬合曲線的斜率明顯減小，測溫差值已經達到了2 ℃，超過了誤差范圍，這說明護套對光纖的溫度效應是有影響的。這是由于在開始升溫時，光纖護套雖然阻礙了溫度的傳遞，但由于熱膨脹效應，護套對纖芯產生了一定的拉應力，使得光纖在感受溫度的同時也感受到應變，故而擬合曲線斜率較高。當溫度升高到某一溫度時，護套熱膨脹使纖芯拉伸，拉應力減小，故擬合曲線斜率減小。

由于裸纖沒有保護層，雖然可以靈敏地感受周圍環(huán)境的溫度變化，但同時很容易受應力等外界因素影響，使測溫結果產生誤差，而且裸纖易斷，很難應用于實際溫度測量中。為了提高測溫光纖的測量精度，應盡量避免保護層對溫度傳遞的阻礙和熱膨脹效應等的影響。本文采用導熱硅脂涂覆裸纖進行試驗研究，其結果見圖4。

圖4 裸纖與加涂覆裸纖的測溫結果Fig 4 Temperature measurement results by bare fiber and coated bare fiber

由實驗結果可以得出：加有涂覆的裸纖，測溫值與恒溫箱設定差值較為恒定，沒有出現(xiàn)測量值隨溫度升高誤差變大的情況，且均在誤差范圍之內。對比裸纖，加有涂覆的裸纖不僅可以滿足測溫精度要求，同時又起到保護裸纖的作用；對比松套測溫光纖，減小保護層厚度，從而減小保護層引起的誤差，測溫精度較高，且均在誤差范圍內。

3 結 論

本文通過對裸纖、松套測溫光纖與加有導熱涂覆的裸纖進行測溫試驗，試驗結果表明：裸纖可以很靈敏地感知周圍環(huán)境溫度的變化，測溫的誤差較小且恒定，但是裸纖易斷；松套測溫光纖較裸纖結實，但是其測溫誤差隨著溫度升高逐步變大至超過誤差范圍。相對測溫光纖，導熱硅脂代替保護層，減小溫度在傳遞至纖芯時的損失，使光纖更快更容易感應溫度，從而提高了測溫的精度。相對裸纖，導熱硅膠起到保護層的作用，保證測溫精度的同時保護光纖不易斷。因此，為了提高測溫光纖的測溫精度，就得對起保護層進行進一步的改良，以減小溫度在傳遞至纖芯時的損失，從而提高測溫精度。

[1] 張 穎,張 娟,郭玉靜,等.分布式光纖溫度傳感器的研究現(xiàn)狀及趨勢[J].儀表技術與傳感器,2007(8):1-3.

[2] 王其富,喬學光,賈振安,等.布里淵散射分布式光纖傳感技術的研究進展[J].傳感器與微系統(tǒng),2007,26(7):7-9.

[3] 張競文,呂安強,李寶罡,等.基于BOTDA的分布式光纖傳感技術研究進展[J].光通信研究,2010(4):25-27.

[4] Yu L P,Liu Y Z,Dai Z Y. Brillouin scattering distributed optical fiber sensor[J].Laser & Optoelectronics Progress,2006,43(4):24-28.

[5] 宋牟平,勵志成,裘 超,等.50 km長距離布里淵光時域分析分布式光纖傳感器[J].中國激光,2010,37(6):1426-1429.

[6] 聶 俊,李端有,梁 俊,等.基于BOTDA的溫度和應變測試探討[J].長江科學院院報,2011,28(4):66-70.

[7] 黃軍芬,黃民雙,馮音琦,等.基于BOTDA技術的分布式光纖溫度傳感技術試驗系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器,2011，3(2):6-8.

[8] Yu L P,Liu Y Z,Dai Z Y. Brillouin scattering distributed optical fiber sensor[J].Laser & Optoelectronics Progress,2006,43(4):24-28.

[9] Song M P,Zhao B,Zhang X M. Brillouin optical time domain analysis distributed optic fiber sensor based on microwave electrooptic modulation[J].Acta Optica Sinica,2005,25(8):1053-1056.

Experimental study on distributed optical fiber temperature sensing and measurement system based on BOTDA*

JIA Zhen-an, ZHANG Tong, LIU Ying-gang, WEI Ting, XU Cheng

(Key Laboratory of Photoelectricity Gas & Oil Logging and Detecting of Ministry of Education，Xi’an Shiyou University， Xi’an 710065,China)

To further improve temperature measurement precision of Brillouin optical time-domain analysis(BOTDA),a temperature sensing and measurement system which based on BOTDA is constructed.It is found that the protective layer of temperature measuring optical fiber affects precision of temperature measurement,and the bare fiber has higher precision,but also is affected easily by environment and is easily broken,so improve protective layer of optical fiber can improve measurement precision. Propose a kind of temperature measurement method which uses thermal grease apply on optical fiber,improves accuracy of temperature measurement.

BOTDA;distributed;temperature sensing;thermal grease

2014—01—23

國家自然科學基金資助項目(607277004)；陜西省“13115”科技創(chuàng)新工程重大科技專項項目(2009ZDKG—42)

TP 212.9

A

1000—9787(2014)04—0035—02

賈振安(1959-)，男，陜西咸陽人，教授，主要從事光纖測井技術、光纖傳感技術的研究．