分布式多點溫度測量

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

如果測量點分布較遠，則可以采用基于光纖的傳感器，作為在多個分布點進行溫度測量的最合適設備之一。基于光纖的傳感器具有許多優(yōu)點，例如體積小、靈活性好、遠程操作、抗電磁場和射頻干擾以及能夠在惡劣環(huán)境中運行。已經(jīng)開發(fā)了各種基于光纖的溫度傳感器，據(jù)報道它們可以使用光纖布拉格光柵測量溫度(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光纖，也不適合監(jiān)測分布廣泛的多點溫度。在某些情況下，需要同時測量相距數(shù)百米或數(shù)公里的點的溫度。例如，有必要測量或監(jiān)測難以接近的危險環(huán)境（如核電站、放射性廢物場和化工廠）的溫度。

在這項研究中，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)，使用光時域反射計(OTDR) 來同時測量多個任意點的溫度。OTDR 是一種光電儀器，可用于表征光纖并揭示光纖通信網(wǎng)絡中的光纖斷裂位置。作為 FTSS 的一部分，OTDR 可用作光源和光學測量設備。它可以測量多個不同的光信號，這些光信號隨著分布在多個點上的溫度變化而同時產(chǎn)生。我們測量并分析了光功率 FTSS 的四個通道，以便使用 OTDR 同時確定四個不同點的各個溫度。

材料和方法
對于實時同步溫度測量，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。為了將光纖簡單準確地連接到光學儀器（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行快速簡單的操作黃銅帽，由于內(nèi)部凹槽的螺旋結構。為了將光信號從溫度傳感探頭傳輸?shù)?OTDR，我們使用了具有纖芯/包層結構的單模光纖（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.）用作光源和光測量設備。常用于光通信領域中埋地光線路故障點的測量。它可以測量和顯示由沿光纖的端點散射（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)勢在于它可以同時實時測量多個光信號，并將光纖的長度延長到數(shù)百公里。

我們使用 OTDR測量了反射光（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度（方程（1））之間的相關性隨溫度而變化，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，導致菲涅耳反射強度降低。因此，菲涅耳反射量隨著硅油溫度的降低而增加。因此，可以通過測量反射光的光強來確定任意點的溫度，這與硅油的折射率變化直接相關。

用于評估溫度傳感探頭的實驗裝置。一旦將具有溫度感應探頭的四個通道放入四個燒杯中，每個燒杯中的水溫就可以使用加熱板（Combi mantle，Global Lab）獨立控制和保持。使用熱電偶（54II溫度計）測量水溫, Fluke)，用作參考溫度計。在四個通道中使用熱電偶測量的溫度和使用 OTDR 的光功率進行比較和分析，以確定四個燒杯中的水溫。一個 1 × 4 光纖耦合器（FCQ1315-FC，Thorlabs Inc.）用于將來自 OTDR 的光源信號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到OTDR。

分布式光纖測溫系統(tǒng)特點:

分布式實時測量，覆蓋100%探測區(qū)域，精確定位火災發(fā)生位置；

測量距離長，測量信息豐富；

測量精度高，響應速度快；

可靠性高，誤報率低；

報警方式靈活，可實現(xiàn)差定溫多級報警方式，確保火災初期可靠報警；

探測光纜既是信號傳輸載體，又是感溫元件，安裝方便；

光信號測量，本質(zhì)安全，抗電磁干擾，適合易燃易爆環(huán)境下長期工作；

探測光纜壽命長，后期維護成本低。