DSTSS簡介

光纖分散式應變和溫度傳感的應用

綜述

光纖分散式應變和溫度傳感技術可測量長距離的應變和溫度分佈，是監測各類大型結構狀態的理想工具。這類感測器利用光 纖通信的巨大經濟規模，在每公里成本上，提供了其他技術無可比擬的高精度長範圍監控方法。在油氣管線、橋樑、大壩、 電力線的監測、以及邊境安全監控等諸多應用方面。分散式應變和溫度傳感技術提供了清晰的成本和技術優勢，它同時也是 大型結構中侵蝕監測的理想工具。

工作原理 在典型的大型結構監控中，使用OZ光纖傳感器系統並不需要對布裡淵感測器有詳細的瞭解。當然在選擇布裡淵感測器解決 方案時，對於測量系統的基本理解有益於促進相關性能參數的取捨以及感測器系統的選擇。 OZ光學公司的光纖分散式應變和溫度感測器利用一種稱為受激布裡淵散射的現象。
 

測量過程參見下圖：Brillouin Sensor – Principle of Operation

 

典型的感測器設置包括兩台雷射器（一台連續光，一台脈衝光）分別從同一根被測光纖的兩端輸入。當兩台雷射器的頻率差 與光纖的布裡淵頻率相同時，兩束鐳射在光纖內部發生強相互作用並增強光纖中已產生的聲波（聲子），使得布裡淵信號容 易定位檢測。沿光纖測量應變和溫度時，通常需要掃描頻差（拍頻）繪出布裡淵頻譜，通過分析該頻譜以獲得應變和溫度信 息。

圖1底部的公式說明，光纖上每點的布裡淵頻率與該處光纖所感知的外界的溫度和應變成線性關係。對於色散位移光纖， 布裡淵頻譜中存在著兩個峰，這樣有可能從一根光纖上同時獲取應變和溫度兩種資訊。如果使用本公司的感測器系統以及專 利申請中的傳感光纖，則易於同時精准測量應變和溫度，該光纖也同時可用於通信

用於結構健康監測的光纖傳感技術比較

布裡淵感測器在長距離和大範圍監測項目上有天然的優勢。事實上，只要監測長度超過10米的應變或溫度傳感應用就應認 真考慮採用布裡淵傳感技術。 布拉格光纖光柵（FBG）感測器是目前光纖傳感市場上比較多應用的技術，它非常適合各類點式測量。然而，針對結構健 康監測，當前在的破壞或劣化位置未知的情況下，預先安裝FBG或其他點式感測器就顯得相當困難。FBG適合與那些已知 薄弱點的點式測量。而分散式布裡淵感測器則是和更大距離和範圍下事件點未知下的監測應用。

布裡淵光纖傳感器一般分為兩種類型：布裡淵光時域反射儀（BOTDR）和布裡淵光時域分析儀（BOTDA）。前者是基於單 一脈衝的布裡淵散射而獲取應變或者溫度資訊；後者是利用一種更為複雜的稱為受激布裡淵散射現象而求解應變或者溫度或 者同時求解二者。

對於斯托克斯散射（包括布裡淵散射和拉曼散射）由於只有非常微弱的一部分光子（約為1/103）發生散射，並散射頻率低 於入射光頻率。這樣單一脈衝的布裡淵散射光能量至多達到入射光的1/103。對於布裡淵感測器而言，這個反射光是非常微 弱的。再考慮到光纖衰減，比如0.22dB/km，BOTDR的測量距離受到極大限制，信噪比也要較BOTDA差很多。BOTDR唯 一的優勢在於它是單端監測模式。

由於布裡淵光時域分析儀（BOTDA）採用兩個反向傳輸的光束來增強布裡淵散射，因而它的信號強度大，應變和溫度的測 量更為精確，測量範圍更大。此外，我們持有的專利技術還提供了同時實現應變和溫度測量的方法。 當然，BOTDA技術要求更多的光學部件和雙向光路，造成總的系統成本通常略高。然而，因為適度增加的成本帶來了顯著 的測量精度的提高，BODTA還是目前應用最為廣泛的實用系統。
OZ Optics的Foresight™系列DSTS提供BOTDA、BOTDR和BOTDA/BOTDR三種不同設備類型客戶可以根據不同專案需求 選擇合適的設備類型。表1提供了常用的光纖應變和溫度傳感技術的比較,以及每種類型的典型性能限度。
 

表1：分散式和准分散式光纖傳感設備典型性能比對
使用我們專利技術，可以實現對應變和溫度的同時測量。大量使用的標準通信單模光纖價格低廉。在結構健康監測專案中， 對於正確的光纖光纜設計和選型是非常重要的環節。雖然調製設備可以替換或升級，但如果需要同時進行應變和溫度測量， 必須認真考慮選擇正確的光纖光纜以及合適的進行安裝。

光纖分散式應變和溫度感測器的主要應用
光纖分散式應變和溫度感測器已經有為數眾多的應用。如前所述，運用布裡淵散射機理的感測器系統，在高精度大範圍的應 用中有著無可比擬的優勢。與其他感測器技術不同，光纖分散式應變和溫度感測器系統直接利用了安裝在世界各地的數以百 萬計的通信光纖的經濟規模。如下表2所揭示的，光纖分散式應變和溫度感測器最廣泛的應用，確實是在大規模的線性或者 空間尺度上。
 

表2：光纖分散式應變和溫度感測器的應用
OZ Optics可以向客戶提供如上表指出的各行業的解決方案。如果客戶特殊的應用需求沒有被羅列，請與我們聯繫並詳細介 紹你的需求。如果需要詳細資訊，請與我們聯繫。
傳感光纜可以在多種工況下鋪設，覆蓋很大的範圍和很長的距離。比如：一條採礦輸送帶可能有十幾公里長，將礦石送達去 除殘渣車間。設備和物品價值都不高。採用傳統監測手段則很難對整個輸送帶進行溫度監測。但由於工作時可能的異物造成 的摩擦生熱，進而可能導致火災。DSTS和傳感光纜可以簡單的安裝鋪設實現溫度監測。這樣做最大化減小了火災的直接損 失，也避免了由此帶來關閉礦廠造成的巨大損失。

典型性能列表

分散式布裡淵傳感有四個量化參數設置：測量準確度、應變或溫度漂移、空間解析度和光纖長度。這四個參數共同確定了測 量時間。反過來說，如果測量時間被限定，這幾個參數也受到限制。
下面，將提供基於布裡淵原理的ForeSight™ DSTS對這四個參數更多的介紹和參考資料。比如，混凝土裂縫監測可能需要 較高的空間解析度和精度，那麼可以相應的預計需要的測量時間和可用的最大測量光纖長度。

DSTS測量時間從1秒到10分鐘不等，取決於應用需求。下面的表格提供了部分在常用精度要求：優於±0.5⁰C和±10με下的 資料指標。所有測量時間均小於1分40秒。 這個表格並不能完全反映設備可以達到的優異性能。四個參數進行微調可以得到更好的結果。比如，對50km長度光纖的溫 度/應變測量，2米空間解析度下，可以實現精度0.2⁰C/4με，但是需要延長測量時間到3分45秒。另外一個例子是：對100km 長光纖，6米空間解析度可以達到0.4⁰C/8με，但是需要延長測量時間到4分38秒，而同樣的100km光纖，精度達到0.1⁰C/2με， 可以通過增加空間解析度到50m，而時間則可以縮短到3分48秒。
 

表3：不同光纖長度和空間解析度下典型測量精度（所有採樣時間小於100秒）

火災報警模式

DSTS可以用於火災報警系統。分散式的溫度傳感對火災報警有極佳的適應性。傳感光纜本質安全，不會有爆炸或電擊危險。 如果光纜設計合理，還可以應用于高輻射環境下。空間解析度則取決於光纖長度。對20km光纖長度，可以達到1m的空間分 辨率。更短的光纖長度則可以使用更小的空間解析度。同樣的，增加光纖長度則需要增大空間解析度。在火災報警模式下， DSTS可以達到或超過如下表顯示的性能。