基于光纤延迟的准分布式光纤温度传感器研究

Distributed optical fiber temperature sensors can provide temperature information along the optical fiber, they could be widely used in power equipments, bridges, dams and tunnels. Traditional distributed temperature sensors adopt either distributed optical fiber grating or nonlinear back scattering, two methods all need complex measurement systems and high cost. In order to solve the mentioned technical problems, a quasi-distributed temperature sensing method based on fiber delay line technology was put forward, temperature information was obtained by measuring additional delay of optical signal in fiber. .The main research contents are included as follows: (1) Study on transmission delay and temperature character of optical fiber, establishing theoretical model of temperature sensing. (2) Establishing system of measuring optical fiber delay and temperature, study on linear relationship between optical fiber delay and temperature, and accuracy and dynamic range of temperature sensing. (3) Design of a quasi-distributed optical fiber temperature sensor based on multiple wavelength fiber delay line. (4) Establishing experimental system of quasi-distributed optical fiber temperature sensing, optimizing system design..Innovative points are included as follows: (1) Propose a method based on fiber delay line technology to measure temperature. (2) Establishing a quasi-distributed temperature sensing system based on multiple wavelength fiber delay line..The aim of the study was to lower the cost, in the meantime, to enlarge the measuring temperature range, to lay a solid foundation for the application.

分布式光纤温度传感器沿着传输光纤测量各个位置的温度情况,广泛应用于电力设备、桥梁、大坝和隧道中。通常采用分布式光纤光栅和非线性后向散射两类技术，具有测量系统较复杂，且成本较高的特点。为了解决上述技术问题，本项目提出了一种基于光纤延迟技术的准分布式光纤温度传感方法，通过测量光信号在光纤中的附加传输延迟得到温度。.主要研究内容包括：①研究光纤的传输延迟与温度特性，建立温度传感的理论模型；②建立光纤延迟与温度的测试平台，研究温度与延迟的线性关系、测量精度和和测量范围；③设计多波长基于光纤延迟的准分布式光纤温度传感器；④建立准分布式温度传感实验系统，优化系统设计。.本项目创新之处在于：①提出了基于光纤延迟的温度测量方法；②建立了多波长基于光纤延迟的准分布式光纤温度传感系统。.本项目的目标：致力于降低成本，同时提高温度的测量范围，实现低成本、大动态范围的光纤分布式温度传感，为应用打下坚实的基础。

项目完成了石英光纤传输延迟与温度特性的理论研究。研究了温度对光纤长度和光纤折射率的影响，通过分析研究光纤温度膨胀系数和折射率的温度系数，确定温度与光信号传输延迟的关系。建立了光纤延迟对温度传感的理论模型，从理论证明了光信号在光纤中的传输延迟时间和温度呈线性关系。.建立了光纤延迟与温度关系的测试平台，完成了温度与延迟的线性关系、测量范围和精度的研究。采用矢量网络分析仪和光收发模块建立光纤延迟的测试平台，利用频域相位法实现了高精度延迟测量（0.1ps）。建立了低温和高温测试环境，在-65℃至+100℃的温度范围进行了测量，测量结果表明在该温度范围内，光纤延迟温度系数具有良好的线性特征，系数为45.767ps/km℃。同时对光纤在+100℃至+1100℃的温度范围进行了测量，测量结果表明在该温度范围内，光纤延迟温度系数也具有良好的线性特性，系数为44.346ps/km℃。该研究在国际上首次从理论和实验证明了，在-65℃至+1100℃温度范围，温度与延迟时间呈线性关系，为传感器的研究提供了依据。合计发表论文9篇，其中SCI论文4篇，EI论文2篇，国际会议论文2篇，中文期刊论文1篇。.基于上述理论和实验成果，完成了多种光纤温度传感器和准分布式光纤温度传感器设计。申请中国国家发明专利6项，授权4项；同时获得2项美国发明专利授权。并对上述传感器进行了实验研究，证明了可行性和应用价值。该研究在国际上首次实现了基于光纤延迟的温度传感器和准分布式传感器研制。.采用上述专利技术，研制了光纤长为32.601km，8个分布式温度传感节点的实验系统，其中包括由光纤环构成的光纤延迟延迟传感头。实验结果表明：该准分布式光纤延迟温度传感器的技术方案可行，测量温度范围：-30℃至+80℃，精度为0.5℃，分布式距离优于30km。该传感器与其它类型的光纤温度传感器比较，具有成本低易于推广应用的特点。