感温光缆的工作原理是什么？

感温光缆的工作原理是什么？

感温光缆（也称为分布式光纤温度传感系统，DTS）是一种利用光纤作为传感器实现温度分布式测量的技术。其核心原理是基于光纤中光的散射效应与温度的关系，结合光时域反射技术（OTDR）来定位和测量温度变化。

基本原理：光散射与温度的关系

当激光脉冲在光纤中传播时，光子会与光纤材料（如石英）的分子或晶格结构发生相互作用，产生三种主要散射：

• 瑞利散射（Rayleigh Scattering）：由光纤材料密度的微观不均匀性引起，波长与入射光相同，主要用于光纤通信的损耗分析。

• 拉曼散射（Raman Scattering）：由分子振动或晶格振动引起，散射光的波长会发生偏移，分为 斯托克斯光（Stokes）（波长长于入射光）和 反斯托克斯光（Anti-Stokes）（波长短于入射光）。

• 布里渊散射（Brillouin Scattering）：与声子振动相关，也可用于温度和应变测量，但常用于更复杂的传感系统。

关键点：反斯托克斯光的强度对温度敏感，其与斯托克斯光的强度比值（IA−S/ISIA−S/IS）与温度呈指数关系，是测温的核心依据。

感温光缆主要利用拉曼散射的反斯托克斯分量进行温度测量。

工作流程

1. 激光脉冲发射：系统向光纤中注入高功率的窄脉冲激光（通常波长在1550 nm附近）。

2. 散射信号采集：激光在光纤中传输时，产生的拉曼散射光（斯托克斯和反斯托克斯光）会沿光纤返回，被光电探测器接收。

3. 信号解调与温度计算：通过测量反斯托克斯光与斯托克斯光的强度比，结合标定参数，计算光纤各点的温度值。

4. 温度定位：利用光时域反射（OTDR）技术，通过散射光返回的时间差确定温度点的位置。

关键技术指标

• 空间分辨率：区分相邻温度点的最小距离（通常为1-5米）。
• 测温精度：可达±0.5°C~±2°C。
• 测量距离：单端测量可达几十公里（取决于激光功率和光纤损耗）。
• 响应时间：从数秒到数分钟，取决于系统设计。

应用场景

• 火灾监测：隧道、电缆廊道、储油罐的早期火灾预警。
• 能源设施：油气管线泄漏监测、电力电缆温度监控。
• 工业过程：大型反应釜、管道的温度分布监测。
• 环境监测：冰川、冻土温度场研究。

优势

• 分布式测量：一根光纤覆盖数公里，无需离散传感器。
• 抗电磁干扰：光纤为绝缘介质，适用于强电磁环境。
• 长寿命与稳定性：光纤耐腐蚀、无源，适合恶劣环境。
• 实时性：可连续监测温度变化并精确定位异常点。