光纤温度与应变测量

通过沿光纤长度方向对瑞利散射进行采样，可以实现一种分布式传感器系统，其中光纤沿线的每个点都充当一个传感器。该方法可对长达70米的距离内的温度和应变分布进行准连续测量。其空间分辨率达毫米量级，相当于数千个传统的独立传感器。

光纤传感器技术

多年来，光纤传感器一直被用于温度检测或机械量测量，特别是在电气传感器已达到其极限的环境中。这可能是在存在强电磁场或恶劣化学条件的环境中。同样，这也适用于需要覆盖长距离的应用，或者在这些应用中，玻璃光纤的紧凑直径和轻量化特性具有优势。

基于光纤的系统由一个监测单元和连接至该单元的无源传感器光纤组成。监测单元将来自可调频激光器或宽带光源的光传输至光纤中。光在光纤内传播时的特性会随温度和应变的变化而改变。监测单元收集的后向散射光中包含这些变化，经分析后可转换为应变和温度数据。

在传感器方面，可区分单点采样和分布式采样。单点传感器可通过在光纤中写入光纤布拉格光栅来实现，该光栅会根据光纤的应变和温度，产生以特定波长为中心的反射。另一种方案则是读取附着在光纤尖端处的半导体晶体的温度依赖性吸收特性，从而形成光学端点传感器。

由于这些传感器仅在离散的测量位置工作，因此传感器的数量及其精确位置都是整体系统设计中的关键因素，特别是在总成本方面。对于此类传感器而言，若无法预先知晓事件发生的位置（例如混凝土结构中温度热点的发展或裂缝的形成），则捕捉这些事件是一项根本性挑战。在这种情况下，单个传感器的定位错误可能会导致测量结果和分析结论完全失准。

如果温度和应变分布呈陡峭梯度，或者需要对空间延伸的结构（二维或三维）进行精确监测，也会出现类似问题。因此，由于传感器数量不足，局部事件可能无法被检测到。

能够沿传感光纤进行准连续分布式测量的系统具有显著优势。这些系统利用光纤材料本身散射回的光，从而获取所需的温度和应变相关信息。

目前已针对长距离应用确立了两种测量方法，分别利用光纤内的拉曼散射和布里渊散射。这些系统可实现数十公里范围内的分布式温度和应变测量。然而，基于拉曼和布里渊散射的分布式传感系统的距离分辨率仅限于约1米。限制因素在于此处使用的散射光强度极低，这使得提高分辨率变得非常困难。

从绝对值来看，后向散射光中的瑞利散射虽然也很微弱，但远大于拉曼和布里渊散射。近年来，美国Luna Technologies公司成功开发出一套利用瑞利散射进行分布式测量的系统，其分辨率可达毫米量级。

光频域反射测量法（OFDR）

在进行分布式测量的传感器系统中，提供空间分辨率的反射仪是不可或缺的一部分。在许多情况下，拉曼和布里渊系统会与光时域反射仪（OTDR）配合使用，其中监测单元发射一个短光脉冲，并利用后向散射光的飞行时间来确定反射点的位置。

对于瑞利传感器技术，所需的分辨率远高于OTDR所能达到的水平。这通过使用相干光频域反射仪（c-OFDR）来实现（图1）。

在 c-OFDR 系统中，可变频率连续波 (CW) 激光器的光束被耦合到光纤马赫-曾德尔干涉仪中。其中一根光纤作为路径长度固定的参考臂，另一根光纤则构成检测臂。从检测臂散射回来的光与来自参考臂的光在输出耦合器处发生干涉。通过改变激光波长的频率，可在探测器处产生周期性信号，其频率取决于光纤中散射回光的具体段落位置。该光纤段距离探测器越远，干涉信号的频率就越高。由于探测器同时接收来自所有光纤段的后向散射信号，因此必须使用傅里叶变换技术将总信号分解为各频率分量。这些频率随后对应于光纤中信号的位置。每个频率分量的振幅则表示相应反射的强度。

可达到的空间分辨率取决于激光器可调谐的波长范围。Luna Technologies公司的商用系统工作波长为1550 nm，最大调谐范围为90 nm。这对应的空间分辨率为10 µm。在光纤长度最大可达70 m的情况下，该系统每进行一次激光扫描，即可获得700万个光纤段的瑞利后向散射信号。

瑞利信号的分析

当使用OFDR对市售光纤进行扫描时，将检测到沿光纤方向的瑞利散射强度波动曲线。在外部条件不变的情况下重复测量时，该曲线具有绝对稳定性，因此它代表了特定光纤段的特征“指纹”（图2）。其原因在于瑞利散射的本质。瑞利散射是由局部缺陷、折射率变化或光波导几何形状畸变引起的弹性散射过程所导致的；尽管该分布在不同光纤段之间存在差异，但总体上仍然保持稳定。

图2：沿玻璃纤维段的瑞利强度分布曲线。在外部条件恒定的情况下，连续扫描中信号的分布曲线保持不变。这一特征性“指纹”被用作在变化条件下进行测量时的参考基准。

如果此时改变光纤内部的温度或应变条件，该“指纹”会在空间上发生拉伸或压缩（图3）。这一现象是瑞利传感器技术的基础，因为局部瑞利图案的变化可以转换为局部温度或应变测量值。

为了实现这一点，将光纤返回的测量信号划分为对应于≥1 mm区段的小分析窗口，并将其中包含的信号转换到频率域（图4）。结果是产生一种随频率变化的波动反射图样。光纤温度或应变条件的变化会导致频率偏移Δf，该偏移量与影响光纤的外部条件变化成正比。这一过程基本上类似于基于光纤布拉格光栅的测量，在后者中，当外部条件发生变化时，同样会检测到反射频率峰值的偏移。

图3：瑞利散射是由光纤沿程的局部折射率波动引起的。随着温度或应变的变化，这种特征分布会发生拉伸或压缩，从而可用于测量这些物理量。

最后，为了获得分布式测量结果，必须通过软件算法将分析窗口沿光纤长度方向移动，从而生成沿路径的完整轮廓。

图4：为了分析瑞利散射，将测量信号划分为多个小分析窗口，在这些窗口中，通过频率偏移来确定局部变化，并将其转换为温度和应变测量值

瑞利传感器技术的特性

因此，OFDR与瑞利散射的结合形成了一个具有特殊特性的温度和应变分布式测量系统：

高空间分辨率：可变的分析窗口决定了空间分辨率。目前市售系统中，该分辨率可设置为最小1毫米，总光纤长度可达70米。不过，这并非物理上的限制，而是受数据处理能力的制约。

灵活的虚拟传感器位置：原则上，单次激光扫描即可提供所有相关信息。但分析窗口可定位于任意位置并具有可变宽度，既可连续移动，也可固定在特定测量点。因此，物理传感器定位这一复杂问题不再存在，因为该位置现由软件在测量前或测量后确定。

标准玻璃光纤作为传感器：由于即使是低散射的光纤仍会产生足够的瑞利散射，因此不仅可以使用许多市售标准光纤，经过适当校准后，特殊类型的光纤也可使用。但光纤的涂层必须根据具体应用进行调整。对于最高350°C的温度测量，光纤需要聚酰亚胺涂层；而对于最高700°C的温度测量，则需要金涂层。对于应变测量，涂层需将被测物体的应变变化最优地传递至光纤。使用标准玻璃光纤实际可达到的最大应变约为 30 000 µm/m。

高测量灵敏度：温度变化可分辨至0.1°C，应变变化可分辨至1 µm/m。

所有传感器的并行读取：采用上述测量方法，光纤的所有段均可同时读取。最大采样率可达5 Hz。这使得用户能够轻松观察通过该系统测量的物体的整体动态变化。