散布式光纤温度传感体系是一种用于实时丈量空间温度场散布的传感体系，实质上是散布光纤拉曼(Raman)光子传感器(DOFRPS)体系，它是近年来发展起来的一种用于实时丈量空间温度场的光纤传感体系。本文拟在扼要论述散布式光纤监测技能和散布式光纤温度监测技能及其校准原理的基础上，对散布式光纤传感温度测验体系功能标定办法进行介绍，为该体系在工程结构监测中的运用供给学习。
二、原理介绍
1.散布式光纤监测技能
(1)光纤光时域反射(OTDR)原理
当激光脉冲在光纤中传输时，因为光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生瑞利散射，在时域里，激光脉冲在光纤中所走过的旅程为2L，可表示为
2L=V×t (1)
式中:V——光在光纤中传达的速度，可表示为V=cn，其间c为真空中的光速，n为光纤的折射率；t——入射光经背向散射回来到光纤入射端所需的时刻。
在t时刻丈量到的是离光纤入射端距离为L处局域的背向瑞利散射光。用光时域反射技能，可以确认光纤处的损耗，光纤毛病点、断点的方位，对丈量点进行定位，因而也可称为光纤激光雷达。
在空间域里，光纤的瑞利背向散射光子通量:
式中:Φe——在光纤入射端的激光脉冲的光子通量；KR——与光纤瑞利散射截面相关的系数；V0——入射激光的频率；S——光纤的背向散射因子；a0——入射光子频率处光纤的损耗；L——局域处离入射端的长度，
。
(2)三类散射
在光纤中传达的光波，其大部分是前向传达的，但因为光纤的非结晶材料在微观空间存在不均匀结构，有一小部分光会产生散射。光纤中的散射进程首要有3种:瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，它们的散射机理各不相同。
当光入射到光纤中，光与光纤介质相互作用引起光的散射。当光子与光纤中的SiO2分子相互作用时，两者没有能量交流的弹性磕碰部分称为瑞利(Rayleigh)散射；两者有能量交流的部分，即入射光子与介质产生非弹性磕碰，吸收或发射声子时，产生布里渊(Brillouin)散射、拉曼(Raman)散射。
2.散布式光纤温度监测技能
(1)拉曼散射原理
与散布式光纤传感温度测验体系首要相关的是拉曼散射。光经过介质时因为入射光与分子运动相互作用而频率产生改动的散射即为拉曼散射(见图1)。
图1
拉曼散射遵从如下规则:散射光中在每条原始入射谱线(频率为v0)两边对称地伴有频率为v0±vi(i=1，2，3，……)的谱线，长波一侧的谱线称红伴线或斯托克斯线，短波一侧的谱线称紫伴线或反斯托克斯线；频率差vi与入射光频率v0无关，由散射物质的性质决议，每种散射物质都有自己特定的频率差，其间有些与介质的红外吸收频率相一致。
因为拉曼散射光的强度与温度成正比，运用拉曼效应可进行温度丈量。
(2)丈量原理(见图2)
运用拉曼效应进行温度丈量。激光脉冲入射到光纤里，在发送端得到背向散射光，并进行剖析。拉曼散射光的强度与温度成正比。丈量散射光强度得到沿光纤散布的温度。
运用OTDR技能核算温度点的方位，是经过丈量背向散射光回来开端端的时刻来得到的，类似于雷达回波技能。
体系选用低功率激光器，将收集信号与调制信号相关(格雷码)构成低功率体系。
三、体系校准
测算由体系与光缆构成的温度丈量体系的衰减率，用测得的衰减率对实测温度进行校对，削减或消除因为散射光衰减引起的温度丈量误差。
体系选用独有的专利保护的单接收器规划，从根本上消除了由传感器光电转化功率导致温度丈量的不准确性，仪器自身出厂后无需再次校准。而因为各个运用者选用的光缆不尽相同，所以运用体系前需求对光缆进行校准。
校准分为长度校准和温度校准，体系充沛考虑到实践工程装置中以及后续保护中或许在一条线路上运用不同供货商的光缆，所以每个丈量通道最多可划分为16个校准分区，独立校准。
丈量形式分为2种:单端丈量和双端丈量形式。单端丈量选用的是温度校准。温度校准的参数为衰减率、增益和偏置。在每段需求校准的传感光缆的前部预留(20～50)m用于校准运用。双端丈量形式无需校准anti-stokes和stokes光的衰减率差，由体系主动完结动态的核算，在进行双端丈量形式(两个通道衔接同一条光纤)时，体系主动校准由必定的环境和机械原因(应力、光纤曲折、熔接点、氢腐蚀)导致的Stokes/Anti-Stokes损耗比的改动。这样的规划可以确保在铺设的光纤的运用寿命内准确地完成温度丈量。
四、可重复性和准确度标定
散布式光纤传感温度测验体系在运用前需确认仪器丈量数据的可重复性以及仪器的准确度，然后使仪器运用者在进行丈量数据处理时，能更清楚地知道数据的牢靠性并合理确认数据的准确度。因而，仪器需求经过实验进行可重复性和准确度的体系功能标定。
1.实验规划
(1)实验设备
1台散布式光纤传感温度测验仪器，1台恒温水域槽SC—5A，光纤若干，1台核算机，剪刀、胶带若干。
(2)实验过程
将大约200m的光纤放入水槽中，水槽设定为恒温40℃，并在表1设定仪器的相关装备参数。
以上不变的参数在本实验中坚持不变，变量为采样时刻。实验分为4组，称号别离为T30、T60、T120、T240，相应的采样时刻别离为30s、60s、120s、240s。然后发动仪器开端实验，得到实验数据。
2.实验数据处理办法
(1)重复性标定数据处理办法
核算每组实验每次计量各测点之间测值的标准差，得到100个标准差。假如100次重复丈量得到的100个方差跟着时刻的加倍而折半，而且100个标准差满足挨近，即每组实验标准差的极差比小于均匀值30%，即可验证重复性。
(2)准确度标定数据处理办法
首要，证明测得的数据契合正态散布。任取其间一次测得的各点数据，以0.01为温差单位(温度准确到2位小数)，核算此温度下的实验数据值个数，作出数据值个数与温度之间的联系图(目前为散点图)，图形形状挨近正态散布曲线，即可以认为是契合正态散布。
然后，运用正态散布置信区间的概念，结合正态散布表，可以求得95%确保率下的置信区间。均值±1.96σ便是置信区间，1.96σ便是准确度。
3.实验首要影响要素
在上述实验中影响要素是时刻，而此实验建立的条件是其他要素对实验成果没有影响，为此，咱们现已进行相关实验排除了其他或许影响的要素，即采样长度和采样距离的影响。
(1)采样长度
在相同实验条件下，将放入恒温水槽中的光纤长度改为50m，而且采样时刻设定为60s，其他的装备参数均与上述实验相同，进行实验，记载实验数据。经核算剖析，当仅光纤长度改动时，实验数据的均匀标准差改动极小，可忽略不计。由此可得，采样长度不是本实验的首要影响要素。
(2)采样距离
在相同实验条件下，将采样距离改为0.15s，而且采样时刻别离设定为30s、60s、120s、240s，其他装备参数均与上述实验相同，进行实验，记载实验数据。运用相同的数据处理办法，求得各次丈量的温度均匀标准差和各次丈量的极差比。比照可得各次丈量的标准差相差不大，30s时的极差比不同较大，但极差比依然都小于30%。由此可得，采样距离不是本实验的影响要素。
4.小结
本实验在排除了采样长度和采样距离对实验成果的影响后，确认实验变量只要采样时刻，并经过4组比照实验，设定采样时刻别离为30s、60s、120s、240s，各进行100组实验，得到原始的实验数据。
然后，经过对每组实验中的100组数据求标准差及其标准差的均匀值，比照剖析4个标准差的均匀值验证了理论，即跟着采样时刻加倍，温度改动的方差折半。在此条件下，求得各组实验的极差比而且比较得到极差比均小于30%。由此，验证了仪器的可重复性。
最终，相同运用实验中的原始实验数据，经过数据剖析发现每组实验丈量的数据契合正态散布的规则，运用正态散布置信区间的概念，结合正态散布表，可以求得95%确保率下的置信区间。均值±1.96σ便是置信区间，1.96σ便是准确度。由此，求出4个采样时刻下仪器的准确度，为往后仪器的运用供给了便当。
五、空间分辨力标定
因为受空间分辨力(0.5m)的约束，当光纤上产生小于空间分辨力长度的升温时，测得的温差将小于实践温差。本实验的意图在于探求部分升温时，温差丈量值和温差实践值之间的联系。
本实验将先依据光纤测出环境温度核算出升温方针温度，再运用克己的线热源将光纤加热到方针温度。安稳一段时刻后，在仪器上读出升温段丈量温度，与实践温度比较后得出结论。
1.实验内容
部分升温长度:0.5m、0.3m、0.2m、0.1m、0.05m，共5种状况。
温差:5、10、15、20摄氏度，共4个等级。
光纤衔接计划:光纤上升温段和测点的相对方位会影响丈量值巨细，以升温段0.5m为例:这0.5m或许刚好覆盖了一个测点所统辖的光纤长度规模，也有或许坐落两个测点的中心，此刻没有任何一个测点统辖的0.5m彻底升温，而理论上这两种状况的丈量值是不同的。经过必定衔接计划的规划，可以人为操控升温段和测点的相对方位，包括一切状况。
详细计划如图3所示。共取30个升温段，经过有规则地改动衔接段的长度(每次递加0.05m，1.00m～1.45m共10个衔接段，循环3次并除掉最终一个，得到29个衔接段)，然后改动升温段和测点的相对方位，确保丈量成果的完整性和牢靠性。
2.实验数据处理办法
依据以上剖析可以看出，温差丈量值将不是一个固定的数值，而是一个规模。
经过一起丈量多个给定长度的样本，咱们找到了这个规模的下限值，其所代表温度的数值确认办法为找寻一切波峰的最小值，记载此数值。再用此值减去环境温度，就可以得到温差的丈量值。一般，此丈量值小于温差的实践值。
由理论剖析可以看出，实践温差与升温长度两者和丈量温差都是成正相关的联系，即实践温差越高，丈量温差越高，升温长度在必定规模内越长，丈量温差也越高。
为了进一步阐明三者的联系，可以对实验数据进行列表剖析或是数据拟合剖析，得出温差丈量值的经历公式。
3.小结
本实验经过仪器、恒温水浴槽、克己线热源的合作运用，得到了在5个长度等级(0.5m、0.3m、0.2m、0.1m、0.05m)、4个实践温差(5℃、10℃、15℃、20℃)条件下的温差丈量值，并可以经过对丈量值的剖析拟合出温差丈量值的经历公式，然后辅导仪器在测温技能上的实践工程运用。
六、结束语
经过散布式光纤传感温度测验体系的可重复性、准确度和空间分辨力的功能标定实验，可以清楚地知道仪器的可重复性，供给给仪器运用者以仪器的准确度和温差丈量值的经历公式，然后在实践工程中，仪器运用者在已确认或许产生的或许期望探测到的升温长度和实践升温的条件下，可以经过经历公式核算出温差丈量值，并结合前面准确度剖析的作业，就可以方便地找到可以牢靠反映这一温差丈量值的丈量时刻，从而辅导散布式光纤测温技能的工程运用。
