DTS分布式溫度傳感系統原理介紹

分布式溫度傳感系統（DTS）是基于光纖的光電儀器，其測量沿著光纖傳感電纜的長度的溫度。分布式溫度傳感系統的獨特之處在于它沿傳感電纜的長度提供連續（或分布式）溫度分布，而不是必須預先確定的離散傳感點。

光纖溫度傳感器如何工作

DTS系統包含一個脈沖激光器，它向光纖發送大約1m脈沖（相當于10ns的時間）。當脈沖沿著光纖的長度傳播時，它與玻璃相互作用。由于玻璃中的小缺陷，少量的原始激光脈沖被反射回DTS傳感系統。通過分析反射光，DTS能夠計算事件的溫度（通過分析反射光的功率）以及事件的位置（通過測量反向散射光返回的時間），通常在儀表。

分布式溫度傳感電纜

通常，DTS技術使用標準的電信光纖電纜，只有在溫度高于100°C時需要進行測量時才需要專用電纜或傳感點。傳感光纖通常基于多模光纖，適用于較短距離（最長40km）和單模光纖，適用于長距離（40-100km）。

DTS的光纖溫度測量規范

分布式溫度傳感系統通?？梢詫囟榷ㄎ辉?米的距離內（這稱為空間分辨率），精度在±1°C范圍內，感應分辨率低至0.01°C。但是，測量分辨率，范圍和采樣時間之間存在反比關系，即溫度分辨率會隨著范圍而降低，并且會延長獲取特定測量數據的時間。

分布式溫度傳感 – 拉曼測量原理

光纖由摻雜的石英玻璃制成，并且當激光在光纖中傳輸時，在光粒子（光子）和分子的電子之間發生相互作用。在電磁波譜中的特定頻率（稱為斯托克斯和反斯托克斯波段），光散射（也稱為拉曼散射）發生在光纖中。所謂的反斯托克斯波段的強度與溫度有關，而所謂的斯托克斯波段實際上與溫度無關。光纖的局部溫度來自反斯托克斯和斯托克斯光強度的比率。

測量原理 – OTDR和OFDR技術

分布式傳感技術有兩種基本的測量原理：光時域反射儀（OTDR）和光頻域反射儀（OFDR）。

OTDR是20多年前開發的，已成為電信損耗測量的行業標準。OTDR的原理非常簡單，與用于雷達的飛行時間測量非常相似。基本上由半導體或固態激光器產生的窄激光脈沖被發送到光纖中并且分析反向散射光。從反向散射光返回檢測單元的時間開始，可以定位溫度事件的位置。

替代DTS評估單元部署光頻域反射計（OFDR）的方法。只有當在整個測量時間內檢測到的反向散射信號以復雜的方式作為頻率的函數被測量時，OFDR系統才提供關于局部特性的信息，然后進行傅里葉變換。

目前可用的絕大多數分布式溫度傳感系統都基于OTDR技術。

DTS系統的優點

分布式溫度傳感系統的一些獨特功能包括：

• 優秀的規模經濟。系統設計人員/集成商不必擔心每個傳感點的精確位置，因此設計和安裝基于分布式光纖傳感器的傳感系統的成本與傳統傳感器相比大大降低。
• 維護和運營成本低。傳感電纜沒有活動部件，設計壽命為30年+，維護和運行成本遠低于傳統傳感器。
• DTS傳感電纜不受電磁干擾，振動的影響
• 可安全用于危險區域（激光功率低于可引起點火的水平），從而使這些傳感器成為工業傳感應用的理想選擇。

光纖傳感電纜設計

光纖電纜本質上是無源的，并且沒有單獨的傳感點，因此可以基于標準電信光纖制造，并且在許多情況下使用標準電信光纖電纜封裝。

在某些情況下，需要專門的光纖，并且類似地，需要專門的電纜封裝。設計分布式溫度傳感電纜時需要考慮的一些注意事項包括：

• 溫度：標準電信光纖和電纜材料的工作溫度高達100°C。在此之上，您將需要專門的玻璃和電纜材料。例如，油井通常超過200°C
• 機械保護：根據具體的監測環境，可能存在高振動或可能的破碎力，這將需要額外的電纜層來為傳感光纖提供保護
• 防氫：在某些環境中會有高含量的氫氣，這會導致光纖劣化（或變暗）。通過使用氫清除凝膠可以提供一些保護 – 但是對于更長的持續時間，必須使用在光纖的芯和包層內具有特殊性質（摻雜劑）的專用光纖本身。

激光安全與系統運行

當操作基于光學測量的系統（例如光學DTS）時，需要考慮激光安全要求以進行永久性安裝。許多系統使用低功率激光設計，例如分類為激光安全等級1M，任何人都可以應用（不需要經過批準的激光安全人員）。有些系統基于額定值為3B的高功率激光器，雖然經批準的激光安全人員可以安全使用，但可能不適合永久性安裝。