分布式多點溫度測量
物理學、化學、醫(yī)學、生物學等自然科學領(lǐng)域的各種現(xiàn)象中，溫度是一個非常重要的物理量。在食品和飲料加工、塑料生產(chǎn)、金屬加工等各個行業(yè)都需要監(jiān)測和控制溫度。為了能夠測量溫度，可以根據(jù)給定測量的適用性采用各種類型的設(shè)備，包括熱電偶、電阻溫度檢測器、熱敏電阻、紅外輻射溫度計和加熱標簽。通常需要使用具有相同性能水平的相同類型的溫度測量設(shè)備同時測量多個點的溫度。
如果測量點分布較遠，則可以采用基于光纖的傳感器，作為在多個分布點進行溫度測量的最合適設(shè)備之一?；诠饫w的傳感器具有許多優(yōu)點，例如體積小、靈活性好、遠程操作、抗電磁場和射頻干擾以及能夠在惡劣環(huán)境中運行。已經(jīng)開發(fā)了各種基于光纖的溫度傳感器，據(jù)報道它們可以使用光纖布拉格光柵測量溫度(FBG)、紅外 (IR)光纖或可以改變其物理特性（包括顏色、吸光度和反射率）的特殊材料，作為溫度的函數(shù). 然而，上述基于光纖的溫度傳感器即使使用長光纖，也不適合監(jiān)測分布廣泛的多點溫度。在某些情況下，需要同時測量相距數(shù)百米或數(shù)公里的點的溫度。例如，有必要測量或監(jiān)測難以接近的危險環(huán)境（如核電站、放射性廢物場和化工廠）的溫度。
在這項研究中，我們開發(fā)了一種基于硅油的多通道光纖溫度傳感器系統(tǒng) (FTSS)，使用光時域反射計(OTDR) 來同時測量多個任意點的溫度。OTDR 是一種光電儀器，可用于表征光纖并揭示光纖通信網(wǎng)絡(luò)中的光纖斷裂位置。作為 FTSS 的一部分，OTDR 可用作光源和光學測量設(shè)備。它可以測量多個不同的光信號，這些光信號隨著分布在多個點上的溫度變化而同時產(chǎn)生。我們測量并分析了光功率 FTSS 的四個通道，以便使用 OTDR 同時確定四個不同點的各個溫度。
材料和方法
對于實時同步溫度測量，我們開發(fā)了多通道 FTSS。它由光纖溫度傳感探頭、光纖耦合器、傳輸光纖和 OTDR 組成。感溫探頭由感溫材料、鍍鎳黃銅帽、光纖通道（FC）端接器和單模光纖組成，如圖1所示。作為感溫材料，我們使用了硅油（KF-54，Shin-Etsu），其折射率隨溫度變化而變化。此外，它還表現(xiàn)出溫度穩(wěn)定性、良好的傳熱特性，在-35°C至250°C的溫度范圍內(nèi)表現(xiàn)非常明顯。鍍鎳黃銅帽，具有非常好的導熱性, 用于增加溫度敏感性，鍍鎳可以防止外部污染物引起的腐蝕。圓柱形鍍鎳黃銅帽的高度為 13.0 毫米，帽的外徑和內(nèi)徑分別為 9.0 和 6.1 毫米。為了將光纖簡單準確地連接到光學儀器（如 OTDR 和光纖耦合器），我們采用了 FC 端接器（30126C3，Thorlabs Inc.），這有助于通過鍍鎳進行快速簡單的操作黃銅帽，由于內(nèi)部凹槽的螺旋結(jié)構(gòu)。為了將光信號從溫度傳感探頭傳輸?shù)?OTDR，我們使用了具有纖芯/包層結(jié)構(gòu)的單模光纖（980HP，Thorlabs Inc.）。單模光纖的外徑為 245 μm，由折射率為 1.402 的氟化聚合物制成。纖芯直徑為 3.6 μm，由折射率為 1.46 的二氧化硅制成。
在本研究中，OTDR（AQ7275-735041，Yokogawa Inc.）用作光源和光測量設(shè)備。常用于光通信領(lǐng)域中埋地光線路故障點的測量。它可以測量和顯示由沿光纖的端點散射（瑞利反向散射）或反射（菲涅耳反射）的光產(chǎn)生的一系列光脈沖。OTDR 的優(yōu)勢在于它可以同時實時測量多個光信號，并將光纖的長度延長到數(shù)百公里。
我們使用 OTDR測量了反射光（菲涅耳反射）的光功率。菲涅耳反射是部分入射光在具有不同折射率的兩種介質(zhì)之間的離散界面處的反射。在 FTSS 中，菲涅耳反射是在硅油與傳感探頭遠端單模光纖纖芯的界面處產(chǎn)生的。反射光（菲涅耳反射）的強度比為：
(1)
其中 R 是反射系數(shù)，并且 和 分別是單模光纖纖芯和硅油的折射率。硅油的折射率與菲涅耳反射強度（方程（1））之間的相關(guān)性隨溫度而變化，如圖2所示。
硅油的折射率隨著溫度的升高而降低，接近單模光纖纖芯的折射率值，導致菲涅耳反射強度降低。因此，菲涅耳反射量隨著硅油溫度的降低而增加。因此，可以通過測量反射光的光強來確定任意點的溫度，這與硅油的折射率變化直接相關(guān)。
用于評估溫度傳感探頭的實驗裝置。一旦將具有溫度感應(yīng)探頭的四個通道放入四個燒杯中，每個燒杯中的水溫就可以使用加熱板（Combi mantle，Global Lab）獨立控制和保持。使用熱電偶（54II溫度計）測量水溫, Fluke)，用作參考溫度計。在四個通道中使用熱電偶測量的溫度和使用 OTDR 的光功率進行比較和分析，以確定四個燒杯中的水溫。一個 1 × 4 光纖耦合器（FCQ1315-FC，Thorlabs Inc.）用于將來自 OTDR 的光源信號分配到溫度傳感探頭，以及收集和傳輸來自探頭的菲涅爾反射信號到OTDR。
分布式光纖測溫系統(tǒng)特點:
分布式實時測量，覆蓋100%探測區(qū)域，精確定位火災(zāi)發(fā)生位置；
測量距離長，測量信息豐富；
測量精度高，響應(yīng)速度快；
可靠性高，誤報率低；
報警方式靈活，可實現(xiàn)差定溫多級報警方式，確保火災(zāi)初期可靠報警；
探測光纜既是信號傳輸載體，又是感溫元件，安裝方便；
光信號測量，本質(zhì)安全，抗電磁干擾，適合易燃易爆環(huán)境下長期工作；
探測光纜壽命長，后期維護成本低。
