分布式溫度傳感系統(tǒng)（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(tǒng)的獨特之處在于它沿傳感電纜的長度提供連續(xù)（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(tǒng)包含一個脈沖激光器，它向光纖發(fā)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(tǒng)。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(shù)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(guī)范

分布式溫度傳感系統(tǒng)通常可以將溫度定位在1米的距離內(nèi)（這稱為空間分辨率），精度在±1°C范圍內(nèi)，感應(yīng)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(guān)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(shù)據(jù)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(fā)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(fā)生在光纖中。所謂的反斯托克斯波段的強度與溫度有關(guān)，而所謂的斯托克斯波段實際上與溫度無關(guān)。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(shù)

分布式傳感技術(shù)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(fā)的，已成為電信損耗測量的行業(yè)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(tài)激光器產(chǎn)生的窄激光脈沖被發(fā)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(nèi)檢測到的反向散射信號以復雜的方式作為頻率的函數(shù)被測量時，OFDR系統(tǒng)才提供關(guān)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(shù)分布式溫度傳感系統(tǒng)都基于OTDR技術(shù)。

DTS系統(tǒng)的優(yōu)點

分布式溫度傳感系統(tǒng)的一些獨特功能包括：

• 優(yōu)秀的規(guī)模經(jīng)濟。系統(tǒng)設(shè)計人員/集成商不必擔心每個傳感點的精確位置，因此設(shè)計和安裝基于分布式光纖傳感器的傳感系統(tǒng)的成本與傳統(tǒng)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(shè)計壽命為30年+，維護和運行成本遠低于傳統(tǒng)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(qū)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(yè)傳感應(yīng)用的理想選擇。

光纖傳感電纜設(shè)計

光纖電纜本質(zhì)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(shè)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(jù)具體的監(jiān)測環(huán)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(huán)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(xù)時間，必須使用在光纖的芯和包層內(nèi)具有特殊性質(zhì)（摻雜劑）的專用光纖本身。

激光安全與系統(tǒng)運行

當操作基于光學測量的系統(tǒng)（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(tǒng)使用低功率激光設(shè)計，例如分類為激光安全等級1M，任何人都可以應(yīng)用（不需要經(jīng)過批準的激光安全人員）。有些系統(tǒng)基于額定值為3B的高功率激光器，雖然經(jīng)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。