DTS应用简介

DTS应用简介AEO 从立芳
1. 什么是DTS？
DTS是Distributed Temperature Sensing
的缩写，中文含义是：分布式温度传感。

安
捷伦公司PMD工厂最近推出一款新型产
品，名字就叫DTS。

它和光纤传感器结合，
组成告警系统，通过监测光纤传感器上每个
点的温度变化，从而对被监测的对象起到预警，监测或告警的功能。

目前在很多领域都有非常广阔的应用前景。

2. 应用领域：
1) 电力行业
电力电缆的表面温度检测监控、事故点定位
2) 电缆隧道、夹层的火情监测
3) 发电厂和变电站的加的温度监测、故障点的检测和火灾报警
4) 水利土木建筑行业
大坝、河堤的渗漏，桥梁及其他混凝土结构裂变的监测、大坝、河堤、桥梁的混凝土
凝固与养护温度与应变监测
5) 大型民用工程的结构健康监测
6) 公路、地铁隧道行业
隧道、地铁、公路的火灾监测和报警
7) 石油天然气行业
石油、天然气输送管线或储罐泄漏监测、油库、油管、油罐的温度监测及故障点的检
测．
3. 国内外关于光纤传感测试温度的研究和应用情况:
国际上:
1) 加拿大学者Measures[1]等在加拿大Calgary一座两跨碳纤维钢筋混凝土预应力桥梁
上，埋设了5套4通道Bragg光栅光纤传感系统，在桥梁建造过程中和使用期内检测其内部温度和应变。

2) 意大利学者Gusmeroli[2]等报道了他们将F-P光纤干涉传感器埋入一个5m长的混凝
土梁中检测其热膨胀。

3) 瑞士皇家技术学院Smart公司的产品采用Brillouin散射光的分布式温度测量系统，它
不但需要从光纤的一端输入脉冲激光光源，另一端输入连续激光光源，而且需要采取
措施来分离温度效应的机械应变效应，所以其工程应用不是最佳选择。

4) 英国York Sensors Limited是国际上首家开发光纤分布式测温系统并使之商品化的公
司，已经有20多年的历史，并一直在该技术领域中保持国际领先地位。

通过测量发射光和接收定点反射光的时间差及光在光纤中的传播速度可精确地确定发生反射的位置(定位)，利用反射光中Raman反射光的温度依存性质，可以计算出发生反射的点的温度值。

5) 德国GTC公司同慕尼黑科技大学[3]利用York Sensors Limited的产品，在土耳其
Birecik混凝土坝、约旦Wala坝等工程都做了应用性的研究工作。

国内:
1) 清华大学同慕尼黑科技大学在新疆石门子工程也做了较有意义的工作。

2) 成都电子科技大学光纤国家实验室与龙羊峡、刘家峡水电厂等合作，成功地开发了大
型水、火发电机组的光纤温度传感器等多项传感技术，但都属点式测量。

3) 重庆大学光电子工程学院20世纪90年代初进行过光纤分布式测温技术的研究，取得
了重要成果。

4) 天津大学[4]从传感器的结构特点和材料的物性系数出发，在理论上证明了光纤温度与
Brillouin频移量之间存在线性关系。

5) 中国计量学院光电子技术研究所[5]研制了一种由分布式光纤温度传感器组成的新型在
线自动温度检测系统，最近应用于煤矿火灾报警。

6) 北京航空航天大学[6]从光学的角度出发，分析了基于Raman反射的光纤分布式测温
系统的空间分辨力理论极限及影响因素。

7) 宁波振东光电子有限公司与秦山核电厂合作，将分布式光纤测温系统用于电缆温度监
控。

8) 三峡大学土木水电工程学院和三峡工程开发总公司进行了分布式光纤传感监测三峡大
坝混凝土温度场试验研究,并取得的一些研究成果.
4. DTS的测试原理：
光纤分布式温度传感原理的主要是利用光时域反射(OTDR)
测试技术以及光纤的后向喇曼散射 (raman scattering)温度
效应来完成实现的。

向光纤发射一束脉冲光，该脉冲光会以略低于真空中的光速的速度向前传播，同时向四周发射散射光。

散射光的一部分又会沿光纤返回到入射端，测量发入射光和反射光之间的时间差Ｔ，则发射散射光的位置距入射端的距离Ｘ为＇　
（１）
式中：Ｃ为光纤中的光速，Ｃ＝Ｃ０／ｎ，Ｃ０为真空的光速；ｎ为光纤的折射率。

＋
反射回入射端的反射光中，有一种称做Ｒａｍａｎ散射光。

该Ｒａｍａｎ散射光含有两种成份：Ｓｔｏｋｅｓ和Ａｎｔｉ　ｔｏｋｅｓ光。

其中Ｓｔｏｋｅｓ光与温度无关，而Ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ光的强度则随温度变化。

Ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ与Ｓｔｏｋｅｓ之比和温度之间关系可用下式表示：　
（２）
式中：ｌａｓ为Ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ光；ｌｓ为Ｓｔｏｋｅｓ光；ａ为温度相关系数；ｈ为普郎克系数（Ｊ·ｓ）；ｃ为真空中的光速（ｍ／ｓ）；ｖ为拉曼平移量（ｍ－ｌ）；ｋ为鲍尔次曼常数（Ｊ／ｋ）；ｔ为绝对温度值。

　根据式（２）及实测Ｓｔｏｋｅｓ－Ａｎｔｉ－Ｓｔｏｋｅｓ光之比可计算出温度值为：　
（３）
Analysis
法真实地跟踪负载的实时变化情况，其仅能反应电缆周围环境的温度变化情况。

因而，在理想情况下，光纤应被置于尽可能的靠近电缆的缆芯的位置来更精确地测量电缆的实际温度。

但是，为了接近缆芯而破坏电缆绝缘层的方法是不实用的，而将光纤作为电缆的一部分，在加工电缆时就预埋进去的方法将会使得光纤不得不经受一些高压电缆的制造程序中可能包括的高温挤压和各种各样的弯曲操作，这种方法会大大提高电缆的制造加工成本。

目前，国外一些生产厂家所使用的加工
方法是，将一根具有良好柔韧性的空管子装在电缆内部或者是在电缆安装好后固定在电缆
表面，然后把光纤吹入空管子中。

按照这种方法，光纤的安装将不受电缆的制造和安装过程的支配，而且可以极为方便地对光纤进行更换。

该方法使光纤传感元件不会受到任何由于电缆加工或者安装造成的弯曲变形的影响。

对于直埋动力电缆来说，表贴式光纤虽然不能准确地反映电缆负载的变化，但是其对电缆埋设处土壤热阻率的变化比较敏感，而且能够减少光纤的安装成本。

６． 安捷伦Ｎ４３８５／８６Ａ　ＤＴＳ的主要技术指标和特点：　
目前安捷伦公司有两种DTS ，室内型N4385A 和室外型N4386A ，
室外型N4386A
室内型N4385A
1) 安捷伦DTS 的主要技术指标:
空间分辨率:1m
温度测试重复性: +/-0.5K
测试温度范围: -250 to 400°C , -400 to 750°F
操作温度范围: -10 to 60°C / 14 to 140°F
工作电压: 10 to 30 V DC 电源: 15 W
传感器通道数: 1, 2 or 4
可自定义告警条件启动告警 自动记录测试数据
标准USB / Ethernet 接口 激光器等级:1M
2) 安捷伦DTS 的主要特点
1.可靠性高:
安捷伦采用寿命大于60年的半导体激光器, 可靠性高。

而通常DTS 内部使用的激光源只有4-5年的寿命。

2. 使用环境广: • 安捷伦是第一个提供真正的室外DTS 的厂家, 仪表的工作温度范围从-10到 60°C ，满足IP66/NEMA4的室外标准。

• 可以忍受风雨,灰尘,高温,冲击和振动 • 超低功耗可以使用太阳电池供电 3. 构造结构合理: • 无需额外的制冷系统延长使用寿命 • 标准的通信接口便于系统集成
3) 安捷伦DTS 的创新之处
Ø 高度集成的光学构件全部密封并充满惰性气体,　
扩大了工作环境, 防止在灵敏的光学器件
上的凝结
Ø 单接收机设计 ,　
实现的长期稳定性,消除了跟踪问题
Ø 温度参考设计&温度稳定器件,　对工作条件不敏感, 重复性好 Ø 室外系列:针对恶劣环境设计,　
可以工作在严酷环境
Ø 超低功耗,　
可以使用太阳能电池
Ø 内置的开关配置可多达4个通道,　
可以覆盖多条电力电缆 Ø 可以自由定义告警条件,　
准确地选择性的激活消防预警系统 Ø 操作界面友好,　
操作简单
温度分辨率：
at 1.5 meter spatial:
20 sec 1 min
10 min 8 km 3,55 K 2,05 K 0,65 K 6 km
1,61 K 0,93 K 0,29 K 4 km 0,82 K
0,47 K 0,15 K 2 km 0,46 K 0,27 K
0,08 K at 3 meter spatial:
20 sec.
1 min 10 min 8 km 1,50 K 0,87 K 0,27 K 6 km 0,74 K 0,43 K 0,14 K 4 km 0,41 K 0,24 K 0,08 K
2 km 0,25 K
0,14 K
0,04 K。