分布式光缆测温及应变、振动传感技术

光纤本身能够作为传感元件，这是光纤的一个独特优点，而且利用光纤材料对光波的散射特性，可以构建分布式的光纤传感系统。物理上，光的散射包括弹性散射和非弹性散射两类。弹性散射是线性的碰撞过程，不改变光子的能量，如瑞利散射；非弹性散射是一个非线性碰撞的过程，改变了光子的能量，拉曼散射和布里渊散射属于典型的非弹性散射。一般情况下在介质中弹性散射和非弹性散射同时存在，但是二者的强度不同。

热运动无处不在，几乎所有的介质都会产生瑞利散射，包括光纤，因此瑞利散射可以用于分布式传感器中。拉曼散射和布里渊散射是由分子运动产生的，它们的特性和材料的组分以及结构有关，因为不同的材料有不同的振动能级和转动能级的结构，以及不同的声子能级结构，这些散射特性可用于材料的表征。三种散射效应的特性还和材料的状态有关，特别是温度和应变，从而形成了分布式光纤传感器的物理基础。然而拉曼散射对光纤中的应变很不敏感，而基于布里渊散射的，对温度和应变同时敏感，可应用于同时测量两个参量。

从理论可以看出，作为分布式光纤传感器，不管是哪一种散射，在感知外界的温度和应变时的灵敏度非常重要，传感光缆最重要的是要让光纤尽可能“快”地感知需要监测的物理变量。如果“感知”严重滞后，起不到随时监测和及时预警、处理的作用，就失去了增加传感的意义。另外，有些被监测物的应变或温度变量本身就不大，如果光缆结构设计不合理，光缆自身的材料吸收或消除了大部分信号，包括温度变量和应变量，起不到防微杜渐的作用，也会失去光纤传感器灵敏度高的作用和意义，因此传感光缆应该始终围绕“精细”两个字做文章。

一般来说，紧套光纤因无油膏缓冲，比松套光纤对温度和应变更灵敏，但紧套光缆没有光纤余长，很容易受力拉伸或受侧压力后自身发生应变，产生误报。如果测量的参量值变化大，采用松套光缆是一个好的选择，光缆寿命相应也会延长。特别是采用不锈钢管结构保护的光缆，热传导快，强度高，很适用于测温和测量应变。至于采用哪种光单元结构更好，还需要看实际的应用场所。

应变传感光缆，大多数可以通过连接光纤振动传感器，用于传输振动信号。其原理是，当光纤某处发生轴向振荡时，形变将会沿光纤传输，从而在轴向形成纵向机械波。光纤在没有外力作用时，横向形变可以自由发生。横向振动波伴随着轴向形变，基于弹光效应，这种机械波将改变光纤中传输光波的偏振状态，也意味着沿光纤弯曲形变的波动。这样，一段光纤可以看成一个振动的波片，它会使得传输光波的偏振态发生振动，产生相位延迟和相应的偏振旋转。

图8.4.1为7种测温和应变、振动传感光缆示意图。(www.xing528.com)

图8.4.1　7种典型测温及应变、振动传感光缆

图8.4.1（a）至图8.4.1（e）不锈钢微管结构的光缆，缆径都非常小，一般为3～5mm，拥有良好的弯曲性能，成缆时用小型绞合机铠装钢丝即可，钢丝建议用不锈钢丝。图8.4.1（f）和图8.4.1（g）紧套或松套结构与室内光缆相似，外径也比较小。不同结构特征的光缆，可以使用于不同的监测环境。

对于测量温度的传感光缆，可以用于燃气管道、供暖管道、石油管道、城市供水管道、电站、高压电力线路和森林等场合。图8.4.1所示的光缆，温度的变化信息都可以很快传递给光纤。如测量管道气体、液体泄漏，一般可以粘附在所需测量的管道表面，也可以埋在管道周边。一旦出现泄漏事故，光缆周围的温度会急剧变化，通过分布式光纤传感系统，可以很精确掌握到泄漏点的位置。例如燃气管道破损泄漏，在失压的情况下，管内的液态液化气迅速汽化，吸收大量热量，管道周边温度将急剧下降，提前报警，可以减少或避免燃爆事故的发生。

测量应变的传感光缆，可用于铁路、隧道、桥梁、高楼、供水管道等。传感光缆一般是埋设在监控点（位）附近的砂层、土壤或混凝土里面。物体产生任何超过预定量的应变，都会产生警报。如供水管道渗漏甚至破裂，渗漏点周围的泥沙慢慢失去黏性，周围空洞会越来越大，逐步形成地面下的塌陷，光缆悬空受压，因而产生警报作用。