物理學(xue)(xue)、化學(xue)(xue)、醫(yi)學(xue)(xue)、生(sheng)物學(xue)(xue)等(deng)自然(ran)科(ke)學(xue)(xue)領域的(de)(de)各種(zhong)(zhong)現象(xiang)中，溫度(du)(du)是一個非常重要的(de)(de)物理量(liang)。在食品和(he)飲(yin)料加工、塑料生(sheng)產、金屬加工等(deng)各個行(xing)業都需要監測和(he)控制溫度(du)(du)。為了(le)能(neng)夠測量(liang)溫度(du)(du)，可以根據給定測量(liang)的(de)(de)適用(yong)(yong)性(xing)采(cai)用(yong)(yong)各種(zhong)(zhong)類(lei)型(xing)的(de)(de)設備，包括熱電偶、電阻溫度(du)(du)檢測器、熱敏電阻、紅外輻射溫度(du)(du)計和(he)加熱標簽。通(tong)常需要使用(yong)(yong)具有相同性(xing)能(neng)水平的(de)(de)相同類(lei)型(xing)的(de)(de)溫度(du)(du)測量(liang)設備同時測量(liang)多個點的(de)(de)溫度(du)(du)。

如(ru)(ru)(ru)果測(ce)(ce)量(liang)點分(fen)(fen)布(bu)較遠(yuan)，則可以(yi)(yi)采用基(ji)于光(guang)纖(xian)(xian)的(de)傳(chuan)感(gan)(gan)器，作為在多(duo)個分(fen)(fen)布(bu)點進行溫(wen)度(du)(du)測(ce)(ce)量(liang)的(de)最(zui)合(he)適(shi)設備之一。基(ji)于光(guang)纖(xian)(xian)的(de)傳(chuan)感(gan)(gan)器具有(you)許(xu)多(duo)優點，例如(ru)(ru)(ru)體積小、靈活性(xing)(xing)好(hao)、遠(yuan)程(cheng)操作、抗電(dian)磁場和射頻干擾(rao)以(yi)(yi)及能夠(gou)在惡劣環(huan)境中運(yun)行。已經開發(fa)了各(ge)種基(ji)于光(guang)纖(xian)(xian)的(de)溫(wen)度(du)(du)傳(chuan)感(gan)(gan)器，據報(bao)道它們可以(yi)(yi)使用光(guang)纖(xian)(xian)布(bu)拉格光(guang)柵測(ce)(ce)量(liang)溫(wen)度(du)(du)(FBG)、紅外(wai) (IR)光(guang)纖(xian)(xian)或(huo)可以(yi)(yi)改變其物(wu)理特性(xing)(xing)（包括顏色、吸光(guang)度(du)(du)和反射率）的(de)特殊(shu)材料，作為溫(wen)度(du)(du)的(de)函數(shu). 然而(er)，上述基(ji)于光(guang)纖(xian)(xian)的(de)溫(wen)度(du)(du)傳(chuan)感(gan)(gan)器即使使用長光(guang)纖(xian)(xian)，也不適(shi)合(he)監測(ce)(ce)分(fen)(fen)布(bu)廣泛的(de)多(duo)點溫(wen)度(du)(du)。在某些情況下，需(xu)要同(tong)時測(ce)(ce)量(liang)相距數(shu)百(bai)米或(huo)數(shu)公里的(de)點的(de)溫(wen)度(du)(du)。例如(ru)(ru)(ru)，有(you)必(bi)要測(ce)(ce)量(liang)或(huo)監測(ce)(ce)難以(yi)(yi)接近的(de)危險環(huan)境（如(ru)(ru)(ru)核電(dian)站、放射性(xing)(xing)廢物(wu)場和化工廠(chang)）的(de)溫(wen)度(du)(du)。

在(zai)這(zhe)項研究中(zhong)，我們(men)開發了(le)一種基于硅(gui)油的(de)(de)多(duo)通道光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)溫(wen)度傳感器(qi)系統 (FTSS)，使(shi)用(yong)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)時(shi)域反射計(ji)(OTDR) 來同(tong)時(shi)測量(liang)多(duo)個任意點(dian)(dian)的(de)(de)溫(wen)度。OTDR 是一種光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)電儀器(qi)，可用(yong)于表(biao)征光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)并揭示光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)通信(xin)網(wang)絡中(zhong)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)纖(xian)(xian)斷裂(lie)位置。作為 FTSS 的(de)(de)一部分(fen)(fen)，OTDR 可用(yong)作光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)源和光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)學(xue)測量(liang)設備。它可以(yi)測量(liang)多(duo)個不同(tong)的(de)(de)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)信(xin)號，這(zhe)些(xie)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)信(xin)號隨(sui)著分(fen)(fen)布在(zai)多(duo)個點(dian)(dian)上的(de)(de)溫(wen)度變化(hua)而同(tong)時(shi)產生。我們(men)測量(liang)并分(fen)(fen)析了(le)光(guang)(guang)(guang)(guang)(guang)功(gong)率 FTSS 的(de)(de)四(si)個通道，以(yi)便使(shi)用(yong) OTDR 同(tong)時(shi)確定(ding)四(si)個不同(tong)點(dian)(dian)的(de)(de)各個溫(wen)度。

材料和方法
對于(yu)實時同步溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)測量，我們開發(fa)了(le)多通道 FTSS。它(ta)由(you)光(guang)纖(xian)(xian)(xian)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)傳(chuan)感(gan)探頭、光(guang)纖(xian)(xian)(xian)耦合(he)器(qi)(qi)、傳(chuan)輸光(guang)纖(xian)(xian)(xian)和(he) OTDR 組成(cheng)。感(gan)溫(wen)(wen)(wen)探頭由(you)感(gan)溫(wen)(wen)(wen)材(cai)料、鍍(du)鎳(nie)黃銅帽(mao)、光(guang)纖(xian)(xian)(xian)通道（FC）端接(jie)器(qi)(qi)和(he)單模光(guang)纖(xian)(xian)(xian)組成(cheng)，如(ru)圖1所示。作(zuo)為(wei)(wei)感(gan)溫(wen)(wen)(wen)材(cai)料，我們使(shi)用(yong)了(le)硅油(you)（KF-54，Shin-Etsu），其折(zhe)(zhe)射(she)率隨溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)變(bian)化(hua)(hua)而變(bian)化(hua)(hua)。此外，它(ta)還表現(xian)出(chu)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)穩定性(xing)、良好的(de)(de)(de)傳(chuan)熱(re)特(te)性(xing)，在-35°C至250°C的(de)(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)范圍內(nei)表現(xian)非常明顯。鍍(du)鎳(nie)黃銅帽(mao)，具有非常好的(de)(de)(de)導熱(re)性(xing), 用(yong)于(yu)增(zeng)加溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)敏感(gan)性(xing)，鍍(du)鎳(nie)可以(yi)防(fang)止外部污染物(wu)引起的(de)(de)(de)腐蝕。圓柱形鍍(du)鎳(nie)黃銅帽(mao)的(de)(de)(de)高(gao)度(du)(du)為(wei)(wei) 13.0 毫米(mi)，帽(mao)的(de)(de)(de)外徑(jing)(jing)和(he)內(nei)徑(jing)(jing)分(fen)別(bie)為(wei)(wei) 9.0 和(he) 6.1 毫米(mi)。為(wei)(wei)了(le)將光(guang)纖(xian)(xian)(xian)簡單準確地連接(jie)到光(guang)學儀器(qi)(qi)（如(ru) OTDR 和(he)光(guang)纖(xian)(xian)(xian)耦合(he)器(qi)(qi)），我們采(cai)用(yong)了(le) FC 端接(jie)器(qi)(qi)（30126C3，Thorlabs Inc.），這(zhe)有助于(yu)通過鍍(du)鎳(nie)進行(xing)快速(su)簡單的(de)(de)(de)操(cao)作(zuo)黃銅帽(mao)，由(you)于(yu)內(nei)部凹槽的(de)(de)(de)螺旋結(jie)(jie)構(gou)。為(wei)(wei)了(le)將光(guang)信號從溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)傳(chuan)感(gan)探頭傳(chuan)輸到 OTDR，我們使(shi)用(yong)了(le)具有纖(xian)(xian)(xian)芯/包(bao)層結(jie)(jie)構(gou)的(de)(de)(de)單模光(guang)纖(xian)(xian)(xian)（980HP，Thorlabs Inc.）。單模光(guang)纖(xian)(xian)(xian)的(de)(de)(de)外徑(jing)(jing)為(wei)(wei) 245 μm，由(you)折(zhe)(zhe)射(she)率為(wei)(wei) 1.402 的(de)(de)(de)氟化(hua)(hua)聚合(he)物(wu)制成(cheng)。纖(xian)(xian)(xian)芯直徑(jing)(jing)為(wei)(wei) 3.6 μm，由(you)折(zhe)(zhe)射(she)率為(wei)(wei) 1.46 的(de)(de)(de)二(er)氧化(hua)(hua)硅制成(cheng)。

 

在(zai)本研究中，OTDR（AQ7275-735041，Yokogawa Inc.）用作光(guang)源和(he)光(guang)測量(liang)設備。常用于光(guang)通信領域中埋地光(guang)線路故障(zhang)點的測量(liang)。它(ta)(ta)可以(yi)測量(liang)和(he)顯示由沿光(guang)纖的端點散射（瑞利反(fan)向散射）或(huo)反(fan)射（菲涅耳反(fan)射）的光(guang)產生的一系列光(guang)脈沖。OTDR 的優勢在(zai)于它(ta)(ta)可以(yi)同時實時測量(liang)多(duo)個(ge)光(guang)信號，并將光(guang)纖的長度延長到數(shu)百(bai)公(gong)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生的。反射光（菲涅耳反射）的強度比為：
(1)
其中 R 是反射(she)系(xi)數，并且 和(he) 分別是單模光纖纖芯和(he)硅油的折射(she)率。硅油的折射(she)率與菲涅耳反射(she)強度（方程（1））之間(jian)的相(xiang)關性隨溫度而變(bian)化，如圖2所示。

 

硅(gui)油的折射(she)(she)(she)(she)率(lv)隨(sui)著溫(wen)(wen)度的升高而降(jiang)(jiang)低，接近單模(mo)光(guang)纖纖芯的折射(she)(she)(she)(she)率(lv)值，導致菲涅(nie)耳反(fan)射(she)(she)(she)(she)強(qiang)度降(jiang)(jiang)低。因(yin)(yin)此(ci)，菲涅(nie)耳反(fan)射(she)(she)(she)(she)量隨(sui)著硅(gui)油溫(wen)(wen)度的降(jiang)(jiang)低而增加。因(yin)(yin)此(ci)，可(ke)以通(tong)過測(ce)量反(fan)射(she)(she)(she)(she)光(guang)的光(guang)強(qiang)來(lai)確(que)定任意點(dian)的溫(wen)(wen)度，這(zhe)與硅(gui)油的折射(she)(she)(she)(she)率(lv)變化直(zhi)接相關。

用(yong)(yong)于評估溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)傳(chuan)感(gan)探(tan)頭(tou)的(de)(de)(de)實驗裝置。一旦(dan)將具有溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)感(gan)應探(tan)頭(tou)的(de)(de)(de)四(si)個(ge)通(tong)道放入四(si)個(ge)燒(shao)杯中(zhong)(zhong)，每個(ge)燒(shao)杯中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)水溫(wen)(wen)(wen)就可以使(shi)用(yong)(yong)加熱板（Combi mantle，Global Lab）獨立控制和保持。使(shi)用(yong)(yong)熱電偶（54II溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)計(ji)）測量水溫(wen)(wen)(wen), Fluke)，用(yong)(yong)作參考溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)計(ji)。在四(si)個(ge)通(tong)道中(zhong)(zhong)使(shi)用(yong)(yong)熱電偶測量的(de)(de)(de)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)和使(shi)用(yong)(yong) OTDR 的(de)(de)(de)光功率進(jin)行比較和分析，以確定四(si)個(ge)燒(shao)杯中(zhong)(zhong)的(de)(de)(de)水溫(wen)(wen)(wen)。一個(ge) 1 × 4 光纖耦合(he)器（FCQ1315-FC，Thorlabs Inc.）用(yong)(yong)于將來自 OTDR 的(de)(de)(de)光源信(xin)號分配到(dao)溫(wen)(wen)(wen)度(du)(du)傳(chuan)感(gan)探(tan)頭(tou)，以及收集和傳(chuan)輸來自探(tan)頭(tou)的(de)(de)(de)菲涅爾反射信(xin)號到(dao)OTDR。

分布式光纖測溫系統特點:

分(fen)布(bu)式(shi)實時測量，覆蓋100%探(tan)測區域，精確定位火災(zai)發生(sheng)位置；

測(ce)量(liang)(liang)距離長(chang)，測(ce)量(liang)(liang)信息豐富(fu)；

測(ce)量精度(du)高，響應速度(du)快；

可靠性高，誤報率低(di)；

報(bao)(bao)警(jing)方式(shi)靈(ling)活(huo)，可(ke)實(shi)現差定(ding)溫多級報(bao)(bao)警(jing)方式(shi)，確(que)保火災初期可(ke)靠報(bao)(bao)警(jing)；

探測光纜既是信號(hao)傳(chuan)輸載體，又是感溫元(yuan)件，安裝方便；

光信號測量，本質安(an)全，抗電磁干擾，適合易燃易爆環境(jing)下長期工作；

探測光(guang)纜壽(shou)命長，后期維護成本(ben)低(di)。