光纤测温技术：原理与应用全解析
光纤测温技术是利用光纤的光学特性随温度变化的物理效应实现温度感知，具有抗电磁干扰、耐腐蚀、防爆、传输距离远等突出优势，广泛应用于电力、石油、化工、航空航天等恶劣环境场景。其核心原理可分为分布式光纤测温和光纤光栅（FBG）测温两大类，二者的实现方法存在显著差异。
一、核心原理：基于不同的光学效应
光纤测温的本质是通过检测 “温度敏感的光学信号” 反推温度值，关键依赖以下两种光学效应：
1. 分布式光纤测温：基于光的散射效应
当光在光纤中传输时，会发生三种主要散射（瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射），其中拉曼散射和布里渊散射的特性直接与温度相关，是分布式测温的核心依据。
- 拉曼散射（Raman Scattering）：光与光纤分子碰撞后，一部分光子能量发生转移 —— 能量降低的为 “斯托克斯光”，能量升高的为 “反斯托克斯光”。反斯托克斯光的强度随温度升高而显著增强，斯托克斯光强度基本不随温度变化，通过计算二者的强度比，即可确定对应位置的温度。
- 布里渊散射（Brillouin Scattering）：光与光纤中的声波（声子）相互作用产生，散射光的频率会发生偏移（布里渊频移）。布里渊频移与温度和应变均相关（温度升高 / 应变增大，频移均增大），通过技术手段可分离温度信息，实现高精度测温。
2. 光纤光栅测温：基于光的反射与波长漂移
光纤光栅（FBG，Fiber Bragg Grating）是通过紫外光刻技术在光纤芯层制作的 “周期性折射率调制结构”，其核心特性是：仅反射特定波长的光（称为 “布拉格波长”λB），其余波长的光全部透射。温度变化会导致光纤热胀冷缩（栅距变化）和芯层折射率变化，最终使布拉格波长 λB 发生漂移（温度升高，λB 向长波方向偏移），通过检测 λB 的漂移量即可计算温度。
二、实现方法：从信号发射到温度输出的完整流程
不同原理的光纤测温系统，实现架构和步骤存在差异，以下是两类主流技术的典型实现方法：
1. 分布式光纤测温系统（DTS，Distributed Temperature Sensing）
分布式测温可实现光纤沿线任意点的连续温度监测（类似 “光纤即传感器”），测温距离可达数公里，空间分辨率最高达厘米级。
核心组件
- 窄线宽脉冲光源（如半导体激光器、掺铒光纤激光器）：发射高功率、短脉冲的激光信号；
- 光纤（传感光纤）：既是信号传输介质，也是 “分布式温度传感器”；
- 光耦合器 / 环形器：实现 “发射光注入光纤” 和 “散射光回收” 的光路分离；
- 光电探测器（InGaAs 探测器）：将微弱的散射光信号转换为电信号；
- 信号处理单元（FPGA/CPU）：对电信号进行放大、滤波、采集，并计算温度；
- 显示与存储单元：输出温度分布曲线和报警信息。
实现流程（以拉曼散射型 DTS 为例）
- 光源发射：窄线宽脉冲光源向传感光纤发射纳秒级的激光脉冲；
- 光纤散射与传输：激光脉冲在光纤中传输，每一点都会产生拉曼散射（斯托克斯光 + 反斯托克斯光），散射光沿光纤反向传回；
- 信号回收：光环形器将反向传回的散射光引导至光电探测器，分别检测斯托克斯光和反斯托克斯光的强度；
- 温度计算与定位：
- 定位：利用 “光脉冲传输时间差” 计算散射点位置（光速 × 传输时间 / 2 = 距离，除以 2 是因为光需往返）；
- 测温：根据 “反斯托克斯光强度 / 斯托克斯光强度” 的比值，结合校准系数计算该位置的温度（比值与温度呈指数关系）；
- 结果输出：生成 “距离 - 温度” 分布曲线，实时显示光纤沿线的温度状态，超温时触发报警。
2. 光纤光栅（FBG）测温系统
FBG 测温属于准分布式 / 点式测温，需在光纤上制作一个或多个光栅（每个光栅对应一个测温点），精度更高（±0.1℃），响应速度更快。
核心组件
- 宽带光源（如 LED、掺铒光纤宽带光源）：发射覆盖 FBG 反射波长的连续光；
- 光纤光栅传感器（FBG）：贴附在被测物体表面，感知温度变化；
- 光谱检测单元（光谱仪、FBG 解调仪）：检测 FBG 反射光的布拉格波长 λB；
- 信号处理与显示单元：将波长漂移量转换为温度值并输出。
实现流程
- 光源入射：宽带光源发出的光注入光纤，传输至 FBG 传感器；
- 光栅反射：FBG 仅反射与其布拉格波长 λB 匹配的光，其余波长光被透射；
- 温度敏感响应：当被测物体温度变化时，FBG 的栅距和折射率变化，导致 λB 发生漂移（典型漂移率：10pm/℃左右）；
- 波长检测：光谱仪或解调仪精确测量反射光的 λB 漂移量（分辨率可达 0.1pm）；
- 温度计算：根据校准公式（ΔT = ΔλB / K，K 为温度灵敏度系数，需提前校准）计算温度值；
- 准分布式扩展：将多个不同 λB 的 FBG 串联在一根光纤上，通过解调仪区分不同光栅的反射波长，实现多测点同时测温。
三、两类技术的对比与典型应用
| 对比维度 | 分布式光纤测温（DTS） | 光纤光栅（FBG）测温 |
|---|---|---|
| 测温方式 | 光纤沿线连续测温（分布式） | 光栅点测温（点式 / 准分布式） |
| 温度精度 | ±1℃ ~ ±5℃ | ±0.1℃ ~ ±0.5℃ |
| 空间分辨率 | 0.1m ~ 10m | 单个光栅（约 1cm，取决于光栅长度） |
| 传输距离 | 1km ~ 30km | 1km ~ 5km（需搭配光放大器扩展） |
| 核心优势 | 覆盖范围广、无需预制测点、本质安全 | 精度高、响应快、可测多点、抗干扰强 |
| 典型应用 | 电缆沟火灾监测、油气管线温度分布、隧道测温 | 电力设备（变压器、GIS）测温、航空发动机测温、医疗体温监测 |
总结
光纤测温的核心逻辑是 “温度→光学信号变化→温度反推”：
- 分布式系统利用 “光的散射强度 / 频率随温度变化”，实现大范围连续测温；
- FBG 系统利用 “光栅反射波长随温度漂移”，实现高精度点式 / 准分布式测温。二者均规避了传统电类传感器（如热电偶、铂电阻）的电磁干扰缺陷，是恶劣环境下温度监测的首选技术。