1 引 言

分布式光纤感温技术是一种实时的、在线的、多点的温度传感技术，是近年来发展起来的一种可用于实时测量温度场的新技术。在分布式光纤温度传感系统中，光纤既是传感器又是信号传输的通道，系统利用光纤所处空间温度场对光纤中的后向散射光信号进行调制，再经过信号的解调、采集和处理之后将温度信息实时地显示出来。在时间上，利用光纤中光波的传输速度和后向光回波的时间差，结合OTDR技术对所测得的温度点进行准确定位。分布式光纤传感系统由于其抗干扰力强、耐腐蚀、耐高温等特性，在很多高温、高热等恶劣环境下具有特殊的优势，近年来已经广泛地应用于煤矿、隧道的火灾自动报警系统，也可用于油库、危险品库、军火库的火灾报警系统。

2 系统主要原理及可行性设计 分布式光纤传感技术是将光纤沿温度场铺设，利用光纤几何上的一维特性进行测量，它把被测量作为光纤位置长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的测量，为工业和研究领域提供了同时获取被测物理参量的空间分布状态和随时间变化的信息的手段。 火灾报警系统主要是要求对温度的响应要快，定位要准，误报漏报少，设备简单。同时根据起火时刻的特征，在起火点附近的环境温度会发生跃变，而不同于一般情况下空气温度的缓慢变化。设计方案：沿被测物理量(温度)的分布场铺设光缆，并在光纤上安装多个形状记忆合金探头。激光光源从光纤入射，光在传输过程中产生后向散射光返回光入射处。在火灾发生的初期，环境温度的升高使记忆合金探头发生收缩，从而导致光纤形变，引起光纤的微弯损耗，在光注入处用光探测器件(APD)可将后向Rayleigh散射光采集到中心控制室进行数据的分析和处理。分析光纤中衰减系数的动态变化，当某点的衰减系数达到报警条件时系统就会自动报警。系统的原理框图，如图1所示。图1 分布式光纤温度传感系统框图

2．1 形状记忆合金探头 形状记忆合金(SMA)是智能结构常用的驱动材料。形状记忆效应可描述如下：在高温条件下具有特定形状的物体(合金材料)，在低温时对其施加外部应力使其产生塑性变形，当对其进行加热时将保持初始(记忆)形状(即在高温时的形状)。 材料的形状记忆效应按其在被加热恢复其高温相状态下的形状后又被冷却的条件下，其形状的变化情况可分为三种：单程记忆效应、双程记忆效应和全程记忆效应。如又被冷却后依然保持其高温相形状则称为单程形状记忆效应；如恢复到低温相形状则称为双程记忆效应；如恢复为高温相形状但取向相反则称为全程形状记忆。 在火灾报警系统中根据用户的要求可选择各种恢复温度下的探头。本传感系统中采用的是在66℃时发生形变的具有双程记忆效应的NiTi合金探头。当这种探头周围的环境温度到达66℃时，会发生形变，从而在所处位置对光纤产生拉力，导致光纤发生形变。

2．2 光时域反射(OTDR)技术 OTDR是利用分析光纤中后向散射光或前向散射光的方法，测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，通过显示损耗与光纤长度的关系来检测外界信号场分布于光纤上的扰动信号。 光纤上距离始端Z处长度为dZ的一段光纤上产生的后向散射光传播至光纤始端的光功率可以用(1)式表示为： S--后向散射因子； W--注入光脉冲的宽度； Vg--传输光的群速度； Na--光纤的数值孔径。 在使用探头使光纤发生形变的系统中可以看出：衰减系数at的变化直接影响了P(Z)，所以外界因素引起的沿光纤长度上的某一点散射信号的变化可以用OTDR技术探测而不受其他点的影响。注意这里说的"某一点"实际是dZ＝W