用于高分辨率温度场映射的光纤分布式传感器

本实验的总体目标是提供高分辨率的流场数据，以验证计算流体动力学计算机代码，检验其准确模拟湍流中传热的能力。这种先进的温度测量技术能够沿商用电信光纤制成的单个传感器生成数千个数据点，所提供的数据密度远超热电偶等传统传感器。

但与热电偶不同，这些光纤传感器不仅对温度敏感，也对应变敏感。因此，操作、振动以及湿度变化都会影响温度信号。这种应变敏感性与传统传感器截然不同。

而要获得准确的数据，需要特殊的操作程序和方法，我们将在下文进行演示。分布式温度传感器（DTS）将通过本测试段进行演示。该测试段是一个玻璃容器，底部连接有两个六边形的空气管道。

空气在内部混合后，从顶部的通风口排出。顶板内侧位于DTS位置处有一个黑色聚合物筛网。通过拆卸顶部和侧面的面板，可进入测试段内部。

在测试段顶部横向布置着间距为20毫米的钢丝。在测量区域内，这些钢丝支撑着分布式温度传感器的光纤。光纤垂直于钢丝方向布置，且间距为10毫米。

DTS 的起始端预留了约一米长的光纤，用于熔接和端接。光纤从测量区域的一侧穿至另一侧，并穿过相邻的导线。光纤以环形方式连接至相邻的段落，两端用胶带固定在测试段上。

这是最终测试段从上方俯视的示意图。钢丝覆盖包含管道的区域。分布式温度传感器的光纤在管道上方区域的钢丝间穿行。

按照以下步骤编织分布式温度传感（DTS）系统的光纤。首先准备一卷50米长的光纤，展开足够的长度以形成预留段，用于在水箱外部与连接器进行熔接。将预留段之后的光纤固定在测试段的盖板上。

接下来，展开约半米长的光纤，用于制作第一个新的传感器段。将数百毫米长的光纤铺设到金属丝网上，并将其弯曲成环状。开始将环状部分穿过支撑金属丝，交替地从相邻金属丝的上方和下方穿行编织。

当到达水箱的另一侧时，前两个传感器段的光纤已可固定到位。将第一段光纤拉紧，并用胶带固定在盖子的下方。粘在盖子上的直尺用于指示位置并控制各段之间的间距。

我们希望光纤绷得足够紧，以在流体流动过程中保持位置不变，但又不能过紧，以免测试段发生形变，导致传感器受力并产生测量误差。接下来，在光纤未固定的一端绕成一个直径约30毫米的环，并用胶带将其固定在距离第一段10毫米的位置。将第二段的另一端固定在水箱盖上。

解开约半米长的光纤，以开始制作下一对传感器段。重复前两个检测段所用的步骤，制作更多的段对。在传感阵列就位后，将连接器熔接到光纤末端。

将传感器插入黄色延迟电缆，该电缆用于连接传感器与解调仪。将延迟电缆连接至解调仪，并完成配置步骤。该传感器解调仪基于快速波长干涉技术。

低功率可调谐二极管激光器将窄带信号送入光纤。激光器在数纳米范围内进行扫描，信号被分至参考臂和测量臂。来自传感器的散射光与参考信号合并，在探测器处产生干涉信号。

利用检测器输出来获取释放散射信号。现在必须标定传感器的位置。为此，将电烙铁连接至可变变压器，并将功率调至约40%。

在计算机上，使用询问器软件将实时数据显示在屏幕上。拿起电烙铁，靠近传感器第一段的起始位置，将烙铁靠近传感器，并短暂触碰其终点。在计算机上停止数据采集，以冻结峰值。

然后放大观察温度尖峰，记录峰值位置及对应的物理位置。以相同方式采集各段起点和终点的数据。完成传感器位置映射后，制备一个或多个温度标准品。

在这种情况下，使用热电偶执行该任务。在分布式温度传感（DTS）的测量区域内选择一个区域，并将热电偶安装在DTS光纤附近。

完成内部作业后，将所有面板恢复原位以关闭储罐。接着，用某种形式的隔热材料包裹储罐。包裹完成后，静置足够长时间，使传感器周围形成等温环境。

当系统准备就绪后，启动询问器软件并开始测量。为获取基线，首先停止测量，然后选择基线，并在提供的字段中输入文件名。

选择一个测量范围，然后单击“确定”以开始基线过程。同时记录热电偶的温度读数以进行校准。软件完成基线后，进入测量模式。

如果系统处于热稳定状态，此时传感器整个长度上的信号应为零，并且不会随时间漂移。在此阶段，进入流量和加热控制界面以准备开始运行。开启气流后，调节各通道的流速以使其匹配。

调节功率控制器以加热其中一个射流，并在射流之间建立所需的温差。待系统运行过夜达到平衡后返回。检查实时DTS信号以评估噪声水平，并选择合适的测量标距长度。

使用分布式温度系统以 4 赫兹的频率记录 2000 次扫描。这是相对于基线温度测得的温度差的原始数据。横轴的左端对应于系统边界处的一段光纤，标记为东端。

向右移动时，光纤来回折返至西端。当传感器正对热射流上方时出现峰值。西端附近的噪声是由流动诱导振动引起的。

此处，原始数据被映射到测试区域的相应位置。视点位于DTS阵列测量平面的上方。六边形通道的轮廓为A至取向。

通过对数据点进行线性插值，可以生成二维温度等高线图，从而呈现盖板下方的热分布模式。红色区域表示在东侧射流上方存在一个温暖区域，但该区域并未以射流为中心。传感器数据还可用于绘制温度波动的均方根路径图。

品红色区域是两个上升射流冲击顶盖时相互作用的区域，具有较大的温度波动和高度湍流。我们已经看到，基于瑞利散射的单根光纤传感器能够生成数千个温度测量点，从而提供完整热场的详细图像，这是使用热电偶无法实现的。为确保测量精度，在基线测量完成后务必特别注意应变控制，并通过合理设计传感器支撑结构来尽量减少流体诱导的振动。

这种分布式传感技术为不透明流体及其他不适合采用依赖激光和相机的光学技术的应用场景中的温度测量提供了新的可能性。