对于高分辨率温度场测绘光纤分布式传感器
2016年11月7日
我们演示如何使用光纤分布式传感器用于映射混合空气喷射的温度场。瑞利散射基于传感器产生数千个数据点沿单一光纤提供出色的空间分辨率是高不可攀的传统传感器，如热电偶。
本实验的总体目标是提供高分辨率流场数据来验证计算流体动力学计算机代码，检查它们准确模拟湍流中传热的能力。这种先进的温度测量技术可以沿着由商用电信光纤制成的单个传感器生成数千个数据点。它能够提供远远超出热电偶等传统传感器的数据密度。
但与热电偶不同的是，这些光纤传感器对应变和温度都很敏感。因此，作、振动和湿度变化都会影响温度的信号。应变传感器与传统传感器完全不同。
获得准确的数据需要特殊的作程序和实践，我们将在这里演示。分布式温度传感器 （DTS） 将使用此测试部分进行演示。它是一个玻璃罐，底座上连接着两个六边形空气管道。
空气在内部混合后通过顶部的通风口排出。在顶部面板的内侧，DTS 的位置上方有一个黑色的聚合物屏幕。通过移除顶部和侧面的面板来进入测试部分的内部。
横跨测试部分的顶部是间距为 20 毫米的钢丝。在测量区域上，电线支撑分布式温度传感器的光纤。光纤垂直于钢丝，相距 10 毫米。
DTS 的起点大约有一米长的光纤预留用于熔接和末端端接。线段通过相邻的导线从测量区域的一侧编织到另一侧。光纤被绕成相邻段，末端用胶带固定在测试段上。
这是上面最终测试部分布局的示意图。钢丝覆盖包括风管的区域。分布式温度传感器的光纤通过管道上方区域的电线编织而成。
要编织 DTS 的光纤，请按照以下步骤作。从 50 米长的光纤线轴开始，然后解开足够的线轴，以便为拼接到水箱外的连接器留出空间。将纤维固定在储备之外到测试部分盖上。
接下来，解开大约半米长的光纤，用于启动第一个新的传感器段。将几百毫米的纤维铺设在金属丝网上，并将其塑造成一个环。通过支撑线编织环，在相邻电线的上方和下方交替。
当到达水箱的另一侧时，前两个传感器段的光纤已准备好被包扎到位。拉紧第一段并将其贴在盖子下侧的位置。粘在盖子上的标尺用于指示位置和控制段间距。
我们希望它足够紧，以便在流动过程中保持原位，但又不能太紧，以至于测试部分的变形会使传感器拉紧并导致测量误差。现在，在纤维的未锚定部分形成一个直径约为 30 毫米的环，并从第一段用胶带固定 10 毫米。将第二段的另一端锚定到水箱盖上。
展开大约半米的光纤以开始下一对传感器段。重复用于前两个检测器分段的步骤，以创建其他分段对。传感阵列就位后，将连接器拼接到光纤的末端。
将传感器插入黄色延迟电缆，该电缆将传感器连接到解调仪。将延迟电缆连接到解调仪并完成配置步骤。传感器解调仪基于 swift 波长干涉测量法。
低功率可调谐二极管激光器将窄带信号发送到光纤中。激光扫描几纳米，信号在参考和测量边之间分配。来自传感器的散射光与参考信号相结合，在探测器上产生干扰信号。
探测器输出用于检索释放散射信号。现在必须映射传感器位置。为此，请将烙铁连接到可变变压器，设置为约 40%。
在计算机上，使用解调仪软件在屏幕上显示实时数据。拿起烙铁，接近传感器第一段的起点，将烙铁靠近传感器并短暂触摸到终点。在计算机上，停止数据采集以冻结峰。
然后放大温度峰值以记录峰值的位置和物理位置。以相同的方式为每个区段的起点和终点收集数据。映射传感器位置后，准备一个或多个温度标准。
在这种情况下，请使用热电偶来完成任务。在 DTS 的测量区域中选择一个区域。将热电偶安装在 DTS 的光纤附近。
完成内部工作后，将所有面板放回原位，关闭水箱。继续用某种形式的绝缘材料包裹水箱。包裹好后，让它静置足够长的时间，以便在传感器周围建立等温气氛。
系统准备就绪后，启动解调仪软件并开始测量。要获取基线，请先停止测量。然后选择 baseline 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 OK 成为基线过程。同时记录热电偶温度读数以进行校准。软件完成基线后，进入测量模式。
现在，信号在传感器的整个长度上应为零，如果系统处于热稳定状态，则不会随时间漂移。此时，请转到 Flow （流量） 和 Heating （加热） 控件，为运行做准备。在空气流通打开的情况下，调整通道中的流速以匹配。
调整功率控制器以加热一个喷嘴，并在喷嘴之间建立所需的温差。在系统运行过夜以达到平衡后返回系统。检查实时 DTS 信号以了解噪声水平并选择合适的标距长度。
使用分布式温度系统以 4 赫兹的频率记录 2000 次扫描。这是测得的温差与基线温度的原始数据。水平轴的左端对应于系统边界上的纤维段，表示为东端。
向右移动，光纤向西端来回循环。峰值出现在传感器正上方的热射流处。西端的噪声是由于流引起的振动造成的。
在这里，原始数据被映射到测试部分的位置。视点是从 DTS 阵列上的测量平面上方。六边形通道的轮廓是 A 到 方向。
数据点之间的线性插值允许创建 2D 温度等值线图，以提供盖子下方的热模式的感觉。红色区域表示东急流上空的温暖区域，但不以它为中心。传感器数据还可用于绘制温度波动的路线均方。
洋红色区域是高温波动和高湍流的区域之一，两个上升的射流在撞击盖子时相互作用。我们已经看到基于瑞利散射的单个光纤传感器如何生成数千个温度测量值，以提供热电偶无法获得的全场详细信息。为确保测量精度，请始终特别注意基线后的应变控制，并通过精心设计传感器支架配置来最大限度地减少流致振动。
这种分布式传感技术为不透明流体中的温度测量和其他应用提供了新的可能性，这些应用不适用于依赖激光和相机的光学技术。
概述
本研究展示了使用光纤分布式传感器来绘制混合气流喷流的温度场。该传感器利用瑞利散射在单根光纤上生成数千个数据点，与传统传感器相比，实现了卓越的空间分辨率。
研究的主要组成部分
科学领域
- 神经科学
- 流体动力学
- 温度测量技术
背景
- 高分辨率的流场数据对于验证计算流体动力学代码至关重要。
- 传统的热电偶等传感器提供的数据密度有限。
- 光纤传感器对应变和温度都很敏感。
- 需要特殊的操作程序来收集准确的数据。
研究目的
- 验证湍流中热传导的计算流体动力学模拟。
- 展示分布式温度传感器（DTS）的设置和操作。
- 比较光纤传感器与传统温度测量方法的性能。
使用的方法
- 构建带有六边形气孔的测试区域，用于混合气流喷流。
- 通过支撑线编织光纤，创建感应阵列。
- 使用基于激光的传感器询问器来测量温度数据。
- 映射传感器位置并使用焊接工具进行校准。
主要结果
- 光纤传感器在测量区域提供了高密度的温度数据。
- 使用焊接工具和软件实现了精确的传感器位置映射。
- 基线测量表明实验期间热条件稳定。
- 流动和加热控制成功建立了所需的温度差异。
结论
- 光纤分布式传感器比传统的热电偶提供了显著的优势。
- 需要采用特殊技术来减轻应变对测量的影响。
- 这种方法增强了对湍流热传导的理解。
常见问题
Executive Industry Relevance
High-resolution temperature field mapping using fiber optic distributed sensors enables rigorous validation of computational fluid dynamics (CFD) models, which are critical for predictive process development in biopharma R&D. The ability to generate thousands of spatially resolved temperature data points supports mechanistic de-risking and enhances confidence in simulation-driven decision making. This capability is particularly relevant for optimizing complex fluid handling, mixing, and thermal control in bioprocessing environments.
Strategic Applications in Biopharma R&D
Early Discovery & Target Validation
- Enables precise interrogation of thermal gradients in experimental systems relevant to process development.
- Supports mechanistic de-risking by providing high-density data for validating heat transfer models.
- Improves predictive confidence in simulation-based process optimization.
Screening & Assay Development
- Facilitates preparation of validated thermal environments for downstream assay workflows.
- Enables reproducible and quantitative temperature mapping across complex geometries.
- Supports standardization of thermal control in high-throughput screening platforms.
Translational & Preclinical Research
- Provides continuity from discovery-scale thermal mapping to pilot and preclinical process validation.
- Enables risk-adjusted advancement of process designs based on robust thermal data.
- Supports alignment of experimental conditions with translational process requirements.
Pipeline & Workflow Integration
This distributed sensing method integrates into the process development continuum, from early discovery through scale-up and preclinical validation, wherever precise thermal mapping is required.
- Discovery Biology: Supports hypothesis testing and pathway clarification by enabling accurate thermal environment characterization.
- Screening: Provides reproducible, high-density temperature data for assay standardization and scalability.
- Analytics: Delivers quantitative outputs and spatially resolved measurements for robust comparison of process conditions.
- Translational Research: Bridges laboratory-scale findings to preclinical process validation through consistent thermal mapping.
- Enterprise Reuse: Offers a reusable platform for high-resolution temperature monitoring across diverse experimental setups.
Operational & Enterprise Impact
- Scientific Value: Enhances predictive confidence and reduces mechanistic ambiguity in process modeling.
- Operational Value: Delivers standardized, reproducible, and scalable temperature measurement capabilities.
- Strategic Value: Informs better go/no-go decisions and improves capital efficiency by reducing late-stage process risk.
- Portfolio Impact: Enables risk-adjusted prioritization and advancement of process development candidates.
Implementation Considerations
- Requires expertise in fiber optic sensor installation and calibration.
- Demands specialized instrumentation for Rayleigh scattering and interferometric analysis.
- Necessitates cross-team standardization of handling and environmental controls to ensure data integrity.
- Adaptation across different model systems may require custom support structures and baseline procedures.
- Accuracy is sensitive to strain, vibration, and humidity, necessitating careful experimental design and operation.
