基于石墨烯光纤的分布式光纤快速测温系统研究.pdf

摘要

分布式光纤传感技术被提出后，在上世纪80年代随光时域反射（OTDR）技

术的发展而不断进步，之后又形成了不同的分布式光纤传感系统和测量原理，并在

测量温度、湿度、震动等多种领域得到广泛应用，如今已经是光纤传感技术中使用

最广泛的技术之一。分布式光纤测温系统（DistributedTemperatureSensing，DTS）

是一种用于快速实时多点测温的传感系统，其在井下实时监控、火灾报警、快速动

态温度反馈等方面有重要的应用价值。但是，目前的分布式光纤测温系统受到光纤

材料导热性能的限制，温度响应速度较慢，测温系统性能亟需提升。为了解决上述

问题，本论文做了以下研究工作。

（1）系统的调查研究了国内外对石墨烯材料及其应用的研究现状，对分布式

光纤温度传感技术、基于石墨烯的光纤传感技术和石墨烯与光纤结合的结构及制

作方法的发展现状进行了综述，针对分布式光纤快速测温需求的科学问题，提出了

本课题的研究意义。

（2）介绍导热理论基础和石墨烯材料的热效应，分析并阐述了分布式光纤测

温系统中涉及的传感理论，介绍了大规模制备石墨烯纳米片的“插层-剥离”技术

并分析了所制石墨烯纳米片的表征测试结果。

（3）提出并实现了一种可工业化生产的公里级石墨烯光纤制备工艺，对石墨

烯光纤进行了物性表征，确保石墨烯光纤涂层中石墨烯材料的固有性质，对石墨烯

光纤进行了直接的热导性能测试，得到所制石墨烯光纤的轴向热扩散率约达



2

24.99mm/s，比普通光纤的轴向热扩散大30倍，计算得石墨烯光纤的热导率较普

通光纤提升了19倍。

（4）利用石墨烯光纤的制备工艺，制备了一种石墨烯涂层光纤布拉格光栅温

度传感器，通过光热测试得到石墨烯光纤的热扩散率比普通光纤提升了18倍，并

基于此设计了基于石墨烯涂层光纤布拉格光栅的准分布式温度传感系统。将石墨

烯光纤分别用于基于拉曼散射的分布式光纤测温系统和基于φ-OTDR的分布式光

纤测温系统，提出并实现了一种基于石墨烯光纤的分布式快速测温系统，对系统进

行搭建与测试，系统的温度响应速度提高了15倍以上。

关键词：分布式光纤测温系统（DTS），石墨烯光纤，热扩散率，温度响应速度

ABSTRACT

Distributedopticalfibersensingtechnologywasproposedinthelate1970s,since

thenitdevelopedwiththeemergenceofopticaltime-domainreflectometer(OTDR)

technology,andthenproduceddifferentdistributedopticalfibersensingmechanismand

measurementsystem,andnowithasbecomeoneofthemostwidelyusedtechnologies

inopticalfibersensingtechnology.DistributedTemperatureSensing(DTS)isasensing

systemforfast,real-time,multi-pointtemperaturemeasurement,whichhasimportant

applicationvalueindownholereal-timemonitoring,firealarm,rapiddynamic

temperaturefeedbackandsoon.However,thecurrentdistributedopticalfiber

temperaturemeasurementsystemislimitedbythethermalconductivityofopticalfiber