喇曼分布式光纖溫度傳感器

《喇曼分布式光纖溫度傳感器》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。

1、喇曼分布式光纖溫度傳感器1.光纖溫度傳感器簡(jiǎn)介光纖溫度傳感器是上世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一門新型的測(cè)溫技術(shù)。它基于光信號(hào)傳送信息，具有絕緣、抗電磁干擾、耐高電壓等優(yōu)勢(shì)特征。在國(guó)外，光纖溫度傳感器發(fā)展很快，形成了多種型號(hào)的產(chǎn)品，并已應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，取得了很好的效果。國(guó)內(nèi)在這方面的研究也如火如荼，多個(gè)大學(xué)、研究所與公司展開(kāi)合作，研發(fā)了多種光纖測(cè)溫系統(tǒng)投入到了現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。按工作原理分，光纖溫度傳感器可分為功能性和傳輸型兩種。功能型溫度傳感器中光纖作為傳感器的同時(shí)也是光信號(hào)的載體，而傳輸型溫度傳感器中光纖則只傳輸光信號(hào)。目前主要的光纖溫度傳感器包括分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度

2、傳感器、光纖熒光溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器等。其中應(yīng)用最多當(dāng)屬分布式光纖溫度傳感器與光纖光柵溫度傳感器。1）分布式光纖溫度傳感器分布式光纖傳感器最早是在1981年由英國(guó)南安普敦大學(xué)提出的。激光在光纖傳送中的反射光主要有瑞利散射（Rayleighscatter）、拉曼散（Ramanscatter）、和布里淵散射（Brillouinscatter）三部分，如圖所示。分布式光纖傳感器經(jīng)歷從最初的基于后向瑞利散射的液芯光纖分布式溫度監(jiān)控系統(tǒng)，到電力系統(tǒng)保護(hù)與控制基于光時(shí)域（OTDR）拉曼散射的光纖測(cè)溫系統(tǒng)，以及基于光頻域拉曼散射光纖測(cè)溫系（ROFDA）等等。目前其測(cè)量距離

3、最長(zhǎng)可達(dá)30km，測(cè)量精度最高可達(dá)0.5℃，空間定位精度最高可達(dá)0.25m，溫度分辨率最高可達(dá)到0.01℃左右。目前，分布式光纖溫度傳感器主要基于拉曼散射效應(yīng)及光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)技術(shù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)分布式測(cè)量，如YorkSensa、Sensornet等公司產(chǎn)品。基于布里淵散射光時(shí)域及光頻域系統(tǒng)也是當(dāng)前光纖傳感器領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)，LIOS、MICRIONOPTICS等公司已有相應(yīng)的產(chǎn)品。2）光纖光柵點(diǎn)式溫度傳感器光纖光柵溫度傳感器是利用光纖材料的光敏性在光纖纖芯形成的空間相位光柵來(lái)進(jìn)行測(cè)溫的。光纖光柵以波長(zhǎng)為編碼，具有傳統(tǒng)傳感器不可比擬的優(yōu)勢(shì)，已廣泛用于建筑、航天、石油化工、

4、電力行業(yè)等。光纖光柵溫度傳感器主要有Bragg光纖光柵溫度傳感器和長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器。Bragg光纖光柵是指單模摻鍺光纖經(jīng)紫外光照射成柵技術(shù)而形成的全新光纖型Bragg光柵，成柵后的光纖纖芯折射率呈現(xiàn)周期性分布條紋并產(chǎn)生Bragg光柵效應(yīng)，其基本光學(xué)特性就是以共振波長(zhǎng)為中心的窄帶光學(xué)濾波器，滿足如下光學(xué)方程：λb=2nΛ（1）式中：λb為Bragg波長(zhǎng)；Λ為光柵周期；n為光纖模式的有效折射率。長(zhǎng)周期光纖光柵是一種特殊的光纖光柵，其傳光原理是將前向傳輸?shù)幕ｑ詈系角跋騻鬏數(shù)陌鼘幽Ｖ?。由于其寬帶濾波、極低的背景發(fā)射等特點(diǎn)引起人們的重視，是一種新型的寬帶帶阻濾波器。2.分布

5、式拉曼散射光通過(guò)介質(zhì)時(shí)由于入射光與分子運(yùn)動(dòng)相互作用而引起的頻率發(fā)生變化的散射稱為拉曼散射。這是1928年印度物理學(xué)家C．V拉曼在氣體和液體中觀察到散射光頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。激光器在驅(qū)動(dòng)電源控制下經(jīng)過(guò)定向耦合器向傳感光纖注入一系列窄脈沖，而傳感光纖敷設(shè)在待測(cè)溫度場(chǎng)內(nèi)，窄脈沖在光纖傳輸過(guò)程中發(fā)生的非線性效應(yīng)，產(chǎn)生拉曼散射。經(jīng)過(guò)大量的研究和實(shí)踐證明，光纖中接收到的拉曼散射光的兩種光，即反斯托克斯和斯托克斯光強(qiáng)指標(biāo)能夠反應(yīng)被測(cè)點(diǎn)的溫度，并且根據(jù)接收到反斯托克斯光的時(shí)間來(lái)確定位置，這樣，就可以通過(guò)一根光纖來(lái)實(shí)現(xiàn)整條光纖上的溫度分布的測(cè)量了。大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，測(cè)量溫度是根據(jù)一個(gè)光強(qiáng)的比

6、值，這其中，反斯托克斯散射光對(duì)溫度敏感，而斯托克斯散射光則受溫度影響極小，因此，以反斯托克斯光作為信號(hào)通道，所以，我們以斯托克斯光作為參考通道，測(cè)量反斯托克斯光，得到比值量，計(jì)算出溫度信息。因?yàn)樗雇锌怂构夂头此雇锌怂构馐窃谕粭l光纖中傳遞，所以有效地消除了光源的不穩(wěn)定因素，并且由于光纖接頭、耦合、傳輸和彎曲等因素造成的損耗。這就是拉曼散射的優(yōu)點(diǎn)了，損耗低，測(cè)量距離長(zhǎng)，測(cè)量值只與測(cè)量溫度有關(guān)。此式說(shuō)明了溫度和反斯托克斯光與斯托克斯光光強(qiáng)比值的關(guān)系，其中表示反斯托克斯光強(qiáng)和頻率表示斯托克斯光強(qiáng)和頻率，h，v。，K分別為普朗克常數(shù)，瑞利散射光頻率和玻爾茲曼常數(shù)，丁為被測(cè)點(diǎn)絕對(duì)

7、溫度值。結(jié)合本設(shè)計(jì)的需要，選定拉曼散射為本設(shè)計(jì)的測(cè)量基礎(chǔ)，下面對(duì)此進(jìn)一步說(shuō)明。3.喇曼分布式光纖溫度傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)1）喇曼分布式光纖溫度傳感器原理光纖傳感器的基本原理是將來(lái)自光源的光通過(guò)光纖送入調(diào)制器，使待測(cè)參數(shù)與進(jìn)入調(diào)制區(qū)的光相互作用后，導(dǎo)致光的光學(xué)性質(zhì)（如光的強(qiáng)度、波長(zhǎng)、頻率、相位、偏振態(tài)等）發(fā)生變化，成為被調(diào)制的信號(hào)光，再經(jīng)過(guò)光纖送入光探測(cè)器，經(jīng)解調(diào)器解調(diào)后，獲得被測(cè)參數(shù)。喇曼分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)獲取空間溫度分布信息的原理是利用光在光纖中傳輸能夠產(chǎn)生后向散射，在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，它在光纖中傳輸?shù)耐瑫r(shí)不斷產(chǎn)生后向