《分布式光纤测温》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分布式光纤测温（9页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、分布式光纤测温摘要：温度一直是人类从事各项活动所要掌握的重要信息，而获取温度信息的技术和方法也越来越科学， 人类越来越迫切的需要掌握他们生存环境的温度变化。对于现代化工业的今天，温度信息的获取有着更加 现实的意义。分布式光纤温度传感技术于20世纪70年代末被提出，目前这项技术已成为光纤传感器技术 中最具前途的技术之一。与其他传感器相比，光纤作为一种新型的传感器件有其独特的优势。它抗电磁， 耐高温，对温度、应变等外界变化敏感，而且价格便宜，容易获取，可以形成分布式的线测量甚至是场测 量。本文将介绍各种分布式温度传感器，并重点分析基于拉曼散射的分布式光纤温度传感的原理与系统组 成。关键字：光Opt
2、iBlfb散射distributed temperatureYU HANG(College of information and communication Engineering, Harbin Engineering University,Harbin, Heilongjiang 150001, China)Abstract: Temperature has been engaged in various activities of human to grasp the important information， temperature information acquired more
3、 and more scientific techniques and methods ， increasingly urgent need to master the human living environment of their temperature.Today, the modern industrial,temperature information has a more practical significance for.Distributed optical fiber temperature sensing technology in the late 20th cent
4、ury, 70 have been proposed,at present this technique has become fiber-optic sensor technology in one of the most promising technology.Compared with other sensors, fiber optic sensors as a new piece has its unique advantages.It is anti-magnetic, high temperature, temperature, strain sensitive to the
5、outside world, but also inexpensive, easy to access, can form a distributed measurement and even the field measurement line.This article will introduce a variety of distributed temperature sensor, and the focus of Raman scattering based distributed fiber temperature sensing principles and systems of
6、 the.Key words： Optical Fiber Sensor; Fiber Optic Temperature Measurement; Raman scattering1. 引言：光纤传感是伴随着半导体技术和光通 信技术的发展而兴起的一门新的传感技术。 而随着光纤技术与光纤传感理论的研究与 发展，科研人员开始提出温度的分布式测 量。光纤具有体积小、重量轻、可绕、电绝 缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀、测量范围大、 灵敏度高等特点，对传统的传感器特别是温 度传感器能起到扩展提高的作用，完成前者 很难完成甚至不能完成的任务。光纤传感技 术用于温度测量，除了具有以上特点外，与 传统的温度测量仪
7、器相比，还具有响应快、 频带宽、防爆、防燃、抗电磁干扰等特点。 因此，光纤温度传感技术受到各国科技人员 的高度重视并进行了深入研究。分布式光纤 温度传感器可实现沿光纤连续分布的温度 场的分布式测量，测试用光纤的跨距可达几 十千米，空间分辨率高、误差小，与单点或 多点准分布测量相比具有较高的性能价格 比。分布式光纤温度传感器具有很多优点：1）光纤是本质绝缘的，适合易燃、易爆环境2）光纤中传输的是光信号，抗强电磁干扰3）光纤纤细柔软，易于安装4）实现温度的分布式测量在科研和工程技术中，有许多场合需要 确定温度的分布，例如长距离输油管道、通 信电缆或电力电缆等管道的沿线温度场分 布，大型电力变压器内
8、部的温度场分布，桥 梁、大坝、仓库、大型建筑、隧道、高压容 器、航天器机身等的温度分布，因此，分布 式光纤温度传感器以其自身的特点受到了 广泛的重视。分布光纤温度传感器系统自 1981年由英国的南安普敦大学提出以来，不 断得到改进和发展。1987年英国YORK技 术有限公司首次推出了商品化的拉曼后向 散射效应的DTS分布式光纤温度传感系统， 具有四路2km长的光纤，该仪器由904nm 的脉冲半导体激光器、APD和标准的 50/125um通信光纤构成，配备计算机数据处 理和CRT数据图形显示，空间分辨率为 7.5m，温度分辨率为4C,测量范围为 -50C+ 125C,是目前实用的分布式光纤 温度
9、传感器。在国内，也有许多研究机构从 事分布式光纤传感的研究工作。重庆大学首 先开展了分布式光纤传感机理的研究，设计 的系统光源为脉冲驱动的大光腔（LOC）半 导体激光器，探测光脉冲宽度为70ns,重复 频率为8kHz，在1km长的传感光纤上实现 4m的空间分辨率，此后对分布式温度测量的 机理进行了进一步的研究，重点在系统的参 数和信号的处理上做了进一步的工作，采用 普通的多模通讯光纤代替特种光纤，系统的 空间分辨率达到6m，30s的处理时间实现了 温度分辨率优于3C的实验结果。近些年， 分布式光纤传感的研究越来越受到国内研 究和技术人员的广泛重视。2. 分布式光纤温度传感器的理论 基础：2.1
10、光的散射：光束在介质中传播时，部分光线偏离原 方向分散传播的现象称为光的散射。光线通 过均匀的透明介质时（如玻璃、石英），从侧 面是难以看到光束的。如果介质不均匀，或 含有悬浮的颗粒，便可以从侧面看到光束的 轨迹。这是由于介质的不均匀性造成部分光 线朝四周反射的结果。从分子理论来看，光 波射入介质后，将激起介质中的电子作受迫 振动，从而发散出相干次波。只要分子密度 是均匀的，次波相干迭加的结果，只剩下遵 从几何光学规律的沿原方向传播的光线，其 余方向的振动完全抵消;若介质是不均匀 的，他能够破坏次波的千涉相消，从而引起 光的散射。光的散射根据形成原因不同可以 分为瑞利散射，布里渊散射和拉曼散射
11、等； 其分布如图1：图1光散射示意图2.2拉曼散射测温原理：我们重点介绍一下拉曼散射的原理，在 任何分子介质中，自发拉曼散射将一小部分 （一般约为10 -6 ）入射功率由一光束转移到 另一频率下移的光束中，频率下移量由介质 的振动模式决定，此过程称为拉曼效应。激（E = E +h Av ）,散射出频率为v v的 2 1 0光子这种散射称为斯托克斯散射；而原来处于能级E的分子被激光光子激发到2E +hv的虚态，然后回到能级E （E1=E22 0 1hA v ）,散射出频率为v + Av的光子，0+这种散射称为反斯托克斯散射。而拉曼散射光就是由斯托克斯（Stokes）光和反斯托克 斯（Anti-S
12、tokes）光组成的。其波长的偏移 由光纤组成元素的固定属性决定，因此喇曼 散射光的强度与温度有关，其关系公式： Stokes 光： 17 + j .九-4 (1)exp h - c - Ay / k - T 丿一 1s1 九-4 (2)a发光子与光纤分子的相互作用，分为弹性碰撞和非弹性碰撞。弹性碰撞过程中，光子与分子间并不交换能量，因此只是改变光子的Anti Stokes 光:1exp (h - c - Ay / k - T )一 1-exp (一 h - c - Ay / k - T )运动方向并不改变激发光子的波长（即光子 的能量）；在非弹性碰撞过程中，光子与分 子之间的相互作用存在着能
13、量交换，光子可 以释放或吸收分子，在频域上表现为斯托克 斯散射光子和反斯托克斯散射光子。光子与 分子的相互作用可用分子能级图来表示：V(J _ A V 0v o |.A v斯托克斯瑞利反斯托克斯图2拉曼散射的能级示意图当能级为E的分子被激光光子激发到1E + hv的虚态时，然后回到能级E1 0 2式中，九和九分别为Stokes和saAnti-Stokes光波长；h为普朗克常数;c为 真空中的光速；k为玻尔兹曼常数；Ay为 偏移波数；T为绝对温度。为了消除激光管输出的不稳定、光纤弯 曲、接头的损耗等影响，提高测温准确度， 在系统设计中，采用双通道双波长比较的方 V 法，即对Anti-Stokes
14、光和Stokes光分别 进行采集，利用两者强度的比值解调温度信 号。由于Anti-stokes光对温度更为灵敏， 因此将Anti- Stokes光作为信号通道，Stokes光作为比较通道，则两者之间的强度 比如公式3所示：R(T )=1 a$ 变换后可得公式4:1 _ k T he AyIn R（T ）+ 4 In a丿（4）对于固定的温度（恒温槽标定温度）可以由 公式5表示:1 _ kT he Ay o（九九1s丿-In R（T ）+ 4ln0由两式计算可得公式6：1 kThe Ayoin R（T ）- In R （T ）0可见，在测温系统标定之后，通过测R（T）就可以确定沿光纤测量点的温度
15、值。3. 系统的组成结构：3.1系统框图:光脉冲调制器光耦合器曼散射光传感光纤1 分光器aPDStokesAnti-Stokes光电转换和光电转换和大高速数据采集卡计算机图3系统组成结构框图图3为系统的光路设计图。激光器发出的激 光在光脉冲调制器的调制作用下，形成一定 周期和持续时间的短脉冲光。脉冲光通过光 耦合器连接到恒温槽和传感光纤上。在光脉 冲的传输过程中，不同距离点的散射光信号 会有部分沿着传输光路返回至光耦合器。3db的光耦合器会将约50%的拉曼散射光耦 合至光处理系统。拉曼散射光包含了两个频 率不同的光Stokes光和Anti-stokes光。 它们的频率分布在入射光频率的两侧。通过 分光器，将两个不同频率的光分开，进入不 同的光路进行处理。由于散射光中还夹杂着 其它散射光和干扰光，所以需要对两路光进 行一定的带通滤波处理，得到近乎纯净的拉 曼散射光。拉曼散射光进而通过APD（雪崩光 电二极管）进行光电转换和放大，得到一定 范围的有效电压值。最后，在处理核心的控 制下，对两路电压进行采集和滤波处理。经 过计算得到实际的温度值。3.2系统的主要技术指标：评定分布式温度传感系统优劣的技术 指标有很多，其中决定分布式拉曼
