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1、第第第第10101010章章章章 光纤温度传感器光纤温度传感器光纤温度传感器光纤温度传感器2024/8/第第1010章章 光纤温度传感器光纤温度传感器110.2 10.2 传光型光纤温度传感器传光型光纤温度传感器210.3 10.3 功能型光纤温度传感器功能型光纤温度传感器310.4 10.4 分布式光纤温度传感器分布式光纤温度传感器410.1 10.1 引引 言言2024/8/10.1 10.1 引引 言言v光纤用于温度测量的机理与结构形式多种多样，光纤用于温度测量的机理与结构形式多种多样，按光纤所按光纤所起的作用基本上可分为两大类：起的作用基本上可分为两大类：v一类是传光型，一类是传光型，
2、这类传感器仅由光纤的几何位置排布实现这类传感器仅由光纤的几何位置排布实现光转换功能；光转换功能；v另一类是传感型，另一类是传感型，它以光的相位、波长、强度（干涉）等它以光的相位、波长、强度（干涉）等为测量信号。为测量信号。v传光型与传感型相比，传光型与传感型相比，虽然其温度灵敏度较低，但是由于虽然其温度灵敏度较低，但是由于具有技术上容易实现、结构简单、抗干扰能力强等特点，具有技术上容易实现、结构简单、抗干扰能力强等特点，在实用化技术方面取得了突破，发展较快。在实用化技术方面取得了突破，发展较快。2024/8/10.1 10.1 引引 言言v 表表10.1 10.1 光纤温度传感器的测温机理及特
3、点光纤温度传感器的测温机理及特点v对测量物体某一点温度或温度场温度的点式光纤温度传感对测量物体某一点温度或温度场温度的点式光纤温度传感器的研究和开发比较活跃。器的研究和开发比较活跃。v近几年，为了解决温度场的测量问题，研制出了分布式光近几年，为了解决温度场的测量问题，研制出了分布式光纤温度传感器。纤温度传感器。测测 温温 机机 理理 传感器的特点传感器的特点 荧光荧光 激发的荧光（强度、时间）与测量温度的相关性（荧激发的荧光（强度、时间）与测量温度的相关性（荧光余辉）光余辉） 光干涉光干涉 法布里法布里- -珀罗器件，薄膜干涉珀罗器件，薄膜干涉 光吸收光吸收 砷化镓等半导体吸收砷化镓等半导体吸
4、收 热致光辐射热致光辐射黑体腔、石英、红外光纤、光导棒黑体腔、石英、红外光纤、光导棒 光散射光散射 载有温度信息的光在光纤中形成的拉曼散射、瑞利散载有温度信息的光在光纤中形成的拉曼散射、瑞利散射射 2024/8/10.2 10.2 传光型光纤温度传感器传光型光纤温度传感器10.2.110.2.1 半导体光吸收型光纤温度半导体光吸收型光纤温度 传感器传感器10.2.210.2.2 热色效应光纤温度传感器热色效应光纤温度传感器10.2.310.2.3 荧光型光纤温度传感器荧光型光纤温度传感器2024/8/10.2.1 10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器v许多半导
5、体材料在它的红限波长许多半导体材料在它的红限波长 （即其禁带宽度对应的（即其禁带宽度对应的波长）的一段光波长范围内有递减的吸收特性，超过这一波长）的一段光波长范围内有递减的吸收特性，超过这一波段范围几乎不产生吸收，这一波段范围称为波段范围几乎不产生吸收，这一波段范围称为半导体材料半导体材料的吸收端的吸收端。 例如例如 GaAs, CdTe 材料的吸收端在材料的吸收端在0.9 m附附近，如图近，如图10.1(a)10.1(a)所示。所示。 (a) (a) 光吸收温度特性光吸收温度特性 (b) (b) 结构结构 图图10.1 10.1 半导体光吸收型光纤温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器202
6、4/8/10.2.1 10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器v用这种半导体材料作为温度敏感头的原理是，它们的禁用这种半导体材料作为温度敏感头的原理是，它们的禁带宽度随温度升高几乎线性地变窄，相应的红限波长带宽度随温度升高几乎线性地变窄，相应的红限波长 几乎线性地变长，从而使其光吸收端线性地向长波方向几乎线性地变长，从而使其光吸收端线性地向长波方向平移。显然，当一个辐射光谱与平移。显然，当一个辐射光谱与 相一致的光源发出相一致的光源发出的光通过半导体时，其透射光强随温度升高而线性地减的光通过半导体时，其透射光强随温度升高而线性地减小。图小。图10.1(a)10.1
7、(a)示出了这一说明。示出了这一说明。v采用如图采用如图10.1(b)10.1(b)所示的结构，就组成了一个最简单的光所示的结构，就组成了一个最简单的光纤温度传感器。这种结构由于光源不稳定的影响很大，纤温度传感器。这种结构由于光源不稳定的影响很大，实际中很少采用。实际中很少采用。2024/8/10.2.1 10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器v一个实用化的设计如图一个实用化的设计如图10.210.2所示。所示。它采用了两个光源，一它采用了两个光源，一个是铝镓砷发光二极管，波长个是铝镓砷发光二极管，波长 ；另一个是；另一个是铟镓磷砷发光二极管，波长铟镓磷砷发光二
8、极管，波长 。敏感头对。敏感头对 光的吸收随温度而变化，对光的吸收随温度而变化，对 光不吸收，故取光不吸收，故取 光作为光作为参考信号。用雪崩光电二极管作为光探测器。经采样放大参考信号。用雪崩光电二极管作为光探测器。经采样放大器后，得到两个正比于脉冲宽度的直流信号，再由除法器器后，得到两个正比于脉冲宽度的直流信号，再由除法器以参考光信号以参考光信号( )( )为标准将与温度相关的光信号为标准将与温度相关的光信号( )( )归一化。于是，除法器的输出只与温度归一化。于是，除法器的输出只与温度T T有关。采用单片有关。采用单片机进行信息处理即可显示温度。机进行信息处理即可显示温度。2024/8/1
9、0.2.1 10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器v这种传感器的测量范围是这种传感器的测量范围是-10300，精度可达，精度可达 1。 图图10.2 10.2 实用化半导体光吸收型光纤温度传感器实用化半导体光吸收型光纤温度传感器2024/8/10.2.2 10.2.2 热色效应光纤温度传感器热色效应光纤温度传感器v许多无机溶液的颜色随温度而变化，因而溶液的光吸收谱许多无机溶液的颜色随温度而变化，因而溶液的光吸收谱线也随温度而变化，线也随温度而变化，称为热色效应称为热色效应。其中钴盐溶液表现出。其中钴盐溶液表现出最强的光吸收作用，热色溶液如最强的光吸收作用，热色溶
10、液如 溶液的光吸收频谱如图溶液的光吸收频谱如图10.310.3所示。所示。 图图10.3 10.3 热色溶液的光吸收频谱热色溶液的光吸收频谱2024/8/10.2.2 10.2.2 热色效应光纤温度传感器热色效应光纤温度传感器v从图从图10.310.3可见，可见，在在 25 75 之间的不同温度下，波长之间的不同温度下，波长在在 400 800nm 范围内有强烈的热色效应。在范围内有强烈的热色效应。在 655 nm 波波长处，光透射率几乎与温度成线性关系，而在长处，光透射率几乎与温度成线性关系，而在 800 nm处，处，几乎与温度无关。几乎与温度无关。v同时，这样的热色效应是完全可逆的，因此可
11、将这种溶液同时，这样的热色效应是完全可逆的，因此可将这种溶液作为温度敏感探头，并分别采用波长为作为温度敏感探头，并分别采用波长为 655 nm 和和 800nm 的光作为敏感信号和参考信号的光作为敏感信号和参考信号。2024/8/10.2.2 10.2.2 热色效应光纤温度传感器热色效应光纤温度传感器v这种温度传感器的组成如图这种温度传感器的组成如图10.410.4所示。所示。v光源采用卤素灯泡，光进入光纤之前进行斩波调制。探头光源采用卤素灯泡，光进入光纤之前进行斩波调制。探头外径外径 1.5mm，长为，长为 10 mm，内充钴盐溶液，两根光纤插入，内充钴盐溶液，两根光纤插入探头，构成单端反射
12、形式。探头，构成单端反射形式。v从探头出来的光纤经从探头出来的光纤经 Y 形分路器将光分为两种，分别经形分路器将光分为两种，分别经655 nm 和和 800 nm 滤波片得到信号光和参考光，再经光电滤波片得到信号光和参考光，再经光电信息处理电路，得到温度信息。信息处理电路，得到温度信息。 2024/8/10.2.2 10.2.2 热色效应光纤温度传感器热色效应光纤温度传感器 图图10.4 10.4 热色效应光纤温度传感器热色效应光纤温度传感器2024/8/10.2.3 10.2.3 荧光型光纤温度传感器荧光型光纤温度传感器v荧光现象大致分为两类：荧光现象大致分为两类：v一类是下转换荧光现象，一
13、类是下转换荧光现象，短波长辐射（紫外线、短波长辐射（紫外线、X射线）射线）激发出长波长（可见光）光辐射；激发出长波长（可见光）光辐射；v另一类是上转换荧光现象，另一类是上转换荧光现象，长波长光辐射（长波长光辐射（LED、红外光）、红外光）通过双光子效应激发出短波长（可见光）光辐射。通过双光子效应激发出短波长（可见光）光辐射。v后一类用于温度测量时，费效比低，有实用意义。后一类用于温度测量时，费效比低，有实用意义。v荧光材料是荧光材料是 ： 荧光粉，激励波长为荧光粉，激励波长为 940 nm ，荧光波长为，荧光波长为 554 nm。2024/8/10.2.3 10.2.3 荧光型光纤温度传感器荧
14、光型光纤温度传感器v荧光特性如图荧光特性如图10.510.5所示，分为荧光段和余辉段。所示，分为荧光段和余辉段。余辉强度余辉强度 I(t) 是温度和时间的函数，即是温度和时间的函数，即 图图10.5 10.5 光脉冲激励的荧光特性光脉冲激励的荧光特性2024/8/10.2.3 10.2.3 荧光型光纤温度传感器荧光型光纤温度传感器 (10.1)(10.1)v式中，式中， ；A A是常数；是常数； 是停止激励时的荧是停止激励时的荧光峰值强度，光峰值强度，t t 是温度的函数；是温度的函数； 是荧光余辉寿命，是荧光余辉寿命，是温度的函数。是温度的函数。v式式(10.1)(10.1)表明，表明， 和
15、和 是两个与温度是两个与温度T T 有关的有关的独立的参数，可用于计量温度。联合使用这两个温度参独立的参数，可用于计量温度。联合使用这两个温度参数实现温度计量的方法是所谓的余辉强度积分法，即数实现温度计量的方法是所谓的余辉强度积分法，即 (10.2) (10.2)2024/8/10.2.3 10.2.3 荧光型光纤温度传感器荧光型光纤温度传感器v该积分值等于图该积分值等于图10.510.5中斜线下的面积，如图中阴影部分所中斜线下的面积，如图中阴影部分所示。温度不同，这个面积不同。这种方法的优点是温度计示。温度不同，这个面积不同。这种方法的优点是温度计量的重现性好，测量范围宽。信号处理中采取量的
16、重现性好，测量范围宽。信号处理中采取 m 次累计平次累计平均的方法，如图均的方法，如图10.610.6所示。所示。 图图10.6 10.6 余辉强度积分法示意图图余辉强度积分法示意图图2024/8/10.2.3 10.2.3 荧光型光纤温度传感器荧光型光纤温度传感器v荧光型光纤温度传感器的组成原理框图如图荧光型光纤温度传感器的组成原理框图如图10.7所示。所示。LED发射波长为发射波长为940 nm的脉冲光，通过光纤入射到探头荧的脉冲光，通过光纤入射到探头荧光粉上，由于双光子过程荧光粉发射出波长为光粉上，由于双光子过程荧光粉发射出波长为554 nm的绿的绿光，经光纤分路送至光电探测器进行光电转
17、换，再经放大光，经光纤分路送至光电探测器进行光电转换，再经放大电路放大，由微机控制的采样、保持及模电路放大，由微机控制的采样、保持及模-数转换电路对荧数转换电路对荧光波进行采样，并由微机对采集的数据进行处理，给出温光波进行采样，并由微机对采集的数据进行处理，给出温度的信息。度的信息。 v 10.7 10.7荧光型光纤温度传感器的组成原理框图荧光型光纤温度传感器的组成原理框图2024/8/10.3 10.3 功能型光纤温度传感器功能型光纤温度传感器v v 10.3.110.3.1 光纤温度开关传感器光纤温度开关传感器 10.3.310.3.3 热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器10.3.2
18、10.3.2 掺杂光纤温度传感器掺杂光纤温度传感器10.3.410.3.4 相位干涉型光纤温度传感器相位干涉型光纤温度传感器2024/8/10.3.1 10.3.1 光纤温度开关传感器光纤温度开关传感器v如果光纤纤心和包层材料的折射率随温度变化，且在某一如果光纤纤心和包层材料的折射率随温度变化，且在某一温度下出现交叉时，这种光纤就可以用做温度下出现交叉时，这种光纤就可以用做光纤温度传感器。光纤温度传感器。v图图10.810.8示出了三对这种光纤材料的折射率交叉点情况。示出了三对这种光纤材料的折射率交叉点情况。 图图10.8 10.8 三对光纤材料的折射率交叉点三对光纤材料的折射率交叉点2024
19、/8/10.3.1 10.3.1 光纤温度开关传感器光纤温度开关传感器v在图在图10.810.8中：中：v当纤心折射率大于包层折射率时，光能被集中在纤心中。当纤心折射率大于包层折射率时，光能被集中在纤心中。v当温度升高到两条折射率曲线的交叉点时，因纤心与包层当温度升高到两条折射率曲线的交叉点时，因纤心与包层折射率的差为折射率的差为0 ，光能进入包层。，光能进入包层。v温度再升高，纤心中光能量将中断，传感器将发出警报信温度再升高，纤心中光能量将中断，传感器将发出警报信号。号。 2024/8/10.3.2 10.3.2 掺杂光纤温度传感器掺杂光纤温度传感器 掺杂稀土元素（如钕、铕）的玻璃光纤，具有
20、温度敏感掺杂稀土元素（如钕、铕）的玻璃光纤，具有温度敏感的吸收光谱，在两个波长处具有单调温度函数特性，如图的吸收光谱，在两个波长处具有单调温度函数特性，如图10.910.9所示。所示。 (a) (a) 掺钕光纤温度敏感的吸收光谱掺钕光纤温度敏感的吸收光谱 (b) (b) 温度响应曲线温度响应曲线 图图10.9 10.9 掺钕光纤的温度特性掺钕光纤的温度特性2024/8/10.3.3 10.3.3 热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器v热辐射光纤高温传感器是基于光纤被加热要引起热辐射这热辐射光纤高温传感器是基于光纤被加热要引起热辐射这个原理的。个原理的。v接触式热辐射光纤高温传感器通常有两种
21、构成方式：分布接触式热辐射光纤高温传感器通常有两种构成方式：分布黑体腔和固定黑体腔。黑体腔和固定黑体腔。v固定黑体腔光纤高温传感器，其构成原理如图固定黑体腔光纤高温传感器，其构成原理如图10.1010.10所示。所示。 图图10.10 10.10 固定黑体腔光纤高温传感器的构成原理固定黑体腔光纤高温传感器的构成原理2024/8/10.3.3 10.3.3 热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器v这种传感器主要包括三大部分：这种传感器主要包括三大部分：带黑体腔的高温单晶蓝宝带黑体腔的高温单晶蓝宝石石( (-Al2O3 ) )光纤、传送待测热辐射功率的低温多模光纤光纤、传送待测热辐射功率的低温多
22、模光纤和光电数据处理系统。和光电数据处理系统。v当黑体腔与待测高温区热平衡时，黑体腔就按照黑体辐射当黑体腔与待测高温区热平衡时，黑体腔就按照黑体辐射定律发射与待测温度定律发射与待测温度T T 相对应的电磁辐射，相对应的电磁辐射，其谱功率密度其谱功率密度出射度为出射度为 (10.3) (10.3)v式中，式中， 为黑体腔谱发射率；为黑体腔谱发射率； 为第一辐射常数为第一辐射常数( ( ) )； 为第二辐射常为第二辐射常( )( )； 2024/8/10.3.3 10.3.3 热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器v入射到光电二极管光敏面的黑体辐射功率为入射到光电二极管光敏面的黑体辐射功率为v
23、(10.4) (10.4)v可见，入射到光电二极管光敏面上的功率可见，入射到光电二极管光敏面上的功率 与待测温度与待测温度 有确定关系，这就是热辐射光纤高温传感器的原理依有确定关系，这就是热辐射光纤高温传感器的原理依据。经光电转换、信号放大、据。经光电转换、信号放大、A/D 转换、微机处理及显转换、微机处理及显示，给出待测温度值。示，给出待测温度值。 v综合讨论，实现光纤高温传感技术的关键是：综合讨论，实现光纤高温传感技术的关键是：第一，性能第一，性能稳定的高温光纤及黑体腔的制作；第二，适应大动态范围稳定的高温光纤及黑体腔的制作；第二，适应大动态范围要求的高性噪比电子数据处理系统的精心设计。要
24、求的高性噪比电子数据处理系统的精心设计。2024/8/10.3.3 10.3.3 热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器v关于蓝宝石光纤探头黑体腔的形成，有三种方法：关于蓝宝石光纤探头黑体腔的形成，有三种方法：溅射蒸溅射蒸镀、包钳和人工缠绕。前者性能最好，但成品率低，后两镀、包钳和人工缠绕。前者性能最好，但成品率低，后两种方法非常简单，且性能满足要求。种方法非常简单，且性能满足要求。v为了使黑体腔的发射率为了使黑体腔的发射率 稳定，一般只要控制黑体腔的稳定，一般只要控制黑体腔的长径比大于长径比大于 3 即可，则即可，则 。v图图10.1110.11示出了信号检测系统的原理框图。示出了信号检测
25、系统的原理框图。采用这样的系采用这样的系统，在统，在 500 1800 的高温范围内，测温精度高达的高温范围内，测温精度高达 0.1。如果采用光谱校准技术，测温精度可达。如果采用光谱校准技术，测温精度可达 0.05 。2024/8/10.3.3 10.3.3 热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器 图图10.11 10.11 信号检测系统的原理框图信号检测系统的原理框图2024/8/10.3.4 10.3.4 相位干涉型光纤温度传感器相位干涉型光纤温度传感器v利用相位干涉仪做成的光纤温度传感器有多种形式，其中利用相位干涉仪做成的光纤温度传感器有多种形式，其中以马赫以马赫- -泽得光纤干涉仪和
26、法布里泽得光纤干涉仪和法布里- -珀罗光纤干涉仪最为典珀罗光纤干涉仪最为典型。型。v马赫马赫- -泽得光纤干涉仪光纤温度传感器的特点是：泽得光纤干涉仪光纤温度传感器的特点是： 灵敏度高（理论值可达灵敏度高（理论值可达10-8 ），可对多种物理量敏感，），可对多种物理量敏感，对光纤本身性能要求高（如要采用高双折射单模保偏光纤，对光纤本身性能要求高（如要采用高双折射单模保偏光纤，且要求对非测物理量去敏等）。且要求对非测物理量去敏等）。2024/8/10.3.4 10.3.4 相位干涉型光纤温度传感器相位干涉型光纤温度传感器v马赫马赫- -泽得光纤温度传感器工作时：泽得光纤温度传感器工作时：v由激光
27、器（如由激光器（如 He-Ne 激光器）发出的激光经分束器分别激光器）发出的激光经分束器分别送入两根长度基本相同的单模光纤。将两根光纤的输出光送入两根长度基本相同的单模光纤。将两根光纤的输出光束汇合到一起，两光束发生干涉，出现干涉条纹，光电探束汇合到一起，两光束发生干涉，出现干涉条纹，光电探测器用来检测干涉条纹的变化。测器用来检测干涉条纹的变化。v当测量（敏感）臂光纤受到温度场的作用后，会产生相位当测量（敏感）臂光纤受到温度场的作用后，会产生相位变化，从而引起干涉条纹的移动。变化，从而引起干涉条纹的移动。v显然，干涉条纹的移动量反映出被测温度的变化。显然，干涉条纹的移动量反映出被测温度的变化。
28、2024/8/10.3.4 10.3.4 相位干涉型光纤温度传感器相位干涉型光纤温度传感器v考虑到测量臂光波相位变化是由温度变化引起的，可以写考虑到测量臂光波相位变化是由温度变化引起的，可以写出温度灵敏度为出温度灵敏度为 (10.5) (10.5)v 对石英光纤而言，有对石英光纤而言，有 (10.6)(10.6)（裸光纤）（裸光纤）（护套光纤）（护套光纤）2024/8/10.3.4 10.3.4 相位干涉型光纤温度传感器相位干涉型光纤温度传感器v由这两个数值量级可见由这两个数值量级可见，对石英裸光纤，其温度灵敏度几，对石英裸光纤，其温度灵敏度几乎完全由折射率变化（光弹效应）决定，这是因为石英本
29、乎完全由折射率变化（光弹效应）决定，这是因为石英本身的热膨胀系数极小的缘故；而护套石英光纤的温度灵敏身的热膨胀系数极小的缘故；而护套石英光纤的温度灵敏度比裸光纤大得多。度比裸光纤大得多。v这说明，这说明，护套层的杨氏模量和膨胀系数对光纤的温度灵敏护套层的杨氏模量和膨胀系数对光纤的温度灵敏度影响很大。度影响很大。v实际上，实际上，人们正是利用不同护套材料的热膨胀系数的差异人们正是利用不同护套材料的热膨胀系数的差异来对光纤进行来对光纤进行温度增敏（高膨胀系数），或对温度去敏温度增敏（高膨胀系数），或对温度去敏（低温度系数）。（低温度系数）。2024/8/10.4 10.4 分布式光纤温度传感器分布
30、式光纤温度传感器v典型的分布式光纤温度传感器系统，能在整个连续的光纤上，典型的分布式光纤温度传感器系统，能在整个连续的光纤上，以距离的连续函数形式测量出光纤上各点的温度值。以距离的连续函数形式测量出光纤上各点的温度值。v分布式光纤温度传感器的工作机理是：分布式光纤温度传感器的工作机理是：基于光纤内部光的散基于光纤内部光的散射现象的温度特性，利用光时域反射测试技术，将较高功射现象的温度特性，利用光时域反射测试技术，将较高功率窄带光脉冲送入光纤，然后将返回的散射光强随时间的率窄带光脉冲送入光纤，然后将返回的散射光强随时间的变化探测下来。变化探测下来。v从光纤返回的散射光有三种成分：从光纤返回的散射
31、光有三种成分：v(1) (1) 瑞利散射，是强度最高的散射成分；瑞利散射，是强度最高的散射成分；v(2) (2) 拉曼散射；拉曼散射；v(3) (3) 布里渊散射。布里渊散射。2024/8/ 10.4 10.4 分布式光纤温度传感器分布式光纤温度传感器 10.4.110.4.1 光纤光时域反射原理光纤光时域反射原理10.4.210.4.2 光纤拉曼背向散射及其温度效应光纤拉曼背向散射及其温度效应10.4.410.4.4 分布式光纤布里渊散射型温度传感器分布式光纤布里渊散射型温度传感器10.4.310.4.3 分布式光纤拉曼背向散射光子温度传感器分布式光纤拉曼背向散射光子温度传感器2024/8/
32、10.4.1 10.4.1 光纤光时域反射原理光纤光时域反射原理v光时域反射光时域反射( (Optical Time-Domain Reflectometry, OTDR)技术最初用于评价光学通信领域中光纤、光缆和技术最初用于评价光学通信领域中光纤、光缆和耦合器的性能，是用于检验光纤损耗特性、光纤故障的手耦合器的性能，是用于检验光纤损耗特性、光纤故障的手段，同时也是分布式光纤传感器的基础。段，同时也是分布式光纤传感器的基础。v图图10.1210.12是基于背向散射的光纤分布式传感器的测量原理。是基于背向散射的光纤分布式传感器的测量原理。2024/8/10.4.1 10.4.1 光纤光时域反射原
33、理光纤光时域反射原理v当光通过图当光通过图10.1210.12中所示的测量物理场时，光能量将以三中所示的测量物理场时，光能量将以三种方式分配：种方式分配：v(1) (1) 一部分能量沿着光纤传输通道继续传播；一部分能量沿着光纤传输通道继续传播；v(2) (2) 一部分能量在传输过程中被吸收损耗或是散射至光纤一部分能量在传输过程中被吸收损耗或是散射至光纤外；外；v(3) (3) 一部分能量被耦合至接收通道，被光电探测器探测。一部分能量被耦合至接收通道，被光电探测器探测。 图图10.12 10.12 基于背向散射的光纤分布式传感器的测量原理基于背向散射的光纤分布式传感器的测量原理2024/8/10
34、.4.1 10.4.1 光纤光时域反射原理光纤光时域反射原理v当脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不当脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，因此会产生瑞利散射。均匀性，因此会产生瑞利散射。v若入射光经背向散射返回到探测器端所需的时间为若入射光经背向散射返回到探测器端所需的时间为 ，光脉冲在光纤中传输的路程为光脉冲在光纤中传输的路程为2L ，则，则 2L = vt 。v其中，其中， 为光在光纤中的传播速度，为光在光纤中的传播速度，v = c/n； 为光在为光在真空中的速度；真空中的速度；n 为光纤的折射率。在为光纤的折射率。在 时刻测量的是时刻测量的是离光纤入射端距
35、离为离光纤入射端距离为 处的背向瑞利散射光。处的背向瑞利散射光。2024/8/10.4.1 10.4.1 光纤光时域反射原理光纤光时域反射原理v在空间域，光纤的瑞利背向散射光子数为在空间域，光纤的瑞利背向散射光子数为 (10.7) (10.7) v式中，式中， 为射入光纤的光脉冲所包含的光子数；为射入光纤的光脉冲所包含的光子数； 为与为与光纤瑞利散射截面相关的系数；光纤瑞利散射截面相关的系数； 为光纤的背向散射因子；为光纤的背向散射因子； 为入射激光光子频率；为入射激光光子频率； 为光纤的损耗；为光纤的损耗； 为被测物理场距光源的长度。为被测物理场距光源的长度。 v 可以表示为可以表示为 (1
36、0.8)(10.8) 2024/8/10.4.2 10.4.2 光纤拉曼背向散射及其温度效应光纤拉曼背向散射及其温度效应v在频域中，拉曼散射光子分为斯托克斯散射光子和反斯托在频域中，拉曼散射光子分为斯托克斯散射光子和反斯托克斯散射光子。斯托克斯散射光子的频率为克斯散射光子。斯托克斯散射光子的频率为 (10.9) (10.9)v反斯托克斯散射光子的频率为反斯托克斯散射光子的频率为 (10.10) (10.10)v式中，式中， 为光纤分子的振动频率，声子的振动频率为光纤分子的振动频率，声子的振动频率 。v在光纤在光纤 处的斯托克斯散射光子数为处的斯托克斯散射光子数为 (10.11) (10.11)
37、 2024/8/10.4.2 10.4.2 光纤拉曼背向散射及其温度效应光纤拉曼背向散射及其温度效应v在光纤处的反斯托克斯散射光子数为在光纤处的反斯托克斯散射光子数为 (10.12) (10.12)v , , 分别为与光纤分子低能级和高能级上的分别为与光纤分子低能级和高能级上的布局数有关的系数，它们与光纤局域处的温度有关。布局数有关的系数，它们与光纤局域处的温度有关。 和和 分别为分别为 (10.13) (10.13) (10.14) (10.14)v式中，式中， 为拉曼声子频率；为拉曼声子频率； 为普朗克常量；为普朗克常量； 为玻耳为玻耳兹曼常量。兹曼常量。2024/8/10.4.2 10.
38、4.2 光纤拉曼背向散射及其温度效应光纤拉曼背向散射及其温度效应v实际测量时，可用光纤的斯托克斯散射实际测量时，可用光纤的斯托克斯散射OTDR 曲线解调曲线解调光纤的反斯托克斯散射光纤的反斯托克斯散射OTDR 曲线，此时有曲线，此时有v (10.15) (10.15) v经过变换有经过变换有v (10.17)(10.17)v由式由式(10.17)(10.17)可得局域处的温度为可得局域处的温度为 (10.18)(10.18)2024/8/10.4.2 10.4.2 光纤拉曼背向散射及其温度效应光纤拉曼背向散射及其温度效应v对于多模光纤，如式对于多模光纤，如式(10.18)(10.18)所示的拉
39、曼声子频率所示的拉曼声子频率 。通过上式即可以确定测量的温度变化值。通过上式即可以确定测量的温度变化值。v在实际测量中，也可以用瑞利散射在实际测量中，也可以用瑞利散射OTDR 曲线来解调拉曲线来解调拉曼散射曼散射OTDR 曲线，此时，反斯托克斯自发拉曼散射与曲线，此时，反斯托克斯自发拉曼散射与瑞利散射光子数的比值为瑞利散射光子数的比值为 v (10.19) (10.19) v当起始温度当起始温度 已知时，由式已知时，由式(10.19)(10.19)来确定光纤上各来确定光纤上各点的温度。点的温度。 2024/8/10.4.2 10.4.2 光纤拉曼背向散射及其温度效应光纤拉曼背向散射及其温度效应
40、v瑞利散射与温度无关，即瑞利散射与温度无关，即 ，因此有，因此有 (10.20) (10.20)v当起始温度已知时，通过式当起始温度已知时，通过式(10.20)(10.20)可以确定光纤上各点可以确定光纤上各点的温度。的温度。v由于光纤的瑞利散射信号要比自发拉曼散射信号强几个数由于光纤的瑞利散射信号要比自发拉曼散射信号强几个数量级，因此式量级，因此式(10.20)(10.20)的信噪比优于式的信噪比优于式(10.17)(10.17)。2024/8/10.4.3 10.4.3 分布式光纤拉曼背向散射光子温度传感器分布式光纤拉曼背向散射光子温度传感器v典型的分布式光纤温度传感器及其系统如图典型的分
41、布式光纤温度传感器及其系统如图10.1310.13所示。所示。 图图10.13 10.13 分布式光纤温度传感器及其系统分布式光纤温度传感器及其系统v它主要由它主要由激光二极管激光二极管( ( LD ) )、光纤波分复用器、光电接、光纤波分复用器、光电接收与放大组件、信号采集与处理系统等单元收与放大组件、信号采集与处理系统等单元组成。组成。v半导体激光器发出一系列光脉冲，经过光纤耦合器进入光半导体激光器发出一系列光脉冲，经过光纤耦合器进入光纤，来自被测光纤的部分后向散射光再次经过耦合器传输纤，来自被测光纤的部分后向散射光再次经过耦合器传输到雪崩光电二极管转换为电信号。到雪崩光电二极管转换为电信
42、号。2024/8/10.4.4 10.4.4 分布式光纤布里渊散射型温度传感器分布式光纤布里渊散射型温度传感器v如上所述，当光通过光纤介质时，有一部分光会偏离原来如上所述，当光通过光纤介质时，有一部分光会偏离原来的传播方向而向空中散射，形成三种散射：的传播方向而向空中散射，形成三种散射：v第一种第一种是频率与入射光相同的瑞利散射，它是由光纤折射是频率与入射光相同的瑞利散射，它是由光纤折射率的微小变化引起的；率的微小变化引起的；v第二种第二种是与入射光频差为几十太赫兹的拉曼散射，它是由是与入射光频差为几十太赫兹的拉曼散射，它是由光子与光声子的相互作用而引起的；光子与光声子的相互作用而引起的；v第
43、三种第三种是与入射光频差为几十吉赫兹的布里渊散射，它是是与入射光频差为几十吉赫兹的布里渊散射，它是由光子与低频声子的相互作用而引起的。由光子与低频声子的相互作用而引起的。 2024/8/10.4.4 10.4.4 分布式光纤布里渊散射型温度传感器分布式光纤布里渊散射型温度传感器v光纤中后向散射光的频谱分布如图光纤中后向散射光的频谱分布如图10.1410.14所示。所示。 图图10.14 10.14 光纤中后向散射光的频谱分布光纤中后向散射光的频谱分布2024/8/10.4.4 10.4.4 分布式光纤布里渊散射型温度传感器分布式光纤布里渊散射型温度传感器v布里渊散射是布里渊散射是入射光波场与介
44、质内弹性声波场相互作用而入射光波场与介质内弹性声波场相互作用而产生的一种光散射现象。产生的一种光散射现象。v依据弹性声波场产生的原因，它可以分为自发布里渊散射依据弹性声波场产生的原因，它可以分为自发布里渊散射和受激布里渊散射两种。和受激布里渊散射两种。前者是介质的宏观弹性振动，其前者是介质的宏观弹性振动，其振动的频率较低。受激布里渊散射过程中的弹性声波场是振动的频率较低。受激布里渊散射过程中的弹性声波场是通过电致伸缩效应而发生的。通过电致伸缩效应而发生的。v利用光时域反射利用光时域反射( (OTDR ) )技术的基本原理出现了一种光时技术的基本原理出现了一种光时域分析域分析( (OTDA )
45、)技术，技术，其特点是在光纤两端有输入的光信其特点是在光纤两端有输入的光信号。号。OTDA 技术原理框图如图技术原理框图如图10.1510.15所示。所示。 2024/8/10.4.4 10.4.4 分布式光纤布里渊散射型温度传感器分布式光纤布里渊散射型温度传感器v光纤右侧的激光器发出一连续光进入光纤，延迟一段时间光纤右侧的激光器发出一连续光进入光纤，延迟一段时间后，位于光纤左侧的激光器发出一光脉冲进入光纤，这一后，位于光纤左侧的激光器发出一光脉冲进入光纤，这一光脉冲在光纤的传播过程中会不断地与相向传播的连续光光脉冲在光纤的传播过程中会不断地与相向传播的连续光发生作用，且两束光的作用同时受到外界物理量的调制，发生作用，且两束光的作用同时受到外界物理量的调制，通过光纤左侧的光电探测器检测连续光的强度可以获知被通过光纤左侧的光电探测器检测连续光的强度可以获知被测物理量的大小。测物理量的大小。 图图10.15 10.15 OTDA 技术原理框图技术原理框图 习习 题题v10.1 10.1 试设计一种功能型光纤温度传感器，试设计一种功能型光纤温度传感器，并简述其工作原理。并简述其工作原理。v10.2 10.2 试分析分布式光纤温度传感器较传统试分析分布式光纤温度传感器较传统的温度传感器有哪些优点？的温度传感器有哪些优点？
