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1、瑞利散射喇曼散射布里渊散射一一 光纤温度传感器的光学原理及其光纤温度传感器的光学原理及其分类分类由于液芯的使用，使得此方案存在很大争议：液体存在冰点和沸点,因而温度测量范围受到了很大限制,光纤的不纯或者有微粒,将增加光纤的散射面或者光纤局部损耗,从而使得信号不准确,给出错误的温度信息.另外液芯光纤的使用也不方便.这种方案是分布式温度传感方案的基础,但其只能在试验室内工作良好,能达到在几百米长的光纤上实现3的测温,温度的空间分辨率达到5m.基于瑞利散射的分布式温度传感器系统结构比较简单,所需元器件少,但是温度的变化会引起光纤波导物理特性的变化,使瑞利散射光强随温度变化而波动,所以无法精确测量温度
2、.瑞利散射测温的局限瑞利散射测温的局限 采用布里渊测温具有很大优势，但是这种方法对激光器的稳定性要求很高，而且布里渊散射对应力也十分敏感，这对单独测温系统是不利的。布里渊散射布里渊散射基于拉曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术.对该技术开展研究工作的主要有英国南安普顿大学,中国的重庆大学,和中国计量学院.目前,该类传感器的一些产品已出现在国际,国内市场上,最为著名的是英国york公司的dts,它的空间分辨率和温度分辨率分别能达到2m,3,测量范围为4-8km.从理论上讲,喇曼系统的极限空间分辨率很高,约厘米量级,但高的输入功率的要求是其最大的弱点;对受激布里渊系统
3、,使用毫瓦量级的输入功率实现很长跨度的分布测量并不是问题,关键是其极限空间分辨率有限.就实际应用来讲,喇曼系统已较成熟,且已有了性能指标都很优越的商品.而在这一方面受激布里渊系统还差一些.拉曼散射拉曼散射热辐射型光射型光纤高温高温传感器感器半半导体吸收式温度体吸收式温度传感器感器光光纤荧光温度光温度传感器感器光光纤光光栅温度温度传感器感器二二:几种光纤温度传感器几种光纤温度传感器热辐射光纤高温传感器的原理是黑体辐射定律,物质受热时会发出一定的热辐射,辐射量的大小取决于该物质的温度和材料的辐射系数.当温度为230时,理想黑体开始出现暗红色辐射,亮度随着温度的增加而增强。由于物体的热辐射随温度的升
4、高呈近指数型增长，辐射性光纤温度传感器在高温下具有很高的灵敏度。热辐射性光纤温度传感器热辐射性光纤温度传感器蓝宝石光纤温度传感器是一种特殊的光纤高温传感器，它采用蓝宝石单晶光纤作为温度传感头，通过直接测量光纤黑体本身的热辐射来探测所处环境的温度。蓝宝石单晶由于具有极好的高温物理化学性能，熔点最高可达2045,是一种优良的红外耐高温光学材料,非常适用于高温下光纤测温应用,现在已在辐射性光纤温度传感器光纤传感头上得到应用。热辐射型光纤温度传感器热辐射型光纤温度传感器这种种传感器的基本原理是利用有些半感器的基本原理是利用有些半导体物体物质如如GaAsGaAs具有极陡具有极陡的吸收光的吸收光谱, ,波
5、波长与吸收端与吸收端长的光可透的光可透过半半导体体, ,短的短的则被吸收被吸收. .当温度升高当温度升高时, ,本征吸收波本征吸收波长变大大, ,透射率曲透射率曲线向向长波波长方向移方向移动, ,但形状不但形状不变; ;反之反之, ,当温度降低当温度降低时, ,本征吸收波本征吸收波长变小小, ,透射透射率曲率曲线保持形状不保持形状不变而向短波而向短波长方向移方向移动. .当光源的光当光源的光谱辐射射强度不度不变时,GaAs,GaAs总透射率就随其温度透射率就随其温度发生生变化化, ,温度越高温度越高, ,总透射率越低透射率越低. .通通过测量透量透过GaAsGaAs总透射率就随其温度透射率就随
6、其温度发生生变化化, ,温度越高温度越高, ,总透射率越低透射率越低. .通通过测量透量透过GaAsGaAs的光的的光的强弱即可达弱即可达到到测温的目的温的目的. .通通过研磨抛光将研磨抛光将GaAsGaAs加工成很薄的薄片加工成很薄的薄片, ,其入射其入射光和出射光用光光和出射光用光纤耦合耦合, ,这就是半就是半导体吸收式光体吸收式光纤温度温度传感器感器的基本原理的基本原理. .这种种传感器的感器的测量距离量距离远, ,而且探而且探头的体的体积小小, ,灵敏度高灵敏度高, ,工作工作可靠可靠. .测量范量范围在在0-3000-300内保内保证较高的高的测量精度量精度. .半导体吸收式温度传感
7、器半导体吸收式温度传感器 当物体受到光或放射当物体受到光或放射线照射照射时, ,其原子便其原子便处于受激状于受激状态. .当原子回复至初始状当原子回复至初始状态是随机是随机发出出荧光光, ,且且荧光光的的强度和度和 辐射光的能量成正比射光的能量成正比, ,根据根据荧光的光的强度可度可以以检测温度温度. .而激励撤而激励撤销后后, ,荧光余光余晖的持的持续性取决性取决于于荧光物光物质特性特性, ,环境温度等因素境温度等因素, ,这种受激种受激发荧光光通常是按指数方式衰减的通常是按指数方式衰减的, ,我我们称衰减的称衰减的时间常数常数为荧光寿命或光寿命或荧光余光余晖时间. .我我们发现, ,在不同
8、的在不同的环境境温度下温度下, ,荧光余光余晖衰减也不同衰减也不同. .因此也通因此也通过测量量荧光光余余晖的寿命的的寿命的长短短, ,来来检测当当时的的环境温度境温度. .光纤荧光温度传感器光纤荧光温度传感器强度性度性荧光光光光线传感器会受光感器会受光纤的微弯的微弯, ,耦合耦合, ,散射散射等影响等影响, ,很很难达到高精度达到高精度, ,而寿命型而寿命型荧光光传感器感器则可可避免避免这些缺点些缺点, ,荧光寿命的光寿命的测量是量是测温的关温的关键. .目前目前的研究主要的研究主要围绕着着荧光源的光源的选择, ,如如蓝宝石和宝石和红宝石宝石发光光, ,稀土稀土发光以及半光以及半导体体发光光
9、. .光纤荧光温度传感器光纤荧光温度传感器近年来光纤光栅成为发展最为迅速,最具代表性的光纤无源器件之一.FBG光栅传感器的传感原理是:如果用一宽光谱光源注入光纤,则每个FBG光栅都反射回一个中心波长为布拉格波长的窄带光波,其布拉格波长为其中A是光栅周期,neff是纤芯的有效折射率.温度的改变,将导致FBG波长的改变,这个改变可以从光栅的发射光谱中检测出来,由此可以测定温度.与一般的光纤温度传感器相比,光纤光栅传感器尺寸下,检测量是波长信息,因此不受光源影响,光纤弯曲损耗,连接损耗和探测器老化等因素的影响,对环境干扰不敏感,且波长编码,能方便实用波分复用技术.尽管光纤光栅温度传感器有很多优点,但
10、在应用中还有许多待解决的问题,如宽光谱,高功率光源的获得,光检测器波长分辨率的提高;光纤光栅的封装;光纤光栅的可靠性;光纤光栅的寿命等.光纤光栅温度传感器光纤光栅温度传感器除以上介除以上介绍的的传感器外感器外, ,光光纤温度温度传感器感器还有很多种有很多种. .如如: :干涉型光干涉型光纤温度温度传感器感器基于弯曲基于弯曲损耗的光耗的光纤温度温度传感器感器分布式光分布式光纤温度温度传感器感器光纤温度传感器光纤温度传感器电力系统电力系统直接埋入建筑物直接埋入建筑物航空航天业航空航天业医学领域医学领域井下传感井下传感应用领域(1)(1)电力系力系统：光：光纤温度温度传感器在感器在电力系力系统有着重
11、要的有着重要的应用用. .电力力电缆的表面温度及的表面温度及电缆密集区域的温度密集区域的温度监测监控控; ;高高压配配电装置内易装置内易发热部位的部位的检测; ;发电厂厂, ,变电站的站的环境温度境温度检测及火灾及火灾报警系警系统; ;各种大中型各种大中型发电机机, ,变压器器, ,电动机的温度分布机的温度分布测量量, ,热动保保护以以及故障及故障诊断断; ;火力火力发电厂的加厂的加热系系统, ,蒸汽管道蒸汽管道, ,输油油管道德温度和故障点管道德温度和故障点检测; ;地地热电站和站和户内封内封闭式式变电站的站的设备温度温度检测等等. .(2)(2)直接埋入建筑物：光直接埋入建筑物：光纤温度温
12、度传感特感特别是光是光纤光光栅温温度度传感器很容易埋入材料中感器很容易埋入材料中对其内部的温度其内部的温度进行高行高分辨率和大范分辨率和大范围地地测量量, ,因而被广泛的因而被广泛的应用于建筑用于建筑, ,桥梁上梁上. .美国美国, ,英国英国, ,日本日本, ,加拿大和德国等一些加拿大和德国等一些发达达国家早就开展了国家早就开展了桥梁安全梁安全监测的研究的研究, ,并在主要大并在主要大桥上都安装了上都安装了桥梁安全梁安全监测预警系警系统, ,用于用于监测桥梁的梁的应变, ,温度温度, ,加速度加速度, ,位移等关位移等关键安全指安全指标.1999.1999年夏年夏, ,美国新墨西哥一所洲美国
13、新墨西哥一所洲际高速公路的一座高速公路的一座钢结构构桥梁梁上安装了上安装了120120个光个光纤光光栅温度温度传感器感器, ,创造了造了单座座桥梁上使用梁上使用该类传感器最多的感器最多的记录. .(3)(3)航空航天航空航天业：航空航天航空航天业是一个使用是一个使用传感器密集感器密集的地方的地方, ,一架一架飞行器行器为了了检测压力力, ,温度温度, ,震震动, ,燃料液燃料液位位, ,起落架状起落架状态, ,机翼和方向舵的位置等机翼和方向舵的位置等, ,所需要使用的所需要使用的传感器超感器超过一百个一百个, ,因此因此传感器的尺寸和重量感器的尺寸和重量变得非常得非常重要重要. .光光纤传感器
14、从尺寸小和重量感器从尺寸小和重量轻的的优点来点来讲, ,几乎几乎没有其他没有其他传感器可以与之相比感器可以与之相比. .(4)(4)医学领域：传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义医学领域：传感器的小尺寸在医学应用中是非常有意义的的, ,光纤光栅传感器是现今能够做到最小的传感器光纤光栅传感器是现今能够做到最小的传感器. .光纤光栅光纤光栅传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内传感器能够通过最小限度的侵害方式对人体组织功能进行内部测量部测量, ,提供有关温度提供有关温度, ,压力和声波场的精确局部信息压力和声波场的精确局部信息. .光纤光纤光栅传感器对人体组织的损害非常小光栅传感器对人体组织的损害非常小, ,足以避免对正常医疗足以避免对正常医疗过程的干扰过程的干扰. .(5)(5)井下传感：井下传感：光纤光栅传感器因其抗电磁干扰光纤光栅传感器因其抗电磁干扰, ,耐高温耐高温, ,长长期稳定并且抗高辐射非常适合用于井下传感期稳定并且抗高辐射非常适合用于井下传感, ,挪威的挪威的optoplanoptoplan正在开发用于永久井下测量的光纤光栅温度和压力正在开发用于永久井下测量的光纤光栅温度和压力传感器传感器
