喇曼分布式光纤温度传感器

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1、喇曼分布式光纤温度传感器1.光纤温度传感器简介光纤温度传感器是上世纪70年代发展起来的一门新型的测温技术。它基于光信号传送信息，具有绝缘、抗电磁干扰、耐高电压等优势特征。在国外，光纤温度传感器发展很快，形成了多种型号的产品，并已应用到多个领域，取得了很好的效果。国内在这方面的研究也如火如荼，多个大学、研究所与公司展开合作，研发了多种光纤测温系统投入到了现场应用。按工作原理分，光纤温度传感器可分为功能性和传输型两种。功能型温度传感器中光纤作为传感器的同时也是光信号的载体，而传输型温度传感器中光纤则只传输光信号。目前主要的光纤温度传感器包括分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度

2、传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等。其中应用最多当属分布式光纤温度传感器与光纤光栅温度传感器。1）分布式光纤温度传感器分布式光纤传感器最早是在1981年由英国南安普敦大学提出的。激光在光纤传送中的反射光主要有瑞利散射（Rayleighscatter）、拉曼散（Ramanscatter）、和布里渊散射（Brillouinscatter）三部分，如图所示。分布式光纤传感器经历从最初的基于后向瑞利散射的液芯光纤分布式温度监控系统，到电力系统保护与控制基于光时域（OTDR）拉曼散射的光纤测温系统，以及基于光频域拉曼散射光纤测温系（ROFDA）等等。目前其测量距离

3、最长可达30km，测量精度最高可达0.5℃，空间定位精度最高可达0.25m，温度分辨率最高可达到0.01℃左右。目前，分布式光纤温度传感器主要基于拉曼散射效应及光时域反射计(OTDR)技术实现连续分布式测量，如YorkSensa、Sensornet等公司产品。基于布里渊散射光时域及光频域系统也是当前光纤传感器领域研究的热点，LIOS、MICRIONOPTICS等公司已有相应的产品。2）光纤光栅点式温度传感器光纤光栅温度传感器是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅来进行测温的。光纤光栅以波长为编码，具有传统传感器不可比拟的优势，已广泛用于建筑、航天、石油化工、

4、电力行业等。光纤光栅温度传感器主要有Bragg光纤光栅温度传感器和长周期光纤光栅传感器。Bragg光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术而形成的全新光纤型Bragg光栅，成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg光栅效应，其基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器，满足如下光学方程：λb=2nΛ（1）式中：λb为Bragg波长；Λ为光栅周期；n为光纤模式的有效折射率。长周期光纤光栅是一种特殊的光纤光栅，其传光原理是将前向传输的基模耦合到前向传输的包层模中。由于其宽带滤波、极低的背景发射等特点引起人们的重视，是一种新型的宽带带阻滤波器。2.分布

5、式拉曼散射光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射称为拉曼散射。这是1928年印度物理学家C．V拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变的现象。激光器在驱动电源控制下经过定向耦合器向传感光纤注入一系列窄脉冲，而传感光纤敷设在待测温度场内，窄脉冲在光纤传输过程中发生的非线性效应，产生拉曼散射。经过大量的研究和实践证明，光纤中接收到的拉曼散射光的两种光，即反斯托克斯和斯托克斯光强指标能够反应被测点的温度，并且根据接收到反斯托克斯光的时间来确定位置，这样，就可以通过一根光纤来实现整条光纤上的温度分布的测量了。大量试验发现，测量温度是根据一个光强的比

6、值，这其中，反斯托克斯散射光对温度敏感，而斯托克斯散射光则受温度影响极小，因此，以反斯托克斯光作为信号通道，所以，我们以斯托克斯光作为参考通道，测量反斯托克斯光，得到比值量，计算出温度信息。因为斯托克斯光和反斯托克斯光是在同一条光纤中传递，所以有效地消除了光源的不稳定因素，并且由于光纤接头、耦合、传输和弯曲等因素造成的损耗。这就是拉曼散射的优点了，损耗低，测量距离长，测量值只与测量温度有关。此式说明了温度和反斯托克斯光与斯托克斯光光强比值的关系，其中表示反斯托克斯光强和频率表示斯托克斯光强和频率，h，v。，K分别为普朗克常数，瑞利散射光频率和玻尔兹曼常数，丁为被测点绝对

7、温度值。结合本设计的需要，选定拉曼散射为本设计的测量基础，下面对此进一步说明。3.喇曼分布式光纤温度传感器的系统设计1）喇曼分布式光纤温度传感器原理光纤传感器的基本原理是将来自光源的光通过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质（如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等）发生变化，成为被调制的信号光，再经过光纤送入光探测器，经解调器解调后，获得被测参数。喇曼分布式光纤温度传感系统获取空间温度分布信息的原理是利用光在光纤中传输能够产生后向散射，在光纤中注入一定能量和宽度的激光脉冲，它在光纤中传输的同时不断产生后向