光纤温度传感器的设计(编辑修改稿)

光纤温度传感器的设计(编辑修改稿)内容摘要：

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（ Rayleigh scatter）、拉曼散 （ Ramanscatter）、和布里渊散射（ Brillouin scatter）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。 目前其测量距离最长可达 30 km，测量精度最高可达 ℃，空间定位精度最高可达 m，温度分辨率最高可达到℃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York Sensa、 Sensor 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、 MICRION OPTICS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、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： λ b = 2nΛ （ 1） 式中： λ b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171。 传感器原理与应用 187。 课程设计 第 6 页 重视，是一种新型的宽带带阻滤波器。 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。 ( ) ( ⁄ ) ( 0 ⁄ ) 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。 拉曼散射的原理为我们的分布式光纤温度测量提供了理论依据，在此基础上，我们可以通过进一步的对光纤，光源以及处理部分进行设计和调试，最后研发出我们需要的产品。 当然，拉曼散射也是一个比较复杂的理论这里我们先介绍一下拉曼散射的理论基础，后面再针对具体应用进行更详细的说明。 拉曼散射的基本原理 在任何分子介质中，自发拉曼散射将 一小部分 (一般约为 )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。 激发光子在光纤中与光纤分子发生碰撞作用，而这种碰撞又分为弹性和非弹性两种，经过弹性碰撞，光子与光纤分子间不断发生能量171。 传感器原理与应用 187。 课程设计 第 7 页 的交换，能量的交换改变了光子运动的方向，在非弹性碰撞中，能量的交换则体现在光子吸收或释放声子，在平率上就表现为斯托克斯散射光子和反斯托克斯散射光子。 能量在转换中可以用分子能级图来表示，即 图 2— 2中，两条黑实现表示 E1， E2两个分子振动的能级，上面两条虚线为两个虚态。 两个能级之间能量差为 hc ，也就是 E1E2=hc。 当注入光纤的激光频率为 0时，每个光子 的能量为 hc 0这里有两个跳变产生，一是分子从 E1激发到 E1+hcyo，最终要跳回到 E2(E2=E1+hc )，这时就会有频率为 0— 的光子 散射出来，这就是斯托克斯光，也称斯托克斯散射；相反的，分子从 E2激发到 E2 +hc 0，最后跳到了 E1(E1=E2hc )，这时候同样有频率为 0+ 的光子散射出来，这就是反斯托克斯光了，也称反斯托克斯散射。 上面所说两种激发都能发生，但是由于绝大多数分子在初始状态下均处于 E1能 级，少数受到激发进入到 E2能级，所以，在拉曼散射中，发生斯托克斯散射的几率要比发生反斯托克斯散射几率高 倍。 经研究得到，发生反斯托克斯和斯托克斯散射的几率分别为 Ω c( ) = Ω c( ) 自发拉曼散射 通过研究各种光纤发现，激光进入到光纤后，在发生反射和折射的同时，也发生散射，在散射的信号中，既有频率不变的锐 利散射，还有其他频率的散射。 在这些散射中，我们把低于和高于入射光频道的光分别称为斯托克斯光和反斯托克斯光，这是我们主要研究的。 在正常的拉曼散射光中，以注入的入射光为标准，斯托克斯光强会比入射光小约六个量级，而反斯托克斯光强则会比入射光小约七个量级。 在经典理论当中，自发拉曼散射认为是注入光纤的泵浦光具有电磁波功效，而电磁波的电磁作用使光纤里的微粒 —— 介子分子或原子内的电子发生位移或振动，虽然这种振动或位移很小，但会产生感应的电极化。 正是由于这种电极化的作用，使得注入光纤的激光频率发生变化，导致了斯托克斯和反斯托克斯散射。 对于拉曼散 射中的受激分子来说，我们可以给出其运动方程 ( t) t + ( t) t + 0 ( t) ( t) 式中 x（ z， t） —— 分子相对于势能最低点的偏离 0—— 分子的振动频率 m—— 分子的质量 —— 分子的阻尼系数 F（ z， t） —— 作用场的外部作用力 用级数展开分子的 极化率为 ( ) 0 +( )0 + ( )0 + + ( )0 + 进行近似处理得到介电常数的表达式 又有 0, + ( ) 0* + , 0 + ∑ ( )0 + 综合几个式子，得到了作用力为 171。 传感器原理与应用 187。 课程设计 第 8 页 ( t) 0 [∑ ( ) ( )0 ]E ( t) 前面我们分析过，发生斯托克斯和反斯托克斯散射光的几率相差很多，这种情况也导致处于初始状态的分子在吸收光子后，就会产生不同的辐射跃迁，导致最终的能量状态也是不同的。 的产生自发拉曼散射中斯托克斯和反斯托克斯的产生几率当分子始态处于不同能态时，吸收外场光子后产生的辐射跃迁后所处的终态也是不同的。 各种粒子都符合波尔兹曼分布律，下式 可以表示其各种状态分布。 ⁄ 式中 —— 在基态上的振动粒子数 —— 在激发态上振动的粒子数 —— 分子振动的频率 在发生拉曼散射时，处于基态的二氧化硅分子密度决定了斯托克斯光的光强度，而处于激发态的二氧化硅分子的密度决定反斯托克斯光的光强度。 经研究发现，二氧化硅分子的密度服从波尔兹曼因子分布，即 （ E ） 式中 k—— 波尔兹曼常数 T—— 测量换进的绝对温度 E—— 粒子的运动能量 这个结果也说明了在自发拉曼散射中，较少的激发态二氧化硅粒子导致了反斯托克斯光是比较微弱的。 根据前面一系列的条件，著名科学家 D． L． Long经过大量研究和严密的理论推导 分别推算出了反斯托克斯散射和斯托克斯散射光强的大小。 即 ( ) ( ) 其中 —— 反斯托克斯光波数 —— 斯托克斯光波数 —— 拉曼频移 T—— 被测环境的绝对温度 这两个式子都是包含有温度的信息，其中 0是一个由材料等因素确定的常量，不与温度有关。 对上面两个式子进行比值处理，得到 ( ) ( ) 这个 就是我们测量的一个理论基础了，即温度与光强之比的关系，在这个关系中我们发现激光的功率和频率等都与此无关，这也是我们想要的。 这个关系也不 会和光纤的长度长短而有关，现假设一个长度为 ，则其光强之比仍为 ( ) 其中 —— 反斯托克斯光散射系数 —— 斯托克斯光散射系数 上面的论述更说明了一个重要的问题，也就是选取反斯托克斯与斯托克斯光强的比值作为我们测量的与温度有关的量，而不是其中一个，其作用就在于光纤当中如果出现171。 传感器原理与应用 187。 课程设计 第 9 页 损耗，干扰等情况的时候，反斯托克斯与斯托克斯光都会受到相同的影响，这样在比值中，这种影响就相互抵消了，所以它在根本上消除了非温度因素造成的测量值的变化。 我们再来研究 (2— 13)和式 (214)，把它们分别对温度求微商，得到 ( ) ( ) 再把两组式子分别求比值，得到 ( ) ( ) 到这里，我们可以得到结论，温度既影响斯托克斯光，也影响反斯托克斯光， 但反斯托克斯光的温度敏感性要比斯托克斯光高出 倍，这是一个很大的数字，这也就导致了在实际应用中，我们基本都是采用依靠反斯托克斯光来作为敏感信号来测量温度的原因。 受激拉曼散射 前面我们研究自发拉曼散射是在一种热平衡的 条件下进行的，但是输入光的光功率提高的时候，照射到的介质会出现受激性质的散射，这种现象称为受激拉曼散射现象。 受激拉曼散射与自发拉曼散射比较有如下特点： 1)与自发拉曼散射的光束没有方向性相比，受激拉曼散射光束则具有极好的方向 性。 2)自发拉曼散射的发生跟入射光功率无关，而受激拉曼散射的发生必须是在入射光的功率达到一定的阈值。 这就对激光的强度有很大的要求。 3)受激拉曼散射光的功率很强。 这导致了受激拉曼散射的非线性特性，并且其功率都转换为了拉曼散射的功率，这跟自发拉曼散射很不同，这也就是白发拉曼 散射是线性的原因。 在受激拉曼散射的时候，由于光纤分子的热平衡被破坏，随着测量激光在光纤中的传输，大量的斯托克斯粒子由低能态接收到能量，跃迁到高能态，激光经过整条光纤后，使得光纤中跃迁到高能态的斯托克斯粒子迅速增加，并逐渐超过低能态上的粒子数，这时，能级之间的跳变所产生的斯托克斯散射就不是前面我们所分析的了，即不符合玻尔兹曼分布规律了。 这时候，可以用耦合波理论进行推到，得出 , + E ( ) 这种情况下，我们就发现 R不是由温度的高低来决定的了，所以，受激拉曼散射不能用来测 量温度，我们在测温过程中也不能产生受激拉曼散射。 综合上面几个特点，我们在应用的时候应注意，我们要利用自发拉曼散射，避免受激拉曼散射。 所以，在系统中，我们要严格控激光器的强度，使注入光纤的光功率小于阈值功率。 本章小结 本章从光纤测温中应用 入手 ，确定与本设计使用的方案，即分布式拉曼散射。 在得到拉曼散射测量温度的原理后，继续讨论拉曼散射中自发拉曼散射和受激拉171。 传感器原理与应用 187。 课程设计 第 10 页 曼散射两种情况，介绍各自的原理以及测量中的作用，确定了自发拉曼散射是我们需要测量的结果，温度的变化会作用到反斯托克斯光和斯托克斯光的光。