[工程科技]光纤温度传感器的设计.docVIP

传感器原理与应用 课程设计传感器原理与应用课程设计（2008级）项目名称 光纤温度传感器的设计小组成员 李翔 200803011015李斌 200803011016王搏 200803011008指导教师 罗武胜 鲁琴 机电工程与自动化学院测控技术与仪器专业目录摘 要iiiAbstractv第1章 绪论11.1引言11.2光纤传感器及其分类11.3光纤传感器的基本原理11.3.1光强调制型21.3.2相位调制型31.3.3偏振态调制型31.4光纤传感器的特点4第2章 光纤温度传感的理论基础52.1光纤温度传感器简介52.2分布式拉曼散射62.3拉曼散射原理62.3.1 拉曼散射的基本原理62.3.2自发拉曼散射72.3.3 受激拉曼散射92.4 本章小结10第3章 光纤测温系统的组成113.1 光纤测温系统的硬件总体结构113.1.1 系统的结构及作用过程113.1.2光纤测温系统的理论分析123.1.3温度数据的得到方法133.2 光纤温度传感系统的主要技术指标的影响因素143.2.2 温度分辨率153.2.3空间分辨率163.2.4精度测量173.2.5测量时间183.2.6传感用光纤长度的影响183.3 硬件各部分的具体实现193.3.1激光器和光纤193.3.2 分光器193.3.3光电转换电路193.3.4数据采集模块223.3.5 电脑233.4 软件的实现233.4.1 Delphi简介233.4.2 测温系统软件部分243.4.3 显示子模块273.5 整体调试283.5.1 系统调试和标定283.5.2 系统稳定性分析303.6 本章小结30第4章 光纤温度传感器的应用314.1 光纤温度传感器在电力设备中的应用314.2 影响系统稳定性的问题研究334.3 系统误差分析334.4 本章小结33结 论34参考文献35摘 要分布式光纤温度传感器则是重要的利用光纤进行测量的温度传感器。其原理是基于光纤中的后向散射现象和光时域反射的理论，使它能够在整条光纤的长度上，以距离为主要的连续函数的形式来测量光纤上各点温度值。本文从理论到实际应用，在以下四个方面进行了研究和试验：首先，论述了分布式光纤温度传感器目前在国内外研究的状况。立足于国内外现有的元器件和制造工艺，通过对多种可行技术方案的比较、分析，在光纤光栅传感器以及各种分布式传感器中，确定了基于自发拉曼散射中斯托克斯与反斯托克斯光强做对比的方式，来进行光纤温度检测的方案。其次，通过对实际中的反斯托克斯光和物理温度相关的特性进行分析，并结合光时域反射技术，确定了由自发拉曼散射和受激拉曼散射产生的定量描述，为本系统中的分布式的光纤温度传感器的合理应用做出了理论依据。再次，设计了系统硬件的总体结构。考虑到拉曼散射信号光功率、环境温度、亮电流与暗电流以及热噪声等多种因素，并结合工作稳定性、温度灵敏度、系统信噪比等几个方面的综合要求，对系统中各个部件的型号确定下来，使各个部分更好的衔接起来。最后，设计了系统软件，能实现温度的检测和一些系统的设置，并结合现场测量实际要求，完成了测量中一些问题的分析和解决，达到了良好的使用效果。关键词： 光纤传感器；分布式；测温；拉曼散射；系统硬件；系统软件AbstractDistributed optic fiber temperature sensor is important to use light to measure the temperature sensorsThe principle is based on optical fiber in the backward scattering phenomena and the theory of optical time domain reflect meter，it can in the entire length to the distance as the primary form of continuous function to measure the fiber temperature at various pointsThe article researches and tests in the following four aspects from theory to practical application：First，it demonstrates the current researches on distributed optical fiber temperature sensor at home and abroadThis research is based on the existing domestic and foreign components and manufacturing processesThrough a variety of comparison and analysis of the possible technical solutions，it determines the way to detect the optical fiber temperature by contrasting the light intensity between spontaneous Raman scattering and Anti-stokes among the fiber Bragg grating sensors and a variety of distributed sensorsSecond，through the analysis on the relation between Anti-stokes light and thetemperature in practice，and combining with optical time domain reflectometry techniques，the research established the quantitative description of the spontaneous Raman scattering and stimulated Raman scattering，thus providing a theoretical foundation for appropriate application of the distributed fiber-optic temperature sensor in the systemThird，it designed the overall structure of the system hardwareTaking intoaccount the Raman scattering signal optical power, ambient temperature，light current and dark current and thermal noise and other factors，and combining with the comprehensive requirements on working stability, temperature sensitivity, SNR，and several other aspects， this research determines the model of various components of the system，thus making the various parts of the link up betterLast，it designed the system software，and is able to achieve the temperature detection and system settings，and it analyzed and solved a number of problems in measurement when combined with the field measurement requirements，and it has achieved good effects.第36页第1章 绪 论1.1引言在光通信系统中，光纤是用作远距离传输光波信号的媒质。在实际光传输过程中，光纤易受外界环境因素的影响；如温度、压力和机械扰动等环境条件的变化引起光波量，如发光强度、相位、频率、偏振态等变化。因此，人们发现如果能测出光波量的变化，就可以知道导致这些光波量变化的物理量的大小，于是出现了光纤传感技术。1.2光纤传感器及其分类光纤是利用光的全反射原理来引导光波的，如图所示为光纤结构图。当光波在光纤中传输时，表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)，会由于被测参量(温度、压力、加速度、电场、磁场等)对光纤的作用而发生变化，从而引起光波的强度、干涉效应、偏振面发生变化，使光波成为被调制的信号光，再经过光探测器和解调器从而获得被测参量的参数。光纤传感器可以按传感原理分为两类，一类称为功能型传感器，它的光纤对被测信号兼有敏感和传输的作用，即它具有传与感合一的特点。另一类称为非功能型传感器，它的光纤仅起传输的作用，而对被测信号的感觉则是利用其他光学敏感元件来完成的。光纤传感器还可以按光波在光纤中被调制的原理分为：光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型等几种形式。下面介绍这几种光纤传感器的应用原理及其基本特点。1.3光纤传感器的基本原理在光纤中传输的单色光波可用如下形式的方程表示 E=E0cos(wt+)式中，E0是光波的振幅：w是角频率；为初相角。该式包含五个参数，即强度E02、频率w、波长、相位（wt+）和偏振态。光纤传感器的工作原理就是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已知调制的光信号进行检测，从而得到被测量。当被测物理量作用于光纤传感头内传输的光波时，使的强度发生变化，就称为强度调制光纤传感器；当作用的结果使传输光的波长、相位或偏振态发生变化时，就相应的称为波长、相位或偏振调制型光纤传感器。1.3.1光强调制型这是一种利用被测量的变化引起光纤中的光强发生变化的光纤传感器。能够引起光纤中光强发生变化的因素有；改变光纤的微弯状态，改变光纤对光波的吸收特性，改变光纤包层的折射率。下面分别讨论利用以上三个因素制成的光强调制型光纤传感器的应用原理。改变光纤的微弯状态 利用微弯效应制成的光纤位移传感器的原理如图。它是利用多模光纤在受到弯曲时，一部分芯模能量会转化为包层模式能量这一原理，通过测包层模式能量的变化来测量位移。例如：利用这一原理制成的光纤报警器，其基本原理是光纤呈弯曲状织于地毯中，当有人站在地毯上时，地毯弯曲状加剧，引起光纤光强变化，产生报警信号。研制这类传感器的关键在于确定变形器的最佳结构，最佳结构一般通过实验确定。改变光纤对光波的吸收特性X射线和Y射线会使光纤材料的吸收损耗增加，从而使光纤输出功率减小。利用这一原理可以制成光纤辐射传感器，用于核电站大范围的监测。与此类似的还有光纤紫外光传感器。紫外光照射会使光纤激发荧光，由荧光强弱探测紫外光强。这一类传感器的关键是要制作特殊光纤。改变光纤包层的折射率 图示是一种全内反射光纤传感器原理图。它的光纤端面的角度被磨成恰好等于临界角。从纤芯输入的光将从端面全反射，经反射镜再沿原路返回输出。当被测参量(折射率、浓度、温度等)发生变化时，光纤端面包层的折射率发生变化，全反射的条件被破坏，因而输出光强下降。由此原理可制成光纤液体浓度传感器，光纤折射率计等。1.3.2相位调制型这类传感器的基本原理是利用被测参量对光学敏感元件的作用，使敏感元件的折射率、传感常数或光强发生变化，从而使光的相位随被测参量而变，然后用干涉仪进行解调，即可得到被测参量的信息。用以上原理制成的光纤干涉仪可测量地震波、水压(包括水声)、温度、加速度、电流、磁场等，并可检测液体、气体的成分。这类光纤传感器的灵敏度很高，传感对象广泛(只要能对干涉仪中的光程产生影响均可以传感)，但是需要特种光纤。这主要是针对光纤干涉仪中为获得干涉效应要采用单模光纤，最好采用“双折射率”单模光纤，并且为了使光纤干涉仪对被测物理量进行“增敏”，对非被测物理量进行“去敏”，需对单模光纤进行特殊处理，以满足测量不同物理量的要求。图示是Michelson光纤干涉仪，它利用一个光纤定向耦合器构成双光束干涉仪，两光纤之一为参考臂，另一为传感臂。被测参量的变化可直接引起干涉仪中传感臂光纤的长度L(对应于光纤的弹性变形)和折射率发生变化，从而引起光纤中光波相位的变化。若把磁致伸缩材料或压电材料固定在传感臂上，则可利用它们对光纤引起的压力变化来测量弱磁场或弱电场。若在传感臂上镀上金属薄膜，则可利用电流的热效应来测量电流。1.3.3偏振态调制型被测参量可使光纤中光波的偏振态发生变化，检测该种变化的光纤传感器称为偏振态调制型。最典型的是测量大电流用的光纤电流传感器。基本原理是利用光纤材料的法拉第效应，即光纤处于磁场中，磁场使光纤中光波的偏振面旋转，旋转角与磁场强度H、磁场中光纤的长度L满足：=KHL，K为光纤材料系数。由长直载流导线在周围空间产生的磁场H=I/2R(R是光纤与载流导线间的垂直距离)，则=KLI/2只要测出，L，R即可求出导线中的电流。图示为其原理图。这种测电流的方法测量范围大、灵敏度高、与高压线无接触，使输入输出端实现了电绝缘。但是目前实际测量还存在一些问题，主要是受外界温度、压力变化等影响，光纤本身会产生双折射效应，从而引起测量误差。1.4光纤传感器的特点与传统的传感器相比，光纤传感器的主要特点是：（1） 抗电磁干扰，电绝缘；本质安全（2） 灵敏度高（3） 重量轻，体积小，外形可变（4） 测量对象广泛（5） 对被测介质影响小（6） 可以进行连续分布测量，便于复用，便于成网第2章 光纤温度传感的理论基础2.1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（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0.5，空间定位精度最高可达0.25 m，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York Sensa、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、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：b = 2n （1）式中：b为Bragg 波长； 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。2.2分布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CV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。RT=IasIs=(vasvs)4exp(-hv0KT)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Ias,vas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。2.3拉曼散射原理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。2.3.1 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22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E1-E2=hc。当注入光纤的激光频率为0时，每个光子的能量为hc0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+hc0，最后跳到了E1(E1=E2-hc)，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ehvkT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Was=N2c(dd)asN1 W=N1c(dd)sN12.3.2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d2x(z,t)dt2+dx(z,t)dt+02x(z,t)=F(z,t)m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x=a0+(x)0x+12!(2x2)0x2+1n!(nxn)0xn+进行近似处理得到介电常数的表达式又有=01+Nx=01+N0+K=1n1k!(kxk)0xk综合几个式子，得到了作用力为Fz,t=1Nx=120k=1n1k-1kxk0xk-1E2(z,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。N2N1=e-hvMKT式中N1在基态上的振动粒子数 N2在激发态上振动的粒子数 vM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exp（-E/KT）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DLLong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 ias=N0as4(ehckT-1) is=N0s4(1-e-hckT) 其中as反斯托克斯光波数 s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N0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RT=(sas)4e-hckT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dz，则其光强之比仍为SasdzSsdz=SasSS=R(T)其中Sas反斯托克斯光散射系数Ss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(213)和式(2-14)，把它们分别对温度求微商，得到dias=N0hcas4KT2(ehcKT-1)2ehckTdT dis=N0hcs4KT2(ehcKT-1)2ehckTdT再把两组式子分别求比值，得到diasias=hcKT2(ehcKT-1)2ehckTdT disis=hcKT2(ehcKT-1)2dT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e hckT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。2.3.3 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R=3s24c2ks2=s+NKEL(0)/K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。2.4 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强比上，它们有一定的比例关系。但是受激拉曼散射由于需要大功率的激光注入，会破化光纤分子的热平衡，导致其能级发生变化，使得测量出现误差甚至错误，所以我们要在测量中避免大功率激光的注入，从而抑制受激拉曼散射的发生。本章还从理论上对于各种散射情况给出了定量的理论分析，找出了光纤作为传感器的输入输出的关系，建立了严格的推导过程，为后面的具体应用奠定了基础。第3章 光纤测温系统的组成3.1 光纤测温系统的硬件总体结构3.1.1 系统的结构及作用过程双光纤温度传感系统的结构如图所示。本系统主要包括光学部分和信号处理及采集部分。光学部分由两个分光器、两个定向耦合器、两个激光发射器(同型号)以及激光器的驱动组成，信号处理及采集部分由光电转换器、低噪声信号放大、高速数据采集模块等组成。考虑到要提高测量的精度，本方案采用不同型号的双光纤并行测量，所以其光学部分以及后面将光信号转换成电信号部分都需要两路来完成。由于两路光纤的工作过程完全一样，所以只对一路进行说明。整个系统由电脑进行整体控制，开始进行测量后，电脑首先控制激光发生器驱动器，启动激光发生器，发射出测量所需的激光。激光经定向耦合器耦合的传感器光纤中，传感器光纤的温度则是被测环境的温度。激光在光纤中传播，由于不同的温度就会引起不同的拉曼散射，从而产生测量所需的斯托克斯和反斯托克斯光，散射光通过光纤再传输回定向耦合器，并通过耦合器进行接收，加上特定的光学滤波片后，得到我们所需的和温度有关的量，即斯托克斯和反斯托克斯光。光束接收由雪崩二极管完成，并经放大后由模数转换器完成数字量的转换，再提供给电脑进行后期运算。电脑通过控制上述设备可以进行多次重复测量，这样可以通过进行数学的运算，来实现对数据有效性的提高。计算完成后，经编写好的软件显示在电脑屏幕上，并进行存储。我们可以通过控制电脑进行报警设置，数据分析，打印等。整个系统我们可以分为几个部分来便于研究，即系统控制部分，光学部分和信号采集部分。系统控制部分主要就是电脑以及配合的软件系统，光学部分包含了激光发生器、光纤定向耦合器、传感器多模光纤、光学分光片和滤光片、雪崩二极管等，信号采集部分包含前置放大器、数据采集模块(主要是高速模数转换器)等组成，按照每部分的要求，进行不同的设计，最后使整个系统有机的结合起来进行工作。在图中，考虑到影响反斯托克斯光强弱的因素，以及激光器工作波长上传感光纤的传输损耗和自发拉曼散射损耗等特性、雪崩二极管的转换特性等，我们要选择合适的激光波长，使反斯托克斯光的变化工作在最佳状态。3.1.2光纤测温系统的理论分析受激拉曼散射是强激光的光电场与原子中的电子激发、分子中的振动或与晶体中的晶格相耦合产生的，具有很强的受激特性，即与激光器中的受激光发射有类似特性：方向性强，散射强度高。在一条特性均匀的光纤中，光在传输过程中都要有损耗，且为常数，即注入光波长传输损耗系数i、反斯托克斯光波长传输损耗系数as、斯托克斯光波长传输损耗系数s，同时也存在光纤的背向散射系数Sb、反斯托克斯光散射系数Sas，、斯托克斯光散射系数Ss，等，这三个系数同样为常数。下面开始对整个过程进行分析：把传感光纤的起始点确定为z=0，在整条光纤中，任何一点的脉冲的能量和距离有关，在z点的能量为：Ez=e-aiz在z+dz距离处，反斯托克斯能量则为：dEasz=Sase-aaszdz当时间在t=2zVg（Vg为激光在光纤中的传播的速度），这时的反斯托克斯光能量为:dEas,echo=SbSase-(s+as)dz 对光纤的长度进行微分dz，一个光脉冲的时间为2dzVg，把光纤的开始端定义为z=0，这时候计时开始，即t=0，则背向拉曼散射中我们需要的反斯托克斯光在2zVg时刻的功率则达到Past=Vg2SbSase-(s+as)Vgt2我们定义激光器稳定峰值功率为Pp，脉冲宽度为tw、驱动激光器的电源频率为fm，激光器与测量光纤的耦合系数为Cl，干涉反斯托克斯光所用的滤光片的透射系数为Tas，这样我们就可以测量到接收到的反斯托克斯光功率Pas，sum，与接收时间t有如下函数关系: Pas,sum=Vg8PptwfmCiSbSasTase-(ai+aas)Vgt2光脉冲经过定向耦合器肯定要发生损耗，这样，我们在测量端测量到的到的斯托克斯光的功率Pas，sum，就与时间t的关系变为: Ps,sum=Vg8PptwfmCiSbTse-(ai+aas)Vgt2上式中Ss，为光在光纤中的斯托克斯光的散射系数，Ts是滤光片对斯托克斯光的透射系数最终，我们测量到的实际接受到的反斯托克斯光功率与斯托克斯光功率之比为Pas,sumPs,sum=SasSsTse-(aas-as)Vgt2在忽略光在光纤中传输损耗的差异，可以认为ass，再假设干涉滤光片对反斯托克斯和斯托克斯光的透射影响系数近似相等，则上式可写成: Pas,sumPs,sum=RT=(sas)4e-hckT式(37)实际上基本与下式等同Pas,sumPs,sum=SasTasSsTse-(aas-as)z通过式(39)我们可以看出，最终我们得到的反斯托克斯光与斯托克斯光功率之比实际上就能反应出光纤上z距离处的温度，即我们要测量的环境温度。再来介绍一下式(37)和式(3-8)，我们以光进入光纤的那一刻认为是开始，即z=0处t=0，这样，在经过了时间t之后，我们测量到的反斯托克斯和斯托克斯功率在光纤上所处的空间位置为应为z=Vgt2；对于不同的测量时刻，则在测量端接收到的光功率的大小就对应着整条光纤中的不同的空间位置，当传感用的光纤的空间位置从z=0增加到最大长度z=L(L为传感光纤长度)时，则对应的测量时刻从t=0到2LVg，这样在系统测量终端便能实现整条传感光纤所处环境温度的分布式测量。3.1.3温度数据的得到方法要想得到最终的温度的大小，需要由软件将AD转换的数据进行比对或者计算，把采集到的数字量转换成温度值。软件的部分我们后面详细描述，这里只对其得到方法进行说明。在图31中我们可以看到，在温度测量系统中采用了两条不同的光纤作为测量传感器，在测量时，在计算机的控制下，有两条光纤同时进行测量，AD转换器同时将两条光纤的数据进行转换，并通过PCI口传到计算机中，这样，计算机就得到了两组关于温度的数字量D1和D2，通过计算，可以得到两个温度值，即T1和T2。对于AD转换器传来的两组数据，我们对它进行求差处理，得到D3，即D3=D1-D2，这样，对于D3，我们也可去对应一个相应的温度值，即T3，这样，最终的温度就可以根据T1、T2、T3的权重来得到了。数字量和温度的关系如图32所示。图中，1、2、3号线分别表示三组数据与温度之间的关系。我们假设在某一时刻，我们测得的数据对应出温度分别是T1=23.8，T2=23.5，T3=23.6，我们按照去权重求和得到丁，即：T=T10.4+T20.4+T30.2代入数据可得到：T=(23.80.4+23.50.4+23.60.2)=23.63.2 光纤温度传感系统的主要技术指标的影响因素对于基于拉曼散射的分布式光纤温度传感系统，测量时间、测温精度、空间分辨率以及整个系统能够测量的长度，都和整个体统的特性有关。它们之间相互关联，每一个指标的变化都会影响到其他指标。由于实际系统设计，采用组件等制约因素，再加上制造条件限制，因此，系统设计是基于应用程序的需求、元件的选择和程序设计的合理性，在这之间找到一个最佳的指标来完成设计的平衡。仅凭一项指标来描述系统的性能是不全面的。3.2.1 系统各参数的性能作为一个分布式光纤温度传感系统，由空间分辨率，温度测量精度，测量时间，所有的测量结果等因素来共同说明系统性能，这个我们可以用一个质量系数或品质因数Fm，对系统性能进行表征：Fm=L(zT)2t因此，更高的品质因数值表示更好的系统性能。具有相同品质因数的系统可能各个细节都是不一样的，各个部分综合参数组成了最总的品质因数的值。式(310)表明，组成品质因数的四个量中，与光纤长度成正比线性关系，与测量时间反比线性关系，与温度分辨率和空间分辨率的平方成反比线性关系。可见，影响品质因数最关键的因素是温度分辨率和空间分辨率，但是作为一个系统，多数情况下还是要综合考虑各个因素的影响的。所以我们在设计的的时候，要根据应用的目的，确定各个部分的参数范围，最终完成整个系统的设计。在硬件电路中，影响因素很多，如价格、技术和元器件性能等，导致了这一部分对系统的整体性能有一定的影响。我们所用的激光，光电转换器等，都会影响到系统的品质因数Fm.因此,我们后面的处理中可以通过对采集的大量数据进行平均计算,这样改善和提高信噪比，从而获得较高测温精度.式(310)可以变成如下：Fm=ST2p1+pztdP反斯托克斯光子测量的光功率ST反斯托克斯和斯托克斯光强比例的温度敏感性td电子死区时间综上所述，一个系统的品质因数是表征一个系统性能好坏的最主要参数，它不但客观公正的说明了系统的性能，还体现了整个系统中各个部分的一个相互关系。3.2.2 温度分辨率作为测量温度传感器，测量温度的分辨率是一个重要的指标。这个指标描述了在测量温度的时候我们可以准确的测量到最小的温度变化。任何一种温度传感器都会有此项的指标。在光纤温度测量中，还有一个重要参数下面要介绍到，就是空间分辨率，光纤的测温精度在某种程度上与空间分辨率密切相关。我们要求的空间分辨率发生了变化，温度分辨率也就会出现基础的变化，两者之间相互影响。我们说的温度分辨率一般都是指的在空间分辨率一定的情况下的参数。下面就温度分辨率的问题进行一下理论说明。基于拉曼散射的分布式光纤测温的原理是测量反斯托克斯光功率Pas与斯托克斯光功率Ps，其功率的比值和温度有一个函数关系。其关系为：RT=PasPs=C(ass)4exp(-hckT)式中C系统常数 as反斯托克斯光波长 s斯托克斯光的波长h是普朗克常数c光在真空中的速度k玻尔兹曼常数v光波数对式(312)两边进行微分得：dRT=PsdPas-PasdPsPs2再进一步计算得到：dRR=PsdPas+PasdPsPs2PsPas=dPasPas-dPsPs这个式子就反斯托克斯光与斯托克斯光和温度的关系。在一定情况下，我们把反应不灵敏的斯托克斯光认为dPs0，这时候，我们令dPas=nas，式(314)可简化成：dRR=nasPas=1SNRas SNRas反斯托克斯光检测通道的信噪比再由式(3-12)来计算，对T微分并在式子两端除于R（T）可得：dRR=hcvkT2dT这时候，我们发现式子(3-15)和(316)右侧相等，则：T=dT=kT2hcv1SNRas到此，我们又得到一个结论，即拉曼型分布式光纤温度传感器的温度分辨率T，除了和系统元件性能有很大关系外，还和反斯托克斯光检测通道的信噪比SNRas成反比，所以，在提高反斯托克斯光检测通道的信噪比SNR船的同时，也就提高了温度分辨率。3.2.3空间分辨率在测量一条线上温度分布式时，我们能够在线上得到温度的最小间隔，就是空间分辨率，表示了系统区分位置的能力。由于在光纤传感器上，某一段距离内的所有的拉曼散射的信号在返回到光电转换元件时，在时间上是相互重叠的，所以，我们的测量系统无法进行区分，致使这一段距离成为了一个测量点，这样点与点之间的大小就是我们的的空间分辨率。上面我们也提到了，它和温度分辨率是有一点关系的。影响空间分辨率主要因素有：激光器驱动发出的探测光脉冲宽度、系统用雪崩二极管的响应时间、光纤本身的色散特性以及前置放大电路的频带宽度和AD转换器的转换速度。下面，我们分析一下光脉冲宽度对空间分辨率Rpulse的影响。首先看图3-3有图可知tw为光脉冲宽度，Vg为激光在光纤中的速度，脉冲宽度为twVg，在其一半范围内，即twVg/2中，所有点的拉曼散射信号在到达测量终端时是相互重叠的，我们在假设光没有色散，光脉冲呈矩形，雪崩二极管带宽足够大，则空间分辨率Rpulse为：Rpulse=twVg2本系统选择塑料芯多模光纤，光在其传播的速度为Vg=205x108 (ms)，将此带入到式(318)中，便可计算出Rpulse为：Rpulse=tw(ns)10这就是脉冲宽度和分辨率之间的关系了。除此之外，还有两个影响分辨率的因素，放大器的频带宽度和AD转换速度。下面逐一讨论。空间分辨率受AD转换速度f的影响可以由下式确定。RA/D100f式中，RA/D为空间分辨率受AD转换速度影响值，频率的单位为MHz空间分辨率受放大器的频带宽度B的影响由下式确定。Ramp100B(m)式中Ramp为空间分辨率受放大器的频带宽度的影响值，带宽单位MHz，综合几点影响因素，得出系统总的空间分辨率R为：R=Rpulse2+RA/D2+Ramp2(m)3.2.4精度测量测量精度包含两方面的含义：1)指系统测量终端依据探测光脉冲所确定的空间某点位置的定位精度；2)指测量终端对传感光纤上某一点表征待测场特性的背向拉曼散射信号大小的测量准确精度。光纤传感确定空间位置的方法是利用光脉冲的速度乘以往返传输的时间来确定的，因为往返，所以距离为乘积的一半，即z=Vgt2式中z光纤中某点距离初始点的距离t光脉冲从初始点发出到散射点反射回来所用的时间 Vg探测光在光纤中的传播速度在一次测量过程中，定位精度主要受到系统中定时器误差的影响，而在系统中，定时器的精度取决于用于检测的光脉冲的上升时间，定量值为SNR(SNR为信噪