光纤传感技术用于铁轨温度监测的研究.pdfVIP

光纤传感技术用于铁轨温度监测的研究 3 郭 湛1 3 刘 凯2 王怀彬3 1 北京科技大学土木与环境工程学院 北京100083 2 北京信息工程学院计算机信息系统系 北京 100101 3 天津理工大学计算机系 天津300191 摘要 对光纤喇曼散射技术用于铁轨温度监测的方法进行了理论和实验研究 采用大功率半导体脉冲 激光器为泵浦光源和背向散射法对光纤中的背向喇曼散射 斯托克斯散射和反斯托克斯散射 进行测 量 缠绕式光纤传感器模式中采用结果表明 该方法对采用传统方法难以实现的铁轨温度进行监测是 可行的 且具有结构简单 成本低廉以及与结构兼容性好的优点 关键词 半导体激光源 光纤传感 喇曼散射 温度监测 中图分类号 X924 3 文献标识码 A 文章编号 100520086 2006 1121369203 Research of Rail Structure Temperature Monitor with Optical Fiber Sensors GUO Zhan1 3 LIU Kai2 WAN G Huai2bin3 1 College of Environment Engnieering Beijing Univ of Sci 2 Depart2 ment of Computer Information System Beijing Information Techology Institute Beijing 100101 China 3 Department of Computer Tianjin University of Technology Tianjin 300191 China Abstract The research of railway structure temperature inspecting system based on optical fiber back2Raman scatter is stated Using high2power semiconductor laser launcher as pump source Raman back2scatter Stocks and anti2Stocks scatter is measured Intertwis2 ting sensor structure is used in the experiment Experimental results show the system is much cheaper simple and easier to monitor the temperature with rail structure which is dif2 ficult by traditional method Key words optic fiber sensor Raman scatter temperature monitor 1 引 言 对于采用激光源和光纤传感技术进行温度测量 国内外学者已经做了大量的实验研究 1 4 但应用于 铁路工程实际的研究尚不多见 本文研究了用于铁 轨温度监测的光纤传感系统 并已在铁路工程现场成 功应用 2 原 理 随着光纤上某点温度的升高 分子能级高态上的 粒子数布居增加 因此 在相同激光脉冲激发下 随 着光纤材料温度的升高 反斯托克斯喇曼光子增多 散射光强增加 背向喇曼散射光强度由能级上的布 居 喇曼散射截面 入射光的能量和光纤的背向散射 因子所决定 因此反斯托克斯喇曼散射与斯托克斯喇 曼散射的强度与光纤散射区的温度有关 刘天夫等人 5 及Galecmer等 6 在实验中发现 反斯托克斯散射光对温度敏感 其强度受温度调制 而斯托克斯散射光基本上与温度无关 两者光强的比 值只与散射区的温度有关 即 R T Ias Is vas vs 4exp hv0 kT 1 式中 R T 为待测温度的函数 Ias为反斯托克斯光 强 Is为斯托克斯光强 vas为反斯托克斯光频率 vs 为斯托克斯光频率 v0为瑞利散射光频率 h为普朗 克常数 6 62 1034J s k为玻尔兹曼常数 1 380 65 10 23J K T为绝对温度 光 电 子 激 光 第17卷 第11期 2006年11月 J ournal of Optoelectronics Laser Vol 17 No 11 Nov 2006 收稿日期 2006205204 3 E2mail guozhan 以反斯托克斯光作为信号通道 斯托克斯光作为 参考通道 检测两者光强的比值 就可以解调出散射 区的温度信息 同时还可以有效地消除光源的不稳定 以及光纤传输过程中的耦合损耗 光纤接头损耗 光 纤弯曲损耗和光纤穿设损耗等影响 3 系统设计 利用波长为905 nm的GaAs大功率半导体脉冲 激光器为泵浦光源 采用光时域反射 OTDR optical time2domain reflection 技术 以及高速采样平均技 术对芯径为50 125 m 1 km长的GI多模光纤的后 向散射光光谱进行了分析和测量 着重研究了光谱成 分中强度仅为入射光强10 8 10 9的极其微弱的反 斯托克斯散射光的温度特性及其应用 由于光纤中非线性光学效应非常微弱 特别是对 温度十分敏感的反斯托克斯信号更加微弱 仅为入射 光强的10 9量级左右 7 有用的喇曼散射光信号完 全被淹没在噪声之中 因此 需要设计光学部件及软 硬件的结构 采取高增益 低噪声放大电路及高精度 高速A D变换等电路构成光电微弱信号的处理 系统 为更好地观测和确定后向喇曼散射与温度的关 系 专门设计了图1所示的实验装置 它由1 3路 双工器分出两路后向散射光 分别进入由中心波长为 875 nm 反斯托克斯光 与945 nm 斯托克斯光 滤光 片组成的波分复用器 其输出用GJ2I型快速微光功 率计测量 本系统所采用的传感光纤全长为1 km 其中50 m放入标准恒温槽中作温度标定用 如图1 所示 光纤后向散射光由13路双工器分成两路 分别 进入中心波长为875 nm Anti2Stocks光 偏离中心 波长17 nm及隔离度优于35 dB和中心波长为945 nm Stokcs光 偏离中心波长20 nm及隔离度优于 35 dB的两组干涉滤光片组成 图1 喇曼散射与温度关系实验装置示意图 Fig 1 Sketch of test of Raman scatter intensity and temperature 4 实 验 4 1 光纤后向喇曼散射温度特性 1 km光纤全部放入可控恒温槽内 由两路干涉 型波分复用器分别把斯托克斯与反斯托克斯光信号 送入GJ2I型快速微光功率计进行测量 如果把在室 温 31 下光纤后向反斯托克斯光强作为基准 并 调节恒温槽温度 使其在0 100 内变化 测得反斯 托克斯与斯托克斯光强相对于温度的变化如图2 所示 图2 反斯托克斯与斯托克斯 光强相对于温度的变化 Fig 2 Changing map of anti2Stocks and Stocks relative to standard light intensity 由以上结果可以看出 虽然光纤后向斯托克斯与 反斯托克斯光强都随温度升高呈指数增长的关系 而 反斯托克斯光强变化对温度更加敏感 4 2 温度测量 为了同时观测空间分辨能力对测温结果的影响 在传感光纤的尾端部位 绕制了5个长度分别为2 5 8 10 15 m及直径为0 5 m的光纤环 且每个环的 间隔均为2 m 将这5个环同时置入70 的恒温槽 内进行实验 经系统累加214次后 测得的喇曼信号 及温度结果如图3和图4所示 图3中 上面的带尖 峰的曲线为反斯托克斯光强 尖峰不明显的为斯托克 斯光 图4中 各尖峰为根据喇曼散射计算出的温度 场中的温度值 图3 喇曼信号与光纤长度的关系 Fig 3 Raman scatter vs length of optical fiber 0731 光 电 子 激 光 2006年 第17卷 图4 温度与喇曼散射的关系 Fig 4 Temperature vs Raman scatter 为了验证光纤温度测量系统对于温度场变化的 定位特性 将传感光纤放入温度可以控制的恒温水槽 中 在水槽中放入加热棒 改变恒温水槽中不同位置 的温度变化 并在特定位置放置高精度热电阻对该点 的温度变化进行实时检测 以检测值作为标准值 将 测温光纤放入水槽中 测量相应的温度和距离 实验 分为2组 分别模拟温度场温度梯度变化比较急剧和 比较缓慢的2种情况 共进行了30次测量 得到曲 线图30张 反映测得的温度和光纤距离 表示温度场 中各点的位置 结果 此处选择有代表性的温度测量 曲线 如图5和图6所示 从实际测量的结果来看 系统响应特性良好 与 标准温度信号变化基本吻合 系统的空间位置分辨率 很好 时间响应不大于4 5 s 因为现场变化是一个 比较缓慢的过程 因此本系统完全能够满足现场温度 监测的要求 图5 温度梯度急剧变化情况下的温度与Raman散射的关系 Fig 5 Temperature vs Raman scatter when temperature grades changes rapidly 5 工程实际应用效果及结论 2005年7月 该光纤温度监测系统被用于华电 芜湖电厂运煤铁路专线工程现场 在工程现场进行 图6 温度场温度梯度缓慢变化 情况下的温度与Raman散射的关系 Fig 6 Temperature vs Raman scatter when temperature grades changes slowly 了250次数据比对 从光纤传感器检测的结果来看 与现场高精度标准温度计实际测量结果有很好的同 步性 重复性也很好 温度变化点定位基本准确 通过以上实验可初步断定 采用光纤传感技术用 于铁轨温度测量是可行的 具有结构简单 成本低廉 与结构兼容性好及可实现准分布测量的优点 经过 进一步的研究加以完善 具有很好的前景 参考文献 1 Mendez A Morse T F Applications of embedded optical fiber sensors in reinforced concrete buildings and struc2 tures J SPIE 2001 11 7 60269 2 Hartog A H A distributed temperature sensors based on liquid2core optical fibers J IEEE J Lightwave Techni2 cal 2003 14 3 4982509 3 Horiguchi T Tateda M BOTDA nondestructive measure2 ment of single2mode optical fiber attenuation characteris2 tics using Brillouin interaction Theory J IEEE J Light2 wave Lightwave Technical 1999 7 8 117021176 4 Hartog A H Leach A P Gold M P Distributed temperature sensors in solid2core fiber J Electron Lett 2000 21 12 106121062 5 刘天夫 张步新 陈阳等 光纤后向拉曼散射的温度特性 及其作用 J 中国激光 1995 22 9 56258 6 Galecmer F L Mikkelsen J C Geils R H et al The rela2 tive Raman cross section of vitress SiO2 GeO2 B2O2and PO J App