喇曼分布式光纤温度传感器.doc

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.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。 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。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散射光波，这些后向散射光波的状态受到所在光纤散射点的温度影响而有所改变，将散射回来的光波经波分复用、检测解调后，送入信号处理系统便可将温度信号实时显示出来，并且由光纤中光波的传输速度和背向光回波的时间对这些信息定位。喇曼分布式光纤温度传感系统的总体设计框图如图3-1所示。它采用后向散射探测方法，由半导体激光器(LD)产生很窄的泵浦光脉冲，经光纤放大器(EDFA)进行功率提升后通过光纤喇曼 WDM耦合进传感光纤，在传感光纤中将产生后向散射光，回来的后向散射光再经光纤喇曼 WDM滤波和分离后得到携带温度信号的后向反斯托克斯喇曼散射光和作为参考信号的后向斯托克斯喇曼散射光，自此便完成了信号的采集工作；从光滤波器分离出来的后向反斯托克斯喇曼散射光和斯托克斯喇曼散射光再分别进入光电探测器 1和光电探测器2进行光电转换，再经前级放大，从而完成信号的光电探测工作；此时信号已由光功率形式转换成电平形式，再分别进入双路放大器对电平信号进行放大，而后由双通道 A/ D采集电路进行模数转换，从而得到数字信号，再由计算机对数字信号进行信号处理、分析计算，便最终得到对应点的温度场信息。因此，发出光脉冲后，对后向喇曼散射信号进行高速的多点采样，就可获得沿光纤轴向的温度场分布，实现分布式温度传感。2）喇曼分布式光纤温度传感器的系统结构 光纤传感器的基本组成：光纤传感器主要包括光导纤维、光源、光探测器三个重要部件。 光源 分为相干光源(各种激光器)和非相干光源(白炽光、发光二极管)。实际中，一般要求光源的尺寸小、发光面积大、波长合适、足够亮、稳定性好、噪声小、寿命长、安装方便等。 光探测器 包括光敏二极管、光敏三极管、光电倍增管、光电池等。光探测器在光纤传感器中有着十分重要的地位，它的灵敏度、带宽等参数将直接影响传感器的总体性能。分布式反斯托克斯比型光纤传感系统结构如图3-1所示。系统包括激光器部分、耦合分光滤光部分、数据采集部分和信号处理部分。激光器部分由半导体二极管、驱动电路和光纤放大器组成；耦合分光滤光部分由耦合器和滤光器组成；光电转换信号信号放大部分由光电转换器和双路放大器组成；数据采集和处理部分由数据采集器和数据处理器组成。喇曼分布式光纤温度传感器包括光学、电子学部分。光学部分包括激光发射器（光源）、光无源器（包括光耦合器、光滤波器或者喇曼 WDM）、光缆以及光探测器（APD）等模块。电子学部分包括硬件系统和系统软件部分，其中硬件系统包括激光器驱动电路、光接收放大电路、后端数据处理模块、温度控制模块等；软件部分包括上位机行业应用软件及下位机软件，其中下位机软件包括温度解调算法、FPGA内核程序、DSP物理层驱动序、DSP应用程序、加密算法及其程序。这里要说明的是，与温度解调算法相对应的是系统定标算法，定标算法主要用于产生解调算法所需要的一些数据和参数。定标算法可以在下位机中直接实现（可将下位机运行模式分为工作模式和定标模式），也可以将定标算法在外部实现，在完成系统定标以后将数据和参数直接下载固化到下位机中。 图 3-1 喇曼分布式光纤温度传感器系统结构图3.光纤温度传感器的应用目前，光纤传感器在航天（飞机及航天器各部位压力测量、温度测量、陀螺等）、航海（声纳等）、石油开采（液面高度、流量测量、二相流中空隙度的测量）、电力传输（高压输电网的电流测量、电压测量）、核工业（放射剂量测量、原子能发电站泄露剂量监测）、医疗（血液流速测量、血压及心音测量）、科学研究（地球自转）等众多领域都得到了广泛应用。在科研和工程技术当中，有许多场合需要确定温度和应力分布，而这些地方往往环境复杂，如大型电力传输变压器内部的温度场、重要通信电缆或大型电力电缆等管道或架线的沿线温度场，还有输油管道，存储易燃易爆物质的大型存储罐，大型桥梁、大坝、仓库等建筑，以及一些结构复杂的大型设备的温度分布等。传统的温度传感器，如热电偶，热电阻等，在强磁场环境中会收到影响，在易燃易