基于拉曼散射的分布式光纤温度测量系统及其在电缆温度测量的应用.doc

基于拉曼散射的分布式光纤温度测量系统及其在电缆温度测量的应用 刘吉 20071202035摘 要: 首先介绍了拉曼散射的原理 ,并对拉曼散射分布式光纤温度传感器进行了理论分析，最后介绍了拉曼散射分布式光纤温度传感器的系统设计，并提出了此系统在电缆温度测量中的应用。Abstract: The principle of Raman scattering is introduced first, and the Raman scattering distributed fiber - optic temperature sens or is analyzed theoretically . Finally, the system design of Raman scatteringdistributed fiber - op tic temperature sensor and the application of Raman scattering distributed fiber - optic temperature sensor are introduced .引言光纤传感技术是在上世纪七十年代伴随着光纤通信的蓬勃发展而提出来的 ,它与光时域反射技术密切结合迅速崛起 ,经过几十年的发展而在多个领域广泛应用。与传统的传感器相比 ,光纤传感器具有轻质 ,耐腐蚀 ,耐高温 ,防水防潮 ,抗电磁干扰等一系列优点 ,因此在恶劣环境中颇具用途。而分布式光纤传感技术除具备上述特点以外 ,还具备实时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的测量分布信息的能力。准确的说 ,它可以精确测量光纤沿线上任一点的温度 信息 ,如果把光纤纵横交错连接成网状 ,则可以构成规模庞大的地毯式动态监测网 ,实现对目标的实时全方位检测。特别是在我国，每年发生的有关电器的火灾事故大多是因为电线或电缆长期运行过热烧穿绝缘所引起，所以对于温度的监测十分重要，这也是本文设计的分布式光纤温度测量系统的重要应用。结构与测量原理分布式光纤温度传感器获取空间温度分部信息的原理是利用光在光线中传输能够产生向后散射。在光线中诸如一定能量和宽度的激光脉冲，它在光线中传输的同时不断产生后向散射光波，这些广播的状态受到所在光纤散射点的温度影响而改变，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，并且由光线中光波的传输速度和背向光回波的时间可对这些信息定位。1 拉曼散射原理微观世界中任何分子和原子都在不停地运动,光纤的分子和原子也不例外 ,存在着分子振动。泵浦光通过分子时打破了分子振动原有的平衡 ,振动分子将与之发生能量交换。当产生光子的能量小于泵浦光子的能量 (分子振荡吸收泵浦光子的能量 )时 ,称为斯托克斯散射。当产生光子的能量大于泵浦光子的能量 (分子振荡的能量传给光子 )时 ,称为反斯托克斯散射。斯托克斯散射和反斯托克斯散射统称为拉曼散射。拉曼散射过程的能级示意图如图1所示。其中 , E1、 E2 分别表示分子振动的两个能级 ,两个能级之间相差 h ,即 E2 = E1 + h 。散射出 0频率光子的散射称为瑞利散射;散射出 0 - 频率光子的散射称为斯托克斯散射;散射出 0 + 频率光子的散射称为反斯托克斯散射。2泵浦光对拉曼散射的影响拉曼散射是由泵浦光子与光纤分子相互作用产生的 ,当泵浦光的强度小于阈值时 ,拉曼散射光与泵浦光成正比 ,这种拉曼散射叫自发拉曼散射。自发拉曼散射光中的反斯托克斯散射光强度受温度调制 ,而斯托克斯散射光基本上与温度无关 ,两者比值只与散射区温度有关。当泵浦光的强度大于阈值时 ,光纤分子的热平衡受到破坏 ,在光纤中出现非线性光学现象 ,叫做受激拉曼散射。受激拉曼散射不再受温度调制。因此 ,自发拉曼散射光中反斯托克斯散射光受温度调制的特性是分布式光纤温度传感器系统的理论基础。3分布式光纤温度传感器系统的结构组成分布式光纤温度传感器系统如图所示。主要有传感光纤、 激光器及驱动电路、 双向耦合器、 波分复用器、 光电检测器、 信号放大电路、 高速采集卡和计算机组成。激光器发出的脉冲光作为泵浦光 ,经过耦合器注入传感光纤 ,脉冲光在传感光纤中向前传播的同时 ,产生向后传播的后向散射光。后向散射光通过光滤波滤出反斯托克斯光和瑞利光,再经过光电转换和放大电路 ,放大后的信号被高速数据采集卡采集 ,经过数据处理和定标 ,解调出温度。 4 分布式光纤温度传感器的关键技术 分布式测量的实现 光时域后向散射技术分布式光纤温度传感器能够对数千米范围内空间点的温度进行实时测量 ,是借助光时域后向散射(OT DR)技术来实现分布式测量。如图所示 ,从激光器发出的脉冲持续时间为T的泵浦光从 F处注入光纤 ,以速度 v向前传输,经过时间 t,激光脉冲传输到 L。在 LL + dL段( dL对应T时间内激光在光纤中传播的距离 ) ,部分能量被转化为后向散射返回到光纤始端 F处 ,由探测器接收和处理。则由 dL段返回始端的时间为:t = 2L / v = 2L n1 / c = 10- 8L (1)(普通石英光纤 n1 = 1 . 5时 )式中: v =C / n1 ;c 真空中的光速;n1 为纤芯的折射率。光在光纤中传输会发生散射 ,包括瑞利散射 ,拉曼散射和布里渊散射。瑞利散射是光纤的一种固有特性 ,是指当光波在光纤中传输时 ,由于纤芯折射率在微观上随机起伏而引起的线性散射。光时域反射仪 4 (Op tical ti me domain reflect ometer,OT DR)是基于测量后向瑞丽散射光信号的实用化仪器 ,利用OT DR可以方便的对单端光纤进行非破坏性的测量 ,它能连续显示整个光纤线路的损耗相对于距离的变化。OT DR测试是通过将光脉冲注入到光纤中 ,如果光纤是均匀的并且所处外界环境一致 ,后向散射光的强度将由于光纤内部损耗而随时间呈指数衰减 ,假如耦合进光纤的输入光脉冲峰值功率是P0 ,经历时间 t后探测到的后向散射光强度将是式中: z = ct /2n为产生后向散射光信号; Ps ( t)为前向传输光所处位置;i( z)为以纳培为单位的衰减系数; n为纤芯的折射率; c为光速;为输入光纤耦合器的功率分束比; r ( z)为考虑了瑞丽后向散射系数和光纤数值孔径之后的有效后向散射系数; D= c /2n为任何时刻光纤中的光脉冲宽度 (此处认为输入光和后向散射光的损耗系数相等 )。根据损耗越高则曲线斜率越大。OT DR的空间分辨率由输入光脉冲宽度决定 ,根据 z min = c /2n,对于脉宽为 10纳秒的光脉冲来说 ,其空间分辨率为 1m。接收时间的不同又对应着光纤位置的不同 ,接收时间与光纤上不同位置的光信号一一对应 ,这样就能确定出信号在连续光纤上的位置,实现分布式测量。为了提高探测距离的精确度 ,即空间分辨率 ,就必须减小注入光脉冲的宽度 ,从而减小 dL ,提高测量空间分辨率。空间分辨率要达到 1m以下 ,则理论上要求脉冲的宽度小于 5 ns。在设计激光器驱动电路时必须选用高速器件 ,在电路板布线工艺上考虑消除自激等因素。为了增加产品的可靠性 ,还要对激光器进行温控和光控等控制技术，以减小和消除激光器频率漂移和功率漂移对测量精度的影响。5 光机电一体化的系统结构系统包括分布式光纤温度传感系统主机，控制电脑，光纤切换器，若干特定掺杂多模温度传感光纤等。 若干条特定掺杂多模温度传感光纤轮换扫描，它们的另一端统一接入光纤切换器。光纤切换器一方面与计算机接入，又计算机控制选取光纤，另一方面与温度传感系统主机接入，又主机采集此时正选取的光纤的温度数据等信息，温度传感系统主机与计算机接入，此计算机也需要与其他计算机连接，当发生温度过限报警时，控制系统将从此系统中采集数据，控制相关装置动作，消除事故。通常某一范围内的电缆需要上千个的取样测温点，所以采取了分布式光纤温度测量系统，保证可以覆盖绝大多数可能发生危险情况的区域，从而保证了电缆的安全性。系统特性优点1 大范围、高密度的分布式温度测量分布式光纤温度测量传感系统可以连续实时测量光纤沿线几公里内各点的温度，定位精度可以达到米的量级，测温精度可达1摄氏度，非常适合用于大范围多点测温的场合。因此这种光纤传感系统在高压、大型发电等环境下应用十分广泛。2 在线自动测量分布式光纤温度测量传感系统由于温度测量不带电，所以不会影响被测对象的电磁工作环境，也不会受到被测对象的电磁干扰，所以能够在设备运行的过程中测温，实时监测电缆及其接头和相关设备的实际温度情况。3 光机电一体化的系统特性光机电一体化是在激光技术与微型计算机为代表的微电子技术迅速发展，向机电工业领域迅猛渗透，与机电技术深度结合的现代工业的基础上，综合应用机械技术，微电子技术，信息技术，自动控制技术，传感控制技术，电力电子技术，接口技术及软件编程技术等群体技术，从系统的观点出发，根据系统功能目标和优化组织结构目标，在高功能，高质量、高精度、高可靠性、低能耗意义上实现多种技术功能复合的系统工程技术。该系统是光机电一体化的一种应用，省去了大量的人力物力财力资源，在应用中保证了人员的安全，并且可以快速反应，在出现问题时可以在最短的时间内做出较好的处理，争取达到损失最小的目的。造价和估量价值有人提出了新摩尔定律，也叫做光学定律（Optical Law）。该定律指出，光纤传输信息的带宽，每6个月增加1倍，而价格降低1倍。由于制作光纤的材料(石英)来源十分丰富，随着技术的进步，成本还会进一步降低，而且目前光纤的造价也并不昂贵，最普通的光纤一米大概在人民币十元左右；而电缆所需的铜原料有限，价格会越来越高。显然，今后光纤传输将占绝对优势。该系统的其他组成部分，如控制电脑、系统主机等，在硬件要求上并不是太高，在软件要求上会需要专门的信息处理软件，因此软件开发的费用会比较高，也需要定期的系统维护，但由于其使用寿命长、节省了人力方面的资金消耗等原因，该系统显然是值得推广和应用的。结语分布式光纤传感器从最初提出的基于OTDR的瑞利散射系统开始 ,经历了基于 OTDR 的拉曼散射和基于 OTDR 的布里渊散射系统 ,使得测温精度和范围大幅提高。已经显示出了很大的优越性 ,但它们离工业实用化还有很长的一段距离。光纤本身具有本质安全和抗电磁干扰的特性 ,可广泛地使用在具有防爆、 防燃、 耐腐蚀、 抗电磁干扰等场所。采用光纤后向散射技术实现了真正意义上的分布式光纤传感器系统。可进行空间温度场的测量和定位,并可与计算机联网 ,进行远程控制和自动超温报警。 光纤传感器取代传统传感器是一个发展趋势 ,同时 ,分布式光纤传感器也是智能复合材料等领域的研究基础 ,它们的发展不断向光纤传感器提出新的要求 ,这也促使光纤传感器不断向前发展。参考文献：【1】Dakin J P, Prattm J,Bibby GW, et al . Distributed op tical fiber temperature sens or using a semiconduct or light s ource detector J . E2 lectron Lett, 1985, 21 (13) : 5692 570.【2】Hart og A. Distributed fibre2 op tic temperat