【正文】 成網(wǎng)第2章 光纖溫度傳感的理論基礎光纖溫度傳感器是上世紀70年代發(fā)展起來的一門新型的測溫技術。它基于光信號傳送信息，具有絕緣、抗電磁干擾、耐高電壓等優(yōu)勢特征。在國外，光纖溫度傳感器發(fā)展很快，形成了多種型號的產品，并已應用到多個領域，取得了很好的效果。國內在這方面的研究也如火如荼，多個大學、研究所與公司展開合作，研發(fā)了多種光纖測溫系統(tǒng)投入到了現(xiàn)場應用。按工作原理分，光纖溫度傳感器可分為功能性和傳輸型兩種。功能型溫度傳感器中光纖作為傳感器的同時也是光信號的載體，而傳輸型溫度傳感器中光纖則只傳輸光信號。目前主要的光纖溫度傳感器包括分布式光纖溫度傳感器、光纖光柵溫度傳感器、光纖熒光溫度傳感器、干涉型光纖溫度傳感器等。其中應用最多當屬分布式光纖溫度傳感器與光纖光柵溫度傳感器。1）分布式光纖溫度傳感器分布式光纖傳感器最早是在1981 年由英國南安普敦大學提出的。激光在光纖傳送中的反射光主要有瑞利散射（Rayleigh scatter）、拉曼散（Ramanscatter）、和布里淵散射（Brillouin scatter）三部分，如圖所示。分布式光纖傳感器經(jīng)歷從最初的基于后向瑞利散射的液芯光纖分布式溫度監(jiān)控系統(tǒng)，到電力系統(tǒng)保護與控制基于光時域（OTDR）拉曼散射的光纖測溫系統(tǒng)，以及基于光頻域拉曼散射光纖測溫系（ROFDA）等等。目前其測量距離最長可達30 km，℃， m，℃左右。目前，分布式光纖溫度傳感器主要基于拉曼散射效應及光時域反射計(OTDR)技術實現(xiàn)連續(xù)分布式測量，如York Sensa、Sensornet 等公司產品?；诓祭餃Y散射光時域及光頻域系統(tǒng)也是當前光纖傳感器領域研究的熱點，LIOS、MICRION OPTICS等公司已有相應的產品。2）光纖光柵點式溫度傳感器光纖光柵溫度傳感器是利用光纖材料的光敏性在光纖纖芯形成的空間相位光柵來進行測溫的。光纖光柵以波長為編碼，具有傳統(tǒng)傳感器不可比擬的優(yōu)勢，已廣泛用于建筑、航天、石油化工、電力行業(yè)等。光纖光柵溫度傳感器主要有Bragg 光纖光柵溫度傳感器和長周期光纖光柵傳感器。Bragg 光纖光柵是指單模摻鍺光纖經(jīng)紫外光照射成柵技術而形成的全新光纖型Bragg 光柵，成柵后的光纖纖芯折射率呈現(xiàn)周期性分布條紋并產生Bragg 光柵效應，其基本光學特性就是以共振波長為中心的窄帶光學濾波器，滿足如下光學方程：λb = 2nΛ （1）式中：λb為Bragg 波長；Λ 為光柵周期；n 為光纖模式的有效折射率。長周期光纖光柵是一種特殊的光纖光柵，其傳光原理是將前向傳輸?shù)幕ｑ詈系角跋騻鬏數(shù)陌鼘幽Ｖ?。由于其寬帶濾波、極低的背景發(fā)射等特點引起人們的重視，是一種新型的寬帶帶阻濾波器。光通過介質時由于入射光與分子運動相互作用而引起的頻率發(fā)生變化的散射稱為拉曼散射。這是1928年印度物理學家C．V拉曼在氣體和液體中觀察到散射光頻率發(fā)生改變的現(xiàn)象。激光器在驅動電源控制下經(jīng)過定向耦合器向傳感光纖注入一系列窄脈沖，而傳感光纖敷設在待測溫度場內，窄脈沖在光纖傳輸過程中發(fā)生的非線性效應，產生拉曼散射。經(jīng)過大量的研究和實踐證明，光纖中接收到的拉曼散射光的兩種光，即反斯托克斯和斯托克斯光強指標能夠反應被測點的溫度，并且根據(jù)接收到反斯托克斯光的時間來確定位置，這樣，就可以通過一根光纖來實現(xiàn)整條光纖上的溫度分布的測量了。大量試驗發(fā)現(xiàn)，測量溫度是根據(jù)一個光強的比值，這其中，反斯托克斯散射光對溫度敏感，而斯托克斯散射光則受溫度影響極小，因此，以反斯托克斯光作為信號通道，所以，我們以斯托克斯光作為參考通道，測量反斯托克斯光，得到比值量，計算出溫度信息。因為斯托克斯光和反斯托克斯光是在同一條光纖中傳遞，所以有效地消除了光源的不穩(wěn)定因素，并且由于光纖接頭、耦合、傳輸和彎曲等因素造成的損耗。這就是拉曼散射的優(yōu)點了，損耗低，測量距離長，測量值只與測量溫度有關。RT=IasIs=(vasvs)4exp?(hv0KT)此式說明了溫度和反斯托克斯光與斯托克斯光光強比值的關系，其中Ias,vas表示反斯托克斯光強和頻率表示斯托克斯光強和頻率，h，v。，K分別為普朗克常數(shù)，瑞利散射光頻率和玻爾茲曼常數(shù)，丁為被測點絕對溫度值。結合本設計的需要，選定拉曼散射為本設計的測量基礎，下面對此進一步說明。拉曼散射的原理為我們的分布式光纖溫度測量提供了理論依據(jù)，在此基礎上，我們可以通過進一步的對光纖，光源以及處理部分進行設計和調試，最后研發(fā)出我們需要的產品。當然，拉曼散射也是一個比較復雜的理論這里我們先介紹一下拉曼散射的理論基礎，后面再針對具體應用進行更詳細的說明。 拉曼散射的基本原理在任何分子介質中，自發(fā)拉曼散射將一小部分(一般約為106)入射功率由一光束轉移到另一頻率下移的光束中，頻率下移量由介質的振動模式?jīng)Q定，此過程稱為拉曼效應。激發(fā)光子在光纖中與光纖分子發(fā)生碰撞作用，而這種碰撞又分為彈性和非彈性兩種，經(jīng)過彈性碰撞，光子與光纖分子間不斷發(fā)生能量的交換，能量的交換改變了光子運動的方向，在非彈性碰撞中，能量的交換則體現(xiàn)在光子吸收或釋放聲子，在平率上就表現(xiàn)為斯托克斯散射光子和反斯托克斯散射光子。能量在轉換中可以用分子能級圖來表示，即圖2—2中，兩條黑實現(xiàn)表示E1，E2兩個分子振動的能級，上面兩條虛線為兩個虛態(tài)。兩個能級之間能量差為hc?γ，也就是E1E2=hc?γ。當注入光纖的激光頻率為γ0時，每個光子的能量為hcγ0這里有兩個跳變產生，一是分子從E1激發(fā)到E1+hcyo，最終要跳回到E2(E2=E1+hc?γ)，這時就會有頻率為γ0—?γ的光子散射出來，這就是斯托克斯光，也稱斯托克斯散射；相反的，分子從E2激發(fā)到E2+hcγ0，最后跳到了E1(E1=E2hc?γ)，這時候同樣有頻率為γ0+?γ的光子散射出來，這就是反斯托克斯光了，也稱反斯托克斯散射。上面所說兩種激發(fā)都能發(fā)生，但是由于絕大多數(shù)分子在初始狀態(tài)下均處于E1能級，少數(shù)受到激發(fā)進入到E2能級，所以，在拉曼散射中，發(fā)生斯托克斯散射的幾率要比發(fā)生反斯托克斯散射幾率高ehvkT倍。經(jīng)研究得到，發(fā)生反斯托克斯和斯托克斯散射的幾率分別為W?Ωas=?ΩN2c(dσdΩ)asN1 W?Ωσ=?ΩN1c(dσdΩ)sN1通過研究各種光纖發(fā)現(xiàn)，激光進入到光纖后，在發(fā)生反射和折射的同時，也發(fā)生散射，在散射的信號中，既有頻率不變的銳利散射，還有其他頻率的散射。在這些散射中，我們把低于和高于入射光頻道的光分別稱為斯托克斯光和反斯托克斯光，這是我們主要研究的。在正常的拉曼散射光中，以注入的入射光為標準，斯托克斯光強會比入射光小約六個量級，而反斯托克斯光強則會比入射光小約七個量級。在經(jīng)典理論當中，自發(fā)拉曼散射認為是注入光纖的泵浦光具有電磁波功效，而電磁波的電磁作用使光纖里的微粒——介子分子或原子內的電子發(fā)生位移或振動，雖然這種振動或位移很小，但會產生感應的電極化。正是由于這種電極化的作用，使得注入光纖的激光頻率發(fā)生變化，導致了斯托克斯和反斯托克斯散射。對于拉曼散射中的受激分子來說，我們可以給出其運動方程d2x(z,t)dt2+γdx(z,t)dt+ω02x(z,t)=F(z,t)m式中x（z，t）——分子相對于勢能最低點的偏離 ω0——分子的振動頻率 m——分子的質量 γ——分子的阻尼系數(shù) F（z，t）——作用場的外部作用力用級數(shù)展開分子的極化率為αx=a0+(?α?x)0x+12!(?2α?x2)0x2+…+1n!(?nα?xn)0xn+…進行近似處理得到介電常數(shù)的表達式又有ε=ε01+Nαx=ε0{1+N[α0+K=1n1k!(?kα?xk)0xk]}綜合幾個式子，得到了作用力為Fz,t=1N?ξ?x=12ε0k=1n1k1?kα?xk0xk1E2(z,t)前面我們分析過，發(fā)生斯托克斯和反斯托克斯散射光的幾率相差很多，這種情況也導致處于初始狀態(tài)的分子在吸收光子后，就會產生不同的輻射躍遷，導致最終的能量狀態(tài)也是不同的。的產生自發(fā)拉曼散射中斯托克斯和反斯托克斯的產生幾率當分子始態(tài)處于不同能態(tài)時，吸收外場光子后產生的輻射躍遷后所處的終態(tài)也是不同的。各種粒子都符合波爾茲曼分布律，下式可以表示其各種狀態(tài)分布。N2N1=ehvMKT式中N1——在基態(tài)上的振動粒子數(shù) N2——在激發(fā)態(tài)上振動的粒子數(shù) vM——分子振動的頻率在發(fā)生拉曼散射時，處于基態(tài)的二氧化硅分子密度決定了斯托克斯光的光強度，而處于激發(fā)態(tài)的二氧化硅分子的密度決定反斯托克斯光的光強度。經(jīng)研究發(fā)現(xiàn)，二氧化硅分子的密度服從波爾茲曼因子分布，即ρ∝exp?（E/KT）式中k——波爾茲曼常數(shù)T——測量換進的絕對溫度E——粒子的運動能量這個結果也說明了在自發(fā)拉曼散射中，較少的激發(fā)態(tài)二氧化硅粒子導致了反斯托克斯光是比較微弱的。根據(jù)前面一系列的條件，著名科學家D．L．Long經(jīng)過大量研究和嚴密的理論推導分別推算出了反斯托克斯散射和斯托克斯散射光強的大小。即 ias=N0γas4(ehc?γkT1) is=N0γs4(1ehc?γkT) 其中γas——反斯托克斯光波數(shù) γs——斯托克斯光波數(shù) ?γ——拉曼頻移T——被測環(huán)境的絕對溫度這兩個式子都是包含有溫度的信息，其中N0是一個由材料等因素確定的常量，不與溫度有關。對上面兩個式子進行比值處理，得到RT=(γsγas)4ehc?γkT這個就是我們測量的一個理論基礎了，即溫度與光強之比的關系，在這個關系中我們發(fā)現(xiàn)激光的功率和頻率等都與此無關，這也是我們想要的。這個關系也不會和光纖的長度長短而有關，現(xiàn)假設一個長度為dz，則其光強之比仍為SasdzSsdz=SasSS=R(T)其中Sas——反斯托克斯光散射系數(shù)Ss——斯托克斯光散射系數(shù)上面的論述更說明了一個重要的問題，也就是選取反斯托克斯與斯托克斯光強的比值作為我們測量的與溫度有關的量，而不是其中一個，其作用就在于光纖當中如果出現(xiàn)損耗，干擾等情況的時候，反斯托克斯與斯托克斯光都會受到相同的影響，這樣在比值中，這種影響就相互抵消了，所以它在根本上消除了非溫度因素造成的測量值的變化。我們再來研究(2—13)和式(214)，把它們分別對溫度求微商，得到dias=N0hc?γγas4KT2(ehc?γKT1)2ehc?γkTdT dis=N0hc?γγs4KT2(ehc?γKT1)2ehc?γkTdT再把兩組式子分別求比值，得到diasias=hc?γKT2(ehc?γKT1)2ehc?γkTdT disis=hc?γKT2(ehc?γKT1)2dT到這里，我們可以得到結論，溫度既影響斯托克斯光，也影響反斯托克斯光，但反斯托克斯光的溫度敏感性要比斯托克斯光高出e hc?γkT倍，這是一個很大的數(shù)字，這也就導致了在實際應用中，我們基本都是采用依靠反斯托克斯光來作為敏感信號來測量溫度的原因。 受激拉曼散射前面我們研究自發(fā)拉曼散射是在一種熱平衡的條件下進行的，但是輸入光的光功率提高的時候，照射到的介質會出現(xiàn)受激性質的散射，這種現(xiàn)象稱為受激拉曼散射現(xiàn)象。受激拉曼散射與自發(fā)拉曼散射比較有如下特點：1)與自發(fā)拉曼散射的光束沒有方向性相比，受激拉曼散射光束則具有極好的方向性。2)自發(fā)拉曼散射的發(fā)生跟入射光功率無關，而受激拉曼散射的發(fā)生必須是在入射光的功率達到一定的閾值。這就對激光的強度有很大的要求。3)受激拉曼散射光的功率很強。這導致了受激拉曼散射的非線性特性，并且其功率都轉換為了拉曼散射的功率，這跟自發(fā)拉曼散射很不同，這也就是白發(fā)拉曼散射是線性的原因。在受激拉曼散射的時候，由于光纖分子的熱平衡被破壞，隨著測量激光在光纖中的傳輸，大量的斯托克斯粒子由低能態(tài)接收到能量，躍遷到高能態(tài)，激光經(jīng)過整條光纖后，使得光纖中躍遷到高能態(tài)的斯托克斯粒子迅速增加，并逐漸超過低能態(tài)上的粒子數(shù)，這時，能級之間的跳變所產生的斯托克斯散射就不是前面我們所分析的了，即不符合玻爾茲曼分布規(guī)律了。這時候，可以用耦合波理論進行推到，得出R=3ωs24c2ks2=χs+χNKEL(0)/ΔK這種情況下，我們就發(fā)現(xiàn)R不是由溫度的高低來決定的了，所以，受激拉曼散射不能用來測量溫度，我們在測溫過程中也不能產生受激拉曼散射。綜合上面幾個特點，我們在應用的時候應注意，我們要利用自發(fā)拉曼散射，避免受激拉曼散射。所以，在系統(tǒng)中，我們要嚴格控激光器的強度，使注入光纖的光功率小于閾值功率。 本章小結本章從光纖測溫中應用入手，確定與本設計使用的方案，即分布式拉曼散射。在得到拉曼散射測量溫度的原理后，繼續(xù)討論拉曼散射中自發(fā)拉曼散射和受激拉曼散射兩種情況，介紹各自的原理以及測量中的作用，確定了自發(fā)拉曼散射是我們需要測量的結果，溫度的變化會作用到反斯托克斯光和斯托克斯光的光強比上，它們有一定的比例關系。但是受激拉曼散射由于需要大功率的激光注入，會破化光纖分子的熱平衡，導致其能級發(fā)生變化，使得測量出現(xiàn)誤差甚至錯誤，所以我們要在測量中避免大功率激光的注入，從而抑制受激拉曼散射的發(fā)生。本章還從理論上對于各種散射情況給出了定量的理論分析，找出了光纖作為傳感器的輸入輸出的關系，建立了嚴格的推導過程，為后面的具體應用奠定了基礎。第3章 光纖測溫系統(tǒng)的組成 光纖測溫系統(tǒng)的硬件總體結構 系統(tǒng)的結構及作用過程雙光纖溫度傳感系統(tǒng)的結構如圖所示。本系統(tǒng)主要包括光學部分和信號處理及采集部分。光學部分由兩個分光器、兩個定向耦合器、兩個激光發(fā)射器(同型號)以及激光器的驅動組成，信號處理及采集部分由光電轉換器、低噪聲信號放大、高速數(shù)據(jù)采集模塊等組成?？紤]到要提高測量的精度，本方案采用不同型號的雙光纖并行測量，所以其光學部分