【文章內(nèi)容簡介】 以拉曼與瑞利散射相比相當(dāng)弱，大約低 30dB。拉曼散射光子的頻率既可向低處移動 (斯托克斯頻移 )，產(chǎn)生的斯托克斯散射光比入射光波長長 :1/ s=1/ v???? ； 也可以向高處移動 (反斯托克斯頻移 )，產(chǎn)生的反斯托克斯散射光比入射光波長短 : 1/ 1/ +av????。其中 ? 為 入射光波長， v? 為拉曼 頻移 。因此拉曼散射在頻譜上，是由位于瑞利散射兩旁的、 對應(yīng)的斯托克斯和反斯托克斯譜線組成 。在頻譜上，拉曼散射光子分為斯托克斯和反斯托克斯光子。 斯托克斯散射光子頻率為 : Vs Vo v? ?? (23) 反斯托克斯散射光子頻率為 : +Va Vo v?? (24) 式中 v? 為光纖分子的振動頻率，聲子的振動頻率 1 .3 2 1 0 1 3v x Hz? ? ?。 分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)能在整個連續(xù)的光纖長度上以距離的連續(xù)函數(shù)形式測量出沿光纖長度變化各點(diǎn)的溫度。分布式光纖溫度傳感器重要的是要解決對攜帶溫度信息的光信號的識別和位置的確定。基于背向散射光的溫度效應(yīng)，溫度解調(diào)可以采用多種方法。根據(jù)所需 信號通道的個數(shù)，可以分為單通道方式和多通道方式 。 一 、 單通道方式 這種設(shè)計應(yīng)用只檢 測包含溫度信號的斯托克斯或反斯托克斯散射光。由于斯托克斯散射光對溫度不敏感，實(shí)際上主要是檢測反斯托克斯散射光。實(shí)現(xiàn)原理如圖 21所示。 激光器發(fā)激光脈沖，經(jīng)藕合器進(jìn)入傳感光纖，帶有溫度信息的背向散射光再經(jīng)藕合器到波分復(fù)用器，分離反托克斯信號，對其放大、運(yùn)算和處理，得到各測量點(diǎn)溫度信息。 8 圖 21單通道溫度測量系統(tǒng) 二 .雙通道方式 由于單通道測量系統(tǒng)易受到環(huán)境干擾，給測量帶來誤差。實(shí)際測量中常采用雙通道方式 消除干擾。一般采用敏感的反斯托克斯散射光作為信號通道，對溫度不敏感的瑞利散射光或斯托克斯散射光作為參考通道，通過分別測量它們的光強(qiáng)度并相比較來解調(diào)溫度信息。系統(tǒng)原理如圖 22所示。 雙通道測溫系統(tǒng)工作過程與單通道系統(tǒng)類似，但背向散射光經(jīng)波分復(fù)用器后被分離為兩路信號，一路為反斯托克斯散射光，送往信號通道進(jìn)行放大、處理 。另一路為斯托克斯散射光或瑞利散射光，送往參考通道進(jìn)行放大、處理，最后通過兩路信號的比較得到被測量溫度信息。 用瑞利光解調(diào)反斯托克斯光的方法比用斯托克斯光解調(diào)反斯托克斯光的相對溫度靈敏度 高。實(shí)際應(yīng) 用中，瑞利光和反斯托克斯光兩者強(qiáng)度差別太大，會給數(shù)據(jù)處理帶來一定的影響。但是其好處是可以省去一個濾光片和一個 ADP，經(jīng)濟(jì)上具有競爭優(yōu)勢 。 基于背向拉曼散射的分布式光纖溫度測量系統(tǒng)的分析方法有兩種 :一種是時域分析，即光時域背向拉曼散射分布式光纖傳感器 (ROTDR)。一種是頻域分析，即光頻域背向拉曼散射分布式光纖傳感器 (ROFDR)。其中 ROTDR是現(xiàn)在實(shí)用普遍采用的方法，而 ROFRD在 1998年由 Mostafa Ahangrani Farahani和 Torsten Gogolza提出， 由于可以降低噪聲、獲得高 的信噪比、測試時間短，和 ROTRD相比有明顯的優(yōu)勢，目前也是LD 雙向耦合器 波分復(fù)用 信號放大 光電轉(zhuǎn)換 信號處理 計算機(jī) 光纖 9 很多人研究的熱點(diǎn)。但由于其存在光源的相干性，它將調(diào)制接收到的頻譜，從而使要觀察的散射信號的空間變化產(chǎn)生畸變， 應(yīng)用因此受到限制 。 圖 22雙通道溫度測量系統(tǒng) 現(xiàn)在分布式光纖測量溫度的理論已經(jīng)比較成熟，已經(jīng)進(jìn)入實(shí)用化階段。但國內(nèi)各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)與國外還有差距。當(dāng)前，光纖傳感領(lǐng)域的發(fā)展可分為原理性研究與應(yīng)用開發(fā)兩大方向。隨著光纖技術(shù)的日趨成熟，對光纖傳感系統(tǒng)的實(shí)用開發(fā)成為整個領(lǐng)域發(fā)展的熱點(diǎn)和關(guān)鍵，但 光纖傳感技術(shù)的原理性研究仍然相當(dāng)重要。 分布式光纖溫度測量 在礦山、港口和碼頭中，皮帶傳輸線是基本的運(yùn)輸工具，煤炭、礦石等的運(yùn)輸基本上由其完成。具有工作現(xiàn)場環(huán)境惡劣，灰塵大，路線長，野外溫度變化大等特點(diǎn)，使得維修、保養(yǎng)困難，很難預(yù)測故障的發(fā)生點(diǎn)。在皮帶傳輸過程中，如果支撐皮帶傳輸?shù)耐休伆l(fā)生故障時，其不隨皮帶傳輸轉(zhuǎn)動，會導(dǎo)致托輥外表面與傳輸皮帶發(fā)生摩擦產(chǎn)生極高的熱量，進(jìn)而引起火災(zāi)，造成重大損失。因此需要對皮帶傳輸線實(shí)施可靠的火災(zāi)在線監(jiān)測，以確保礦山、港口、碼頭的正常運(yùn)營，保障國家財產(chǎn)和生命安全。同時如果 能夠在皮帶長廊作業(yè)工程中，通過實(shí)時在線監(jiān)測每一個托輥的軸溫，來判斷每個托輥的好壞，將具有更加重要的意義，可以在火災(zāi)發(fā)生前早早的預(yù)知和預(yù)報，及時處理，人為避免火災(zāi)的出現(xiàn)。此外，通過這種實(shí)時監(jiān)測，可以充LD 信號放大 波分復(fù)用 雙向耦合器 光電轉(zhuǎn)換 光電轉(zhuǎn)換 信號放大 信號處理 計算機(jī) 光纖 10 分的挖掘每個托輥的使用周期極限，減少維修成本。由于一般傳輸線都很長，托輥數(shù)量眾多，所以傳統(tǒng)的檢測設(shè)備是很難完成對如此長距離、測量點(diǎn)眾多的檢測任務(wù)的。 為保證設(shè)備正常安全工作，需要對設(shè)備運(yùn)行的工況進(jìn)行監(jiān)測。由于皮帶傳輸線近 1000米，托輥非常多，而且是轉(zhuǎn)動的，在加上相應(yīng)的驅(qū)動電機(jī)、翻斗車等設(shè)備，檢測點(diǎn)有數(shù)千個。對如 此長距離的大量測試點(diǎn)進(jìn)行溫度檢測來實(shí)現(xiàn)對故障的預(yù)警，傳統(tǒng)的點(diǎn)式溫度傳感器無論從成本、安裝和實(shí)現(xiàn)都是很困難的。 本課題利用分布式光纖溫度測量系統(tǒng)監(jiān)測碼頭的傳輸帶的火災(zāi)情況，同時也將擴(kuò)展到皮帶傳輸線托輥和主轉(zhuǎn)軸軸溫測量和驅(qū)動裝置的關(guān)鍵部位的溫度測量。分布式光纖溫度測量系統(tǒng)的測量部分是光纖，完全無源，自身不會引起危險和爆炸，而且一根測試光纖可以測量數(shù)公里溫度點(diǎn)，節(jié)省了大量點(diǎn)式測量的傳輸電纜，這對監(jiān)測運(yùn)輸易燃易爆的物質(zhì)的傳輸線非常有意義。由于一根光纖即作為傳感器又作為傳輸介質(zhì)，現(xiàn)場的安 裝維護(hù)非常方便。 系統(tǒng)組 成及技術(shù)指標(biāo) 分布式光纖溫度傳感器可以在整個光纖長度上以距離的連續(xù)函數(shù)形式傳感出被測參數(shù) (溫度 )隨光纖長度的變化。分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)由主機(jī)、傳感光纖、溫度處理和顯示報警軟件等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 23所示。 LD 驅(qū)動器 激光二極管 波分復(fù)用器 雙向耦合器 APD APD 放大器 放大器 A/D A/D 計算機(jī) 同步 數(shù)字信號處理 光纖 11 圖 23分布式光纖測溫系統(tǒng)原理框圖 由于拉曼散射信號非常微弱，而且隨傳感光纖長度的增加，信號衰耗會加大。為保證測量空間分標(biāo)率等指標(biāo)要求，光源部分要產(chǎn)生脈寬很窄的大功率光脈沖輸入到傳感光纖中。光發(fā)射部 分主要由激光器設(shè)計及大電流窄脈沖的驅(qū)動電路設(shè)計等問題 。 分布式光纖傳感器器件分析 （ 1） 激光器 激光器的發(fā)展促進(jìn)了光纖傳感技術(shù)在工程方向的應(yīng)用。激光 (Laser)的含義是光的受激發(fā)射放大。激光器既可以工作在連續(xù)狀態(tài)下，又可以工作在具有短暫輸出特性的脈沖模式狀態(tài)下。根據(jù)工作方式的不同，激光器的輸出功率也不同，小至微瓦級，大至兆瓦級。激光的窄脈沖特性 (如可發(fā)出小于十億分之一秒持續(xù)期的脈沖 )，尤其適用于光纖飛行時間測量系統(tǒng)或光纖連接間隙測量系統(tǒng)。在光纖傳感器的應(yīng)用中，選擇激光器時主要考慮以下因素 :價格、物 理尺寸、激光的工作溫度和激光材料的壽命等。半導(dǎo)體激光器由于其體積小、價格低、高效率而獲得廣泛應(yīng)用。 根據(jù)泵浦光持續(xù)時間 (激光脈沖寬度 )決定了一個空間分辨率指標(biāo) (其它如光探測器響應(yīng)時間和 A心轉(zhuǎn)換時間也影響空間分辨率 )。所以，要縮小空間分辨率，就要使發(fā)射的激光脈沖要窄，如在普通多模光纖中， v=，要達(dá)到 1米的空間分辨率，則脈沖寬度應(yīng)滿足 10t ns?? 。但為獲得長的測量距離，就要發(fā)射大的激光功率。所以，要根據(jù)系統(tǒng)測量長度和空間分辨率指標(biāo)要求來確定激光發(fā)射 的脈沖寬度和功率大小。 實(shí)際上，當(dāng)光在光纖中傳輸時，由于色散現(xiàn)象，脈沖寬度會展寬，從而降低系統(tǒng)的空間分辨率。當(dāng)測試距離較長時，展寬現(xiàn)象會比較明顯，這時應(yīng)減少輸入光脈沖寬度，以保證在測量范圍內(nèi)的空間分辨率指標(biāo)。一般測量系統(tǒng)指標(biāo)也以量程最遠(yuǎn)端為準(zhǔn)，這時近端指標(biāo)會好一些。 （ 2） 光探測器和接受器 在大多數(shù)光纖傳感系統(tǒng)中，光信號的某些參數(shù) (如溫度 )由被測量調(diào)制，然后再恢復(fù)出來。盡管傳感機(jī)理是光學(xué)式的，但必須把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栆员闾幚?、記錄和顯示。把光信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栠@一過程由光探測器來完成?；镜墓馓綔y器只 12 能產(chǎn)生 低量級的電信號，為實(shí)現(xiàn)進(jìn)一步處理，必須對該電信號進(jìn)行放大。一個光電探測器及其相應(yīng)的放大電路統(tǒng)稱為接收器。 光纖系統(tǒng)的類型不同，它所采用的光探測器也不相同。最基本的要求是光信號到電信號的轉(zhuǎn)換，理想情況下這種變換呈線性關(guān)系。此外需要滿量程范圍內(nèi)具有足夠的靈敏度 ,在特殊應(yīng)用中應(yīng)具有一個合適波長帶寬以覆蓋所要求的調(diào)制范圍。 要完成光纖傳感的光電變換，根據(jù)應(yīng)用技術(shù)的不同主要采用兩類光探測器 :熱電探測器和光電探測器。在熱電探測器中，光輻射引起探測器溫度上升，從而使與溫度有關(guān)的電物理量發(fā)生變化，反映的是入射光的能量或功率 與輸出電量的函數(shù)關(guān)系。因?yàn)闇囟壬呤且环N積累的過程，與入射光子能量大小有關(guān)。所以探測器對光譜的響應(yīng)沒有選擇性，即從可見光到紅外波段均可響應(yīng)。在光電探測器中，光吸收過程直接由某種光量子作用產(chǎn)生，光子探測器的輸出由光量子的吸收率決定，而不是由光量子的能量來決定。為了產(chǎn)生這種光子吸收作用，光子能量需要具有某一最小值。因?yàn)閱蝹€光子能量 =/E hv hc ?? ，所以光子探測器對波長響應(yīng)有閡值特性。閩值波長是光子探測器吸收光子的最大工作波長，超過 這個波長的光對其不起作用。 沒有 好的光電探測器，光纖傳感器不會有好的特性。探測器和接收器限制了整個系統(tǒng)的分辨率 。 一個光電探測器及其相應(yīng)的放大電路統(tǒng)稱為接收器，其完成從光信號到標(biāo)準(zhǔn)電信號的轉(zhuǎn)換過程，使測量信號可以在數(shù)據(jù)處理部分進(jìn)行加工、處理。 在高靈敏度應(yīng)用時，雪崩光電二極管 (APD)提供了一個低噪聲增益結(jié)構(gòu)，它所具有的高性能及適中的價格，使其在光纖傳感領(lǐng)域中應(yīng)用前景廣闊。普通的硅光電二極管和 PIN光電二極管是沒有內(nèi)增益的光伏探測器，而在分布式光纖測量系統(tǒng)中，是對微弱的拉曼散射光信號進(jìn)行探測，采用具有內(nèi)增益的光探測器將有助于對微弱光信號的探 測。雪崩光電二極管是具有內(nèi)增益的光伏探測器。它是利用光生載流子在高電場區(qū)內(nèi)的雪崩效應(yīng)而獲得光電流增益的，具有靈敏度高、響應(yīng)快等優(yōu)點(diǎn)。在外加反向偏壓比較低時與普通光電二極管一樣，當(dāng)外加反偏壓達(dá)到一定值、使結(jié)區(qū)電場足夠高時，光生載流子在漂移過結(jié)的過程中與束縛電子 (價電子 )發(fā)生碰撞電離，從而產(chǎn)生附加載流子。而附加載流子進(jìn)一步在高電場中獲取能量，動能增加足以再次發(fā)生碰撞電離。如此循環(huán)，致使載流子數(shù)得到雪崩式增加，從而使輸出光電流得到 M倍增益。 雪崩光電二極管的電流增益用倍增因子 M表示，通常定義為倍增的光電流 I1與不 發(fā)生倍增 (雪崩 )效應(yīng)時的光電流 I0之比。倍增因子與 NP結(jié)上所加的反向偏壓 V和 PN 13 結(jié)的材料有關(guān)，可以表示為 : 101=1iMi ? ? nBV（ ）V （ 25） 式中， VB為擊穿電壓 。V為外加反向偏壓 :n為 l3，取決于半導(dǎo)體材料、摻雜分布以及輻射波長。所以，當(dāng)外加電壓 V增加到接近 VB時， M將趨近于無窮大，此時 PN結(jié)將發(fā)生擊穿。應(yīng)用中，最佳工作電壓不宜超過冷，否則會不穩(wěn)定進(jìn)入擊穿 。也不宜太小，會無雪崩倍增效應(yīng)。而且，雪崩光電二極管的擊穿電壓 VB與器件的工作溫度有關(guān)。當(dāng)溫度升高時，擊穿電壓會增大。因此，為得到同樣的增益系數(shù)，不同的工作溫度就要加不同的反向偏壓。雪崩光電二極管的反向工作偏壓通常略低于 PN結(jié)的擊穿電壓。無光照時， PN結(jié)不會發(fā)生雪崩效應(yīng) 。只有當(dāng)外界有光照時，激發(fā)出的光生載流子才能引起雪崩效應(yīng)。若反向偏壓超過器件的擊穿電壓，器件將無法工作，甚至擊穿燒毀。 使用雪崩光電二極管的要點(diǎn)就是要根據(jù)實(shí)際使用情況，選取最佳偏置電壓，使管子工作在最佳倍增因子狀態(tài)。所謂最佳倍增因子就是系統(tǒng)得到最大信噪比時所對應(yīng)的倍增因子 。 14 第 3 章分布式光纖溫度傳感 數(shù)據(jù)處理 技術(shù) 分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的同步控制單元控制脈沖驅(qū)動電路產(chǎn)生一電流脈沖，該脈沖驅(qū)動半導(dǎo)體激光二極管產(chǎn)生光脈沖注入到激光器尾纖中，從激光器尾纖輸出的光脈沖經(jīng)過光路禍合器再進(jìn)入傳感光纖。光在光纖中發(fā)生散射后其攜帶有溫度信息的拉曼后向散射光返回到定向禍合器，定向禍合器不但可以將發(fā)射的光直接禍合進(jìn)光纖，而且可以將散射回的不同于發(fā)射波長的拉曼散射光禍合至分光器。分光器由兩個不同中心波長的光濾波器組成，過濾的兩路斯托克斯和反斯托克斯光通過濾光片后進(jìn)入光電檢測器，在 ADP的作用下轉(zhuǎn)換為電信號 ，再通過放大、濾波和 A/D轉(zhuǎn)換等處理后，送入數(shù)據(jù)處理單元 (計算機(jī) )進(jìn)行數(shù)據(jù)處理并以圖、表等形式直觀的顯示溫度場的詳細(xì)信息。通過將測量控制等單元放在一個工控機(jī)箱內(nèi)，由計算機(jī)軟件完成系統(tǒng)功能，實(shí)現(xiàn)了一個虛擬儀器設(shè)計應(yīng)用。 整個系統(tǒng)包括主機(jī) (光發(fā)射部分、光接受部分 )、傳感光纖、數(shù)據(jù)處理部分和上位機(jī)管理等模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，包括光、機(jī)、電子和計算機(jī)軟硬件等多方面的知識。一個性能優(yōu)良的系統(tǒng)，也就是