【正文】 以受激斯托克斯光為例，當激光在光纖中傳輸時，泵浦激光功率 、斯托克斯光功率分別為 （ 4— 22） （ 4— 23） 、 分別為 （ 4— 24） （ 4— 25） 式中 —— z=0 處泵浦功率 —— z=0 處斯托克斯光功率 —— 分 別是光纖在泵浦光、斯托克斯光波長上的衰減系數(shù)，且表示為 ? q—— 有效的斯托克斯模數(shù) ， 、 —— 分別對應泵浦和斯托克斯光波數(shù) —— 光纖中光的速度 (c 真空中光速，啊光纖芯折射率 )， A—— 光纖有效截面積 L—— 光纖長度 —— 實驗測得的拉曼功率增益系數(shù) h—— 普朗克常數(shù)。 因此，受激拉曼散射不同于我們利用的自發(fā)拉曼散射，應根據(jù)它具有明顯閾值的特點，在系統(tǒng)中嚴格控制注入光纖的泵浦光功率的大小，使之 小于閩值功率，以抑制光纖受激拉曼散射的產生。受激拉曼散射產生的前提是入射到介質的光功率必須超過某一閩值，而自發(fā)拉曼散射的產生則不論入射到介質的光功率的強弱，總是存在自發(fā)拉曼散射，只不過入射到介質的光強時產生的自發(fā)拉曼散射強，而入射到介質的光弱時產生的自發(fā)拉曼散射弱而已： (4)根據(jù)耦合模式理論，導出受激拉曼散射中反斯托克斯 光波與斯托克斯光波電場強度之比為 （ 4— 21） 式中 —— 斯托克斯頻率 —— 斯托克斯極化率 —— 非共振極化率 —— 動量失配量即 。當受激拉曼散射產生時，受激拉曼散射光束的空間發(fā)散角顯著變小，可與入射光發(fā)散角接近；而自發(fā)拉曼散射無明顯的方向性； (2)受激拉曼散射光的功率很強。 受激拉曼散射的實質是非線性效應的一種。 由式 (4— 13)、 (4— 14)和式 (4— 17)、 (4— 18)可求得斯托克斯光、反斯托克斯光隨溫度變化的相對值，即 (4— 19) (4— 20) 根據(jù)式 (4— 17)和式 (4— 18)，從理論上講，反斯托克斯光、斯托克斯光對溫度的敏感性大致相當，他們均可作為溫敏信號：但式 (4— 19)和式 (4— 20)表明，反斯托克斯光隨溫度變化的相對值較斯托克斯光的大 倍，所以單 靠反斯托克斯光提取溫度信息較單靠斯托克斯光提取容易，這也是實際應用中取反斯托克斯光作溫敏信號而認為斯托克斯光與溫度無關的原因。式 (415)是分布式光纖溫度傳感器的理論依據(jù)。取上述二式之比，有 （ 4— 15） 式中 —— 反斯托克斯與斯托克斯光強之比 —— 反斯托克斯光波數(shù) —— 斯托克斯光波數(shù) c—— 真空中光速 —— 拉曼頻移 h—— 普朗克常數(shù) K—— 波爾茲曼常數(shù) T—— 環(huán)境的絕對溫度 從式（ 4— 15）得到的結論是：自發(fā)拉曼散射中反斯托克斯與斯托克斯光強之比僅是介質所處溫度的函數(shù)，而與注入光源的光功率等其它條件無關。一般情況下，二氧化硅分子密度服從波爾茲曼因子分布 （ 4— 12） 式中 k—— 波爾茲曼常數(shù) T—— 絕對溫度 E—— 運動能量 式（ 4— 12）表明，由于激發(fā)態(tài) E1 的能量高，故處于激發(fā)態(tài) E1 的二氧化硅分 子較處于基態(tài) E2 的二 氧化硅分子少，即自發(fā)拉曼散射中反斯托克斯光較斯托克斯光弱。由此可得斯托克斯和反斯托克斯散射的幾率分別為 （ 4— 10） （ 4— 11） 自發(fā)拉曼散射的強度公式 實際的測量中，直接測量的是散射光的強度。 根據(jù)波爾茲曼分布律，在熱平衡下，介質分子振動基態(tài)和激發(fā)奩的粒子分布為 （ 4— 9） 式中 N1—— 分子振動基態(tài)上的粒子數(shù) N2—— 分子振動激發(fā)態(tài)上的粒子數(shù) —— 分子振動頻率 在常態(tài)下，絕大多數(shù)粒子處于基態(tài)能級上，只有極少數(shù)粒子處于激發(fā)能態(tài)上。而且從分析可以知道斯托克斯散射強度和反斯托克斯散射強度大體相當，這與受激拉曼現(xiàn)象相一致，但試驗表明自發(fā)拉曼散射的反斯托克斯散射比斯托克斯要弱幾個數(shù)量級，由經典理論不能解釋這一現(xiàn)象。整數(shù)倍的旁頻。這種電極化使泵浦光頻率產生變化，產生斯托克斯和反斯托克斯散射。 一般情況下，在光纖的拉曼散射光中，斯托克斯光比入射光小約六個量級，反斯托克斯光入射光小約七個量級。在頻移波數(shù)與入射光波長無關而與組成光纖的二氧化硅結構和運動狀態(tài)有關的十分微弱的拉曼 (Raman)散射光譜中，低于入射光波的頻率分量稱斯托克斯(Stokes)光，高于入射光波的頻率分量稱反斯托克斯 (Anti— stokes)光，圖 描述出了各種散射光 (圖中 是入射光波數(shù) )。 自發(fā)拉曼散射 自發(fā)拉曼散射簡介 在 1923 年， A． Smekal 從理論上預言：當頻率一定的單色光入射到介質以后， 除了產生光的反射和折射外，還會產生散射現(xiàn)象。當能級為 E1 的分子被激光光子激發(fā)到 的虛態(tài)，然后回到能級 ， 散射出頻率為 的光子，這種散射稱為斯托克斯散射；而原來處于能級 E2的 分 子 被 激 光 光 子 激 發(fā) 到 的虛態(tài)，然后回到能級，散射出頻率為 光子，這種散射稱為反斯托克斯散射。光子與分子的相互作用可用分子能級圖來表示，如圖 所示， E1， E2 分別表示分子振動的兩個能級，兩個能級之間相差 ，即 。 激發(fā)光子與光纖分子的相互作用，分為彈性碰撞和非彈性碰撞。對后面在分布光纖溫度傳感器信號處理系統(tǒng)中的研究作了理論上的鋪墊。 拉曼散射原理 光纖中的 Raman 散射理論是一個很復雜的問題，它的研究為分布式光纖溫度傳感器奠定了傳感的理論基礎，對傳感器系統(tǒng)光源的選用、傳感光纖的選取和信號處理系統(tǒng)的設計也都起著非 常重要的作用。以后向 Rayleigh 散射為基礎的光學時域反射(OTDR)法能夠探測出光纖中模式耦合點的位置。因此，實現(xiàn)基于 Rayleigh 后向散射的全光纖的溫度分布系統(tǒng)是很困難的。但是它也約只是入射光的 45dB。在后向散射光中包含有瑞利散射，拉曼散射，布里淵散射。 從已有結果看，用光學反射方法可測量溫度、應變和壓 力等物理量。由式 (42)可知，散射損失 和局部俘獲率 直接影響著信號的大小，局部光纖總損耗系數(shù) 間接地影響著信號的大小。信號包括脈沖沿光纖向前傳輸過程中的散射光和在返回方向上被導向器 (Waveguide)回收的光，它是散射單元 dx 位置 z 的函數(shù)，可表示為 （ 4— 2） 式中 Pj—— 發(fā)射功率 W—— 脈沖寬度 —— 散射波在光纖中的傳播速度 —— 分別為散射損耗和總損耗系數(shù)，是位置 z 的函數(shù) —— 俘獲率，代表光學系統(tǒng)收集到的散射光的比例 俘獲率 可近似地由光纖數(shù)值孔徑 NA 和纖芯折射系數(shù) 的關系式得 出，即 (4— 3) 式 (4— 3)對單模光纖和梯度多模光纖均適合。如光纖有斷裂或接頭，那么與此相對應的后向散射光信號將出現(xiàn)一個突變尖峰。激光脈沖在光纖中所走過的路程可用下式描述 2L=vt (41) 式中： t— 入射光經背向散射返回到光纖入射端所需的時間； v— 光在光纖中傳播的速度 v=C／ n， C 為真空中的光速， n 為光纖的折射率； L 一光纖某處到光纖入射端的距離；在 t 時刻測量到的是離光纖入射端距離為 L 處局域的散射光。當激光脈沖在光纖中傳輸時，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，會產生散射。 當窄帶光脈沖被注入到光纖中時，通過測后向散射光強隨時間變化的關系來檢查光纖的連續(xù)性并測出其衰減。對于較長距離的分布測溫應用，基于散射機理的分 布傳感系統(tǒng)顯示出無比的優(yōu)越性。這種光時域反射技術是用來對光纖通信中光纖電纜故障檢測而創(chuàng)立的，圖 表示了 OTDR 的基本原理。 另外，光纖光柵傳感器相對于其他傳感器還具有抗電磁干擾性強、可應用在惡劣的環(huán)境中、可實現(xiàn)傳輸?shù)蛽p耗的分布式傳感網絡的優(yōu)點，并且光纖光柵溫度傳感器還可以粘貼在變壓器繞組上來測量繞組溫度，這樣不但保證測得的溫度是繞組的溫度，還可以解決埋設傳感器技術復雜、價格昂貴的問題，同時 提高靈敏度和測量精度。光纖傳感器的傳感頭，重量小于 1 公斤。 (3)由光來傳輸信號，抗電磁干擾能力強，避免了由電引起的石油易燃易爆等問題。 (2)測量范圍大，靈敏度高，線性度好，頻率響應范圍寬，測量精度高。光纖傳感器所用材料主要是石英光纖自身就是絕緣體，結構簡單。由光纖光柵組成的傳感器與傳統(tǒng)的電傳感器相比具有以下優(yōu)點。 電力變壓器內部屬于高電壓、強電磁場環(huán)境，若采用常規(guī)的電信號傳感器來測量變壓器內部的溫度（特別是繞組的熱點溫度），如電信號傳感器測量、光纖測溫儀測量和紅外溫度傳感器測量這三種方法都沒有和變壓器繞組真 正接觸，因此測得的溫度不一定是繞組的溫度，將難以滿足要求。另外該方法還需要知道被測物體的發(fā)射率，要保證被測物體的輻射充分抵達紅外探測器，還要盡量消除背景噪聲。大部分電廠和變電站采用的基于電信號傳感器的測溫系統(tǒng)，如電阻溫度計，熱電偶等，這類電信號的傳感器易受電磁干擾，測量效果不是很理想。目前已開發(fā)出一種用于大型變壓器繞組溫度監(jiān)測的新技術， 即將一條光纖嵌入變壓器繞組以便直接測量繞組的實時溫度，從而改進變壓器的預測建模技術，并達到實時監(jiān)測變壓器繞組溫度狀態(tài)的目的。 繞組溫度指示。頻率響應分析法是一種用于判斷變壓器繞組或引線結構是否偏移的有效方法。當變壓器引線接觸不良、過負荷運行等情況時都會引起導電回路局部過熱，鐵芯多點接地也會引起鐵芯過熱。 紅外測溫技術。振動分析法就是一種廣泛用于監(jiān)測這種變壓器故障的有效方法。 PD水平及其增長速率的明顯變化，能夠指示變壓器內部正在發(fā)生的變化或反映絕緣中由于某些缺陷狀態(tài)而產生的固體絕緣的空洞、金屬粒子和氣泡等。 局部放電在線監(jiān)測技術。幾種典型的油中溶解氣體，如 H CO、 CH C2H C2H4和 C2H2，常被用作分析的特征氣體。 油中溶解性氣體分析技術。當變壓器頂層油溫達到 55℃時 ，投入風扇，當油面溫度達到 45℃時，退出風扇。 變壓器冷卻系統(tǒng)的溫度控制及運行溫度 變壓器冷卻系統(tǒng)控制邏輯有 “手動 ”和 “自動 ”兩種方式， “自動 ”方式是指按變壓器頂層油溫控制冷卻 器的啟、停 ,片式、管式散熱器的冷卻器包括風扇電機和油泵電機的控制。 隨著變電站綜合自動化系統(tǒng)的廣泛應用，變壓器溫度測量不僅要有本體溫度的指示，還要有數(shù)據(jù)遠傳到數(shù)百米遠的控制室里在計算機上顯示出來。 標尺指示范圍大，溫度指示控制器分設定溫度指示和實際溫度指示。 壓力式溫控器儀表的特點： 觸點功率大，溫度指示控制器采用功率較大的微動開關，簡化了控制 電路，提高了變壓器運行的可靠性。 同時壓力的變化經機械傳動迫使微動開關動作，輸出信號。 （二） 壓力式溫控器測溫 壓力式溫控器的結構及原理：主要有彈性 元件（波紋管和彈簧管）、毛細管和溫包組成，三部分所構成的密閉系統(tǒng)內充填感溫介質，當被測溫度變化時，溫包內的感溫介質所產生的壓力隨之改變。 電阻與溫度的關系可用下式表示為 Rt = R0〔 1+ a0﹙ t t0﹚〕 Rt 為溫度 t 時的電阻值； R0 為溫度 t0時的電阻值； t0為起始溫度；一般規(guī)定為 0℃； a0 為溫度系數(shù)（以 0℃為起始溫度）。溫度的變化可導致金屬導體電阻的變化。純金屬及多數(shù)合金的電阻率隨溫度升高而增加，即具有正的溫度系數(shù)。 獨立式電阻傳感器的結構：由熱電阻、絕緣套管、保護套管、接線盒及接線盒蓋組成。 （一） 獨立式電阻傳感器測溫 獨立式電阻傳感器測溫主要用于變壓器上層油溫的測量。此外，非接 觸測溫法熱慣性小，可達千分之一秒。 而在溫度測量中主要是可見光和紅外光，因為此類 能量被接收以后，多轉換為熱能，使物體的溫度升高，所以一般就稱為熱輻射。任何物體受熱后都有一部分的熱能轉變?yōu)檩椛淠?，溫度越高，則發(fā)射到周圍空間的能量 就越多。 接觸式的特點是測溫元件直接與被測對象相接觸，兩者之間進行