【正文】 化，就可以知道導(dǎo)致這些光波量變化的物理量的大小，于是出現(xiàn)了光纖傳感技術(shù)。關(guān)鍵詞： 光纖傳感器；分布式；測(cè)溫；拉曼散射；系統(tǒng)硬件；系統(tǒng)軟件AbstractDistributed optic fiber temperature sensor is important to use light to measure the temperature sensors．The principle is based on optical fiber in the backward scattering phenomena and the theory of optical time domain reflect meter，it can in the entire length to the distance as the primary form of continuous function to measure the fiber temperature at various points．The article researches and tests in the following four aspects from theory to practical application：First，it demonstrates the current researches on distributed optical fiber temperature sensor at home and abroad．This research is based on the existing domestic and foreign ponents and manufacturing processes．Through a variety of parison and analysis of the possible technical solutions，it determines the way to detect the optical fiber temperature by contrasting the light intensity between spontaneous Raman scattering and Antistokes among the fiber Bragg grating sensors and a variety of distributed sensors．Second，through the analysis on the relation between Antistokes light and thetemperature in practice，and bining with optical time domain reflectometry techniques，the research established the quantitative description of the spontaneous Raman scattering and stimulated Raman scattering，thus providing a theoretical foundation for appropriate application of the distributed fiberoptic temperature sensor in the system．Third，it designed the overall structure of the system hardware．Taking intoaccount the Raman scattering signal optical power, ambient temperature，light current and dark current and thermal noise and other factors，and bining with the prehensive requirements on working stability, temperature sensitivity, SNR，and several other aspects， this research determines the model of various ponents of the system，thus making the various parts of the link up better．Last，it designed the system software，and is able to achieve the temperature detection and system settings，and it analyzed and solved a number of problems in measurement when bined with the field measurement requirements，and it has achieved good effects.第36頁(yè)第1章 緒 論在光通信系統(tǒng)中，光纖是用作遠(yuǎn)距離傳輸光波信號(hào)的媒質(zhì)?？紤]到拉曼散射信號(hào)光功率、環(huán)境溫度、亮電流與暗電流以及熱噪聲等多種因素，并結(jié)合工作穩(wěn)定性、溫度靈敏度、系統(tǒng)信噪比等幾個(gè)方面的綜合要求，對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)部件的型號(hào)確定下來(lái)，使各個(gè)部分更好的銜接起來(lái)。其次，通過(guò)對(duì)實(shí)際中的反斯托克斯光和物理溫度相關(guān)的特性進(jìn)行分析，并結(jié)合光時(shí)域反射技術(shù)，確定了由自發(fā)拉曼散射和受激拉曼散射產(chǎn)生的定量描述，為本系統(tǒng)中的分布式的光纖溫度傳感器的合理應(yīng)用做出了理論依據(jù)。本文從理論到實(shí)際應(yīng)用，在以下四個(gè)方面進(jìn)行了研究和試驗(yàn)：首先，論述了分布式光纖溫度傳感器目前在國(guó)內(nèi)外研究的狀況。 課程設(shè)計(jì)《傳感器原理與應(yīng)用》課 程 設(shè) 計(jì)（2008級(jí)）項(xiàng)目名稱(chēng) 光纖溫度傳感器的設(shè)計(jì)小組成員 李 翔 200803011015李 斌 200803011016王 搏 200803011008指導(dǎo)教師 羅武勝 魯 琴 機(jī)電工程與自動(dòng)化學(xué)院《測(cè)控技術(shù)與儀器》專(zhuān)業(yè)目錄摘 要 iiiAbstract v第1章 緒論 1 1 1 1 2 3 3 4第2章 光纖溫度傳感的理論基礎(chǔ) 5 5 6 6 拉曼散射的基本原理 6 7 受激拉曼散射 9 本章小結(jié) 10第3章 光纖測(cè)溫系統(tǒng)的組成 11 光纖測(cè)溫系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu) 11 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及作用過(guò)程 11 12 13 光纖溫度傳感系統(tǒng)的主要技術(shù)指標(biāo)的影響因素 14 溫度分辨率 15 16 17 18 18 硬件各部分的具體實(shí)現(xiàn) 19 19 分光器 19 19 22 電腦 23 軟件的實(shí)現(xiàn) 23 Delphi簡(jiǎn)介 23 測(cè)溫系統(tǒng)軟件部分 24 顯示子模塊 27 整體調(diào)試 28 系統(tǒng)調(diào)試和標(biāo)定 28 系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 30 本章小結(jié) 30第4章 光纖溫度傳感器的應(yīng)用 31 光纖溫度傳感器在電力設(shè)備中的應(yīng)用 31 影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的問(wèn)題研究 33 系統(tǒng)誤差分析 33 本章小結(jié) 33結(jié) 論 34參考文獻(xiàn) 35摘 要分布式光纖溫度傳感器則是重要的利用光纖進(jìn)行測(cè)量的溫度傳感器。171。傳感器原理與應(yīng)用187。其原理是基于光纖中的后向散射現(xiàn)象和光時(shí)域反射的理論，使它能夠在整條光纖的長(zhǎng)度上，以距離為主要的連續(xù)函數(shù)的形式來(lái)測(cè)量光纖上各點(diǎn)溫度值。立足于國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有的元器件和制造工藝，通過(guò)對(duì)多種可行技術(shù)方案的比較、分析，在光纖光柵傳感器以及各種分布式傳感器中，確定了基于自發(fā)拉曼散射中斯托克斯與反斯托克斯光強(qiáng)做對(duì)比的方式，來(lái)進(jìn)行光纖溫度檢測(cè)的方案。再次，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)。最后，設(shè)計(jì)了系統(tǒng)軟件，能實(shí)現(xiàn)溫度的檢測(cè)和一些系統(tǒng)的設(shè)置，并結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量實(shí)際要求，完成了測(cè)量中一些問(wèn)題的分析和解決，達(dá)到了良好的使用效果。在實(shí)際光傳輸過(guò)程中，光纖易受外界環(huán)境因素的影響；如溫度、壓力和機(jī)械擾動(dòng)等環(huán)境條件的變化引起光波量，如發(fā)光強(qiáng)度、相位、頻率、偏振態(tài)等變化。光纖是利用光的全反射原理來(lái)引導(dǎo)光波的，如圖所示為光纖結(jié)構(gòu)圖。光纖傳感器可以按傳感原理分為兩類(lèi)，一類(lèi)稱(chēng)為功能型傳感器，它的光纖對(duì)被測(cè)信號(hào)兼有敏感和傳輸?shù)淖饔茫此哂袀髋c感合一的特點(diǎn)。光纖傳感器還可以按光波在光纖中被調(diào)制的原理分為：光強(qiáng)調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長(zhǎng)調(diào)制型等幾種形式。在光纖中傳輸?shù)膯紊獠捎萌缦滦问降姆匠瘫硎? E=E0cos(wt+φ)式中，E0是光波的振幅：w是角頻率；為初相角。光纖傳感器的工作原理就是用被測(cè)量的變化調(diào)制傳輸光光波的某一參數(shù)，使其隨之變化，然后對(duì)已知調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而得到被測(cè)量。這是一種利用被測(cè)量的變化引起光纖中的光強(qiáng)發(fā)生變化的光纖傳感器。下面分別討論利用以上三個(gè)因素制成的光強(qiáng)調(diào)制型光纖傳感器的應(yīng)用原理。它是利用多模光纖在受到彎曲時(shí)，一部分芯模能量會(huì)轉(zhuǎn)化為包層模式能量這一原理，通過(guò)測(cè)包層模式能量的變化來(lái)測(cè)量位移。研制這類(lèi)傳感器的關(guān)鍵在于確定變形器的最佳結(jié)構(gòu)，最佳結(jié)構(gòu)一般通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定。利用這一原理可以制成光纖輻射傳感器，用于核電站大范圍的監(jiān)測(cè)。紫外光照射會(huì)使光纖激發(fā)熒光，由熒光強(qiáng)弱探測(cè)紫外光強(qiáng)。③改變光纖包層的折射率 圖示是一種全內(nèi)反射光纖傳感器原理圖。從纖芯輸入的光將從端面全反射，經(jīng)反射鏡再沿原路返回輸出。由此原理可制成光纖液體濃度傳感器，光纖折射率計(jì)等。用以上原理制成的光纖干涉儀可測(cè)量地震波、水壓(包括水聲)、溫度、加速度、電流、磁場(chǎng)等，并可檢測(cè)液體、氣體的成分。這主要是針對(duì)光纖干涉儀中為獲得干涉效應(yīng)要采用單模光纖，最好采用“雙折射率”單模光纖，并且為了使光纖干涉儀對(duì)被測(cè)物理量進(jìn)行“增敏”，對(duì)非被測(cè)物理量進(jìn)行“去敏”，需對(duì)單模光纖進(jìn)行特殊處理，以滿(mǎn)足測(cè)量不同物理量的要求。被測(cè)參量的變化可直接引起干涉儀中傳感臂光纖的長(zhǎng)度L(對(duì)應(yīng)于光纖的彈性變形)和折射率發(fā)生變化，從而引起光纖中光波相位的變化。若在傳感臂上鍍上金屬薄膜，則可利用電流的熱效應(yīng)來(lái)測(cè)量電流。最典型的是測(cè)量大電流用的光纖電流傳感器。與磁場(chǎng)強(qiáng)度H、磁場(chǎng)中光纖的長(zhǎng)度L滿(mǎn)足：216。由長(zhǎng)直載流導(dǎo)線在周?chē)臻g產(chǎn)生的磁場(chǎng)H=I/2R(R是光纖與載流導(dǎo)線間的垂直距離)，則216。L，R即可求出導(dǎo)線中的電流。這種測(cè)電流的方法測(cè)量范圍大、靈敏度高、與高壓線無(wú)接觸，使輸入輸出端實(shí)現(xiàn)了電絕緣。與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器的主要特點(diǎn)是：（1） 抗電磁干擾，電絕緣；本質(zhì)安全（2） 靈敏度高（3） 重量輕，體積小，外形可變（4） 測(cè)量對(duì)象廣泛（5） 對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響?。?） 可以進(jìn)行連續(xù)分布測(cè)量，便于復(fù)用，便于成網(wǎng)第2章 光纖溫度傳感的理論基礎(chǔ)光纖溫度傳感器是上世紀(jì)70年代發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新型的測(cè)溫技術(shù)。在國(guó)外，光纖溫度傳感器發(fā)展很快，形成了多種型號(hào)的產(chǎn)品，并已應(yīng)用到多個(gè)領(lǐng)域，取得了很好的效果。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。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。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(guó)南安普敦大學(xué)提出的。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(hù)與控制基于光時(shí)域（OTDR）拉曼散射的光纖測(cè)溫系統(tǒng)，以及基于光頻域拉曼散射光纖測(cè)溫系（ROFDA）等等。目前，分布式光纖溫度傳感器主要基于拉曼散射效應(yīng)及光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)技術(shù)實(shí)現(xiàn)連續(xù)分布式測(cè)量，如York Sensa、Sensornet 等公司產(chǎn)品。2）光纖光柵點(diǎn)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(lái)進(jìn)行測(cè)溫的。光纖光柵溫度傳感器主要有Bragg 光纖光柵溫度傳感器和長(zhǎng)周期光纖光柵傳感器。長(zhǎng)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?。光通過(guò)介質(zhì)時(shí)由于入射光與分子運(yùn)動(dòng)相互作用而引起的頻率發(fā)生變化的散射稱(chēng)為拉曼散射。激光器在驅(qū)動(dòng)電源控制下經(jīng)過(guò)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(shè)在待測(cè)溫度場(chǎng)內(nèi)，窄脈沖在光纖傳輸過(guò)程中發(fā)生的非線性效應(yīng)，產(chǎn)生拉曼散射。大量試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，測(cè)量溫度是根據(jù)一個(gè)光強(qiáng)的比值，這其中，反斯托克斯散射光對(duì)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(hào)通道，所以，我們以斯托克斯光作為參考通道，測(cè)量反斯托克斯光，得到比值量，計(jì)算出溫度信息。這就是拉曼散射的優(yōu)點(diǎn)了，損耗低，測(cè)量距離長(zhǎng)，測(cè)量值只與測(cè)量溫度有關(guān)。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(cè)點(diǎn)絕對(duì)溫度值。拉曼散射的原理為我們的分布式光纖溫度測(cè)量提供了理論依據(jù)，在此基礎(chǔ)上，我們可以通過(guò)進(jìn)一步的對(duì)光纖，光源以及處理部分進(jìn)行設(shè)計(jì)和調(diào)試，最后研發(fā)出我們需要的產(chǎn)品。 拉曼散射的基本原理在任何分子介質(zhì)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(zhuǎn)移到另一頻率下移的光束中，頻率下移量由介質(zhì)的振動(dòng)模式?jīng)Q定，此過(guò)程稱(chēng)為拉曼效應(yīng)。能量在轉(zhuǎn)換中可以用分子能級(jí)圖來(lái)表示，即圖2—2中，兩條黑實(shí)現(xiàn)表示E1，E2兩