【正文】 化，就可以知道導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頁第1章 緒 論在光通信系統(tǒng)中，光纖是用作遠距離傳輸光波信號的媒質(zhì)?？紤]到拉曼散射信號光功率、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)信噪比等幾個方面的綜合要求，對系統(tǒng)中各個部件的型號確定下來，使各個部分更好的銜接起來。其次，通過對實際中的反斯托克斯光和物理溫度相關(guān)的特性進行分析，并結(jié)合光時域反射技術(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用做出了理論依據(jù)。本文從理論到實際應用，在以下四個方面進行了研究和試驗：首先，論述了分布式光纖溫度傳感器目前在國內(nèi)外研究的狀況。 課程設(shè)計《傳感器原理與應用》課 程 設(shè) 計（2008級）項目名稱 光纖溫度傳感器的設(shè)計小組成員 李 翔 200803011015李 斌 200803011016王 搏 200803011008指導教師 羅武勝 魯 琴 機電工程與自動化學院《測控技術(shù)與儀器》專業(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 光纖測溫系統(tǒng)的組成 11 光纖測溫系統(tǒng)的硬件總體結(jié)構(gòu) 11 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及作用過程 11 12 13 光纖溫度傳感系統(tǒng)的主要技術(shù)指標的影響因素 14 溫度分辨率 15 16 17 18 18 硬件各部分的具體實現(xiàn) 19 19 分光器 19 19 22 電腦 23 軟件的實現(xiàn) 23 Delphi簡介 23 測溫系統(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用 31 光纖溫度傳感器在電力設(shè)備中的應用 31 影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的問題研究 33 系統(tǒng)誤差分析 33 本章小結(jié) 33結(jié) 論 34參考文獻 35摘 要分布式光纖溫度傳感器則是重要的利用光纖進行測量的溫度傳感器。171。傳感器原理與應用187。其原理是基于光纖中的后向散射現(xiàn)象和光時域反射的理論，使它能夠在整條光纖的長度上，以距離為主要的連續(xù)函數(shù)的形式來測量光纖上各點溫度值。立足于國內(nèi)外現(xiàn)有的元器件和制造工藝，通過對多種可行技術(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做對比的方式，來進行光纖溫度檢測的方案。再次，設(shè)計了系統(tǒng)硬件的總體結(jié)構(gòu)。最后，設(shè)計了系統(tǒng)軟件，能實現(xiàn)溫度的檢測和一些系統(tǒng)的設(shè)置，并結(jié)合現(xiàn)場測量實際要求，完成了測量中一些問題的分析和解決，達到了良好的使用效果。在實際光傳輸過程中，光纖易受外界環(huán)境因素的影響；如溫度、壓力和機械擾動等環(huán)境條件的變化引起光波量，如發(fā)光強度、相位、頻率、偏振態(tài)等變化。光纖是利用光的全反射原理來引導光波的，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，一類稱為功能型傳感器，它的光纖對被測信號兼有敏感和傳輸?shù)淖饔?，即它具有傳與感合一的特點。光纖傳感器還可以按光波在光纖中被調(diào)制的原理分為：光強調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振態(tài)調(diào)制型和波長調(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，然后對已知調(diào)制的光信號進行檢測，從而得到被測量。這是一種利用被測量的變化引起光纖中的光強發(fā)生變化的光纖傳感器。下面分別討論利用以上三個因素制成的光強調(diào)制型光纖傳感器的應用原理。它是利用多模光纖在受到彎曲時，一部分芯模能量會轉(zhuǎn)化為包層模式能量這一原理，通過測包層模式能量的變化來測量位移。研制這類傳感器的關(guān)鍵在于確定變形器的最佳結(jié)構(gòu)，最佳結(jié)構(gòu)一般通過實驗確定。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。紫外光照射會使光纖激發(fā)熒光，由熒光強弱探測紫外光強。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，光纖折射率計等。用以上原理制成的光纖干涉儀可測量地震波、水壓(包括水聲)、溫度、加速度、電流、磁場等，并可檢測液體、氣體的成分。這主要是針對光纖干涉儀中為獲得干涉效應要采用單模光纖，最好采用“雙折射率”單模光纖，并且為了使光纖干涉儀對被測物理量進行“增敏”，對非被測物理量進行“去敏”，需對單模光纖進行特殊處理，以滿足測量不同物理量的要求。被測參量的變化可直接引起干涉儀中傳感臂光纖的長度L(對應于光纖的彈性變形)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來測量電流。最典型的是測量大電流用的光纖電流傳感器。與磁場強度H、磁場中光纖的長度L滿足：216。由長直載流導線在周圍空間產(chǎn)生的磁場H=I/2R(R是光纖與載流導線間的垂直距離)，則216。L，R即可求出導線中的電流。這種測電流的方法測量范圍大、靈敏度高、與高壓線無接觸，使輸入輸出端實現(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） 測量對象廣泛（5） 對被測介質(zhì)影響小（6） 可以進行連續(xù)分布測量，便于復用，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70年代發(fā)展起來的一門新型的測溫技術(shù)。在國外，光纖溫度傳感器發(fā)展很快，形成了多種型號的產(chǎn)品，并已應用到多個領(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 年由英國南安普敦大學提出的。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，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(shù)實現(xiàn)連續(xù)分布式測量，如York Sensa、Sensornet 等公司產(chǎn)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。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?。光通過介質(zhì)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。激光器在驅(qū)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(shè)在待測溫度場內(nèi)，窄脈沖在光纖傳輸過程中發(fā)生的非線性效應，產(chǎn)生拉曼散射。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。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(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)，丁為被測點絕對溫度值。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(chǔ)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(shè)計和調(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)的振動模式?jīng)Q定，此過程稱為拉曼效應。能量在轉(zhuǎn)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