光纖測溫傳感器

1、第第1010章章 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器2022-3-第第1010章章 光纖溫度傳感器光纖溫度傳感器110.2 10.2 傳光型光纖溫度傳感器傳光型光纖溫度傳感器210.3 10.3 功能型光纖溫度傳感器功能型光纖溫度傳感器310.4 10.4 分布式光纖溫度傳感器分布式光纖溫度傳感器410.1 10.1 引引 言言2022-3-10.1 10.1 引引 言言v 光纖用于溫度測量的機理與結構形式多種多樣，光纖用于溫度測量的機理與結構形式多種多樣，按光纖按光纖所起的作用基本上可分為兩大類：所起的作用基本上可分為兩大類：v 一類是傳光型，一類是傳光型，這類傳感器僅由光纖的幾何位置排布實這類傳

2、感器僅由光纖的幾何位置排布實現(xiàn)光轉(zhuǎn)換功能；現(xiàn)光轉(zhuǎn)換功能；v 另一類是傳感型，另一類是傳感型，它以光的相位、波長、強度（干涉）它以光的相位、波長、強度（干涉）等為測量信號。等為測量信號。v 傳光型與傳感型相比，傳光型與傳感型相比，雖然其溫度靈敏度較低，但是由雖然其溫度靈敏度較低，但是由于具有技術上容易實現(xiàn)、結構簡單、抗干擾能力強等特于具有技術上容易實現(xiàn)、結構簡單、抗干擾能力強等特點，在實用化技術方面取得了突破，發(fā)展較快。點，在實用化技術方面取得了突破，發(fā)展較快。2022-3-10.1 10.1 引引 言言v 表表10.1 10.1 光纖溫度傳感器的測溫機理及特點光纖溫度傳感器的測溫機理及特點v

3、對測量物體某一點溫度或溫度場溫度的點式光纖溫度傳感對測量物體某一點溫度或溫度場溫度的點式光纖溫度傳感器的研究和開發(fā)比較活躍。器的研究和開發(fā)比較活躍。v 近幾年，為了解決溫度場的測量問題，研制出了分布式光近幾年，為了解決溫度場的測量問題，研制出了分布式光纖溫度傳感器。纖溫度傳感器。測測 溫溫 機機 理理 傳感器的特點傳感器的特點 熒光熒光 激發(fā)的熒光（強度、時間）與測量溫度的相關性（熒激發(fā)的熒光（強度、時間）與測量溫度的相關性（熒光余輝）光余輝） 光干涉光干涉 法布里法布里- -珀羅器件，薄膜干涉珀羅器件，薄膜干涉 光吸收光吸收 砷化鎵等半導體吸收砷化鎵等半導體吸收 熱致光輻射熱致光輻射黑體腔、

4、石英、紅外光纖、光導棒黑體腔、石英、紅外光纖、光導棒 光散射光散射 載有溫度信息的光在光纖中形成的拉曼散射、瑞利散載有溫度信息的光在光纖中形成的拉曼散射、瑞利散射射 2022-3-10.2 10.2 傳光型光纖溫度傳感器傳光型光纖溫度傳感器 半導體光吸收型光纖溫度半導體光吸收型光纖溫度 傳感器傳感器 熱色效應光纖溫度傳感器熱色效應光纖溫度傳感器 熒光型光纖溫度傳感器熒光型光纖溫度傳感器2022-3-10.2.1 10.2.1 半導體光吸收型光纖溫度傳感器半導體光吸收型光纖溫度傳感器v 許多半導體材料在它的紅限波長許多半導體材料在它的紅限波長 （即其禁帶寬度對應（即其禁帶寬度對應的波長）的一段光

5、波長范圍內(nèi)有遞減的吸收特性，超過這的波長）的一段光波長范圍內(nèi)有遞減的吸收特性，超過這一波段范圍幾乎不產(chǎn)生吸收，這一波段范圍稱為一波段范圍幾乎不產(chǎn)生吸收，這一波段范圍稱為半導體材半導體材料的吸收端料的吸收端。 例如例如 GaAs, CdTe 材料的吸收端在材料的吸收端在0.9 m附近，如圖附近，如圖10.1(a)10.1(a)所示。所示。 (a) (a) 光吸收溫度特性光吸收溫度特性 (b) (b) 結構結構 圖圖10.1 10.1 半導體光吸收型光纖溫度傳感器半導體光吸收型光纖溫度傳感器g2022-3-10.2.1 10.2.1 半導體光吸收型光纖溫度傳感器半導體光吸收型光纖溫度傳感器v 用這

6、種半導體材料作為溫度敏感頭的原理是，它們的禁用這種半導體材料作為溫度敏感頭的原理是，它們的禁帶寬度隨溫度升高幾乎線性地變窄，相應的紅限波長帶寬度隨溫度升高幾乎線性地變窄，相應的紅限波長 幾乎線性地變長，從而使其光吸收端線性地向長波方向幾乎線性地變長，從而使其光吸收端線性地向長波方向平移。顯然，當一個輻射光譜與平移。顯然，當一個輻射光譜與 相一致的光源發(fā)出相一致的光源發(fā)出的光通過半導體時，其透射光強隨溫度升高而線性地減的光通過半導體時，其透射光強隨溫度升高而線性地減小。圖小。圖10.1(a)10.1(a)示出了這一說明。示出了這一說明。v 采用如圖采用如圖10.1(b)10.1(b)所示的結構，

7、就組成了一個最簡單的光所示的結構，就組成了一個最簡單的光纖溫度傳感器。這種結構由于光源不穩(wěn)定的影響很大，纖溫度傳感器。這種結構由于光源不穩(wěn)定的影響很大，實際中很少采用。實際中很少采用。gg2022-3-10.2.1 10.2.1 半導體光吸收型光纖溫度傳感器半導體光吸收型光纖溫度傳感器v 一個實用化的設計如圖一個實用化的設計如圖10.210.2所示。所示。它采用了兩個光源，一它采用了兩個光源，一個是鋁鎵砷發(fā)光二極管，波長個是鋁鎵砷發(fā)光二極管，波長 ；另一個是；另一個是銦鎵磷砷發(fā)光二極管，波長銦鎵磷砷發(fā)光二極管，波長 。敏感頭對。敏感頭對 光的吸收隨溫度而變化，對光的吸收隨溫度而變化，對 光不吸

8、收，故取光不吸收，故取 光作為光作為參考信號。用雪崩光電二極管作為光探測器。經(jīng)采樣放大參考信號。用雪崩光電二極管作為光探測器。經(jīng)采樣放大器后，得到兩個正比于脈沖寬度的直流信號，再由除法器器后，得到兩個正比于脈沖寬度的直流信號，再由除法器以參考光信號以參考光信號( )( )為標準將與溫度相關的光信號為標準將與溫度相關的光信號( )( )歸一化。于是，除法器的輸出只與溫度歸一化。于是，除法器的輸出只與溫度T T有關。采用單片有關。采用單片機進行信息處理即可顯示溫度。機進行信息處理即可顯示溫度。10.88 m21.27 m122212022-3-10.2.1 10.2.1 半導體光吸收型光纖溫度傳感

9、器半導體光吸收型光纖溫度傳感器v 這種傳感器的測量范圍是這種傳感器的測量范圍是-10300，精度可達，精度可達 1。 圖圖10.2 10.2 實用化半導體光吸收型光纖溫度傳感器實用化半導體光吸收型光纖溫度傳感器2022-3-10.2.2 10.2.2 熱色效應光纖溫度傳感器熱色效應光纖溫度傳感器v 許多無機溶液的顏色隨溫度而變化，因而溶液的光吸收許多無機溶液的顏色隨溫度而變化，因而溶液的光吸收譜線也隨溫度而變化，譜線也隨溫度而變化，稱為熱色效應稱為熱色效應。其中鈷鹽溶液表。其中鈷鹽溶液表現(xiàn)出最強的光吸收作用，熱色溶液如現(xiàn)出最強的光吸收作用，熱色溶液如 溶液的光吸收頻譜如圖溶液的光吸收頻譜如圖1

10、0.310.3所示。所示。 圖圖10.3 10.3 熱色溶液的光吸收頻譜熱色溶液的光吸收頻譜3 32(CH ) CHOH CoCl 2022-3-10.2.2 10.2.2 熱色效應光纖溫度傳感器熱色效應光纖溫度傳感器v 從圖從圖10.310.3可見，可見，在在 25 75 之間的不同溫度下，波長之間的不同溫度下，波長在在 400 800nm 范圍內(nèi)有強烈的熱色效應。在范圍內(nèi)有強烈的熱色效應。在 655 nm 波波長處，光透射率幾乎與溫度成線性關系，而在長處，光透射率幾乎與溫度成線性關系，而在 800 nm處，處，幾乎與溫度無關。幾乎與溫度無關。v 同時，這樣的熱色效應是完全可逆的，因此可將這

11、種溶同時，這樣的熱色效應是完全可逆的，因此可將這種溶液作為溫度敏感探頭，并分別采用波長為液作為溫度敏感探頭，并分別采用波長為 655 nm 和和 800nm 的光作為敏感信號和參考信號的光作為敏感信號和參考信號。2022-3-10.2.2 10.2.2 熱色效應光纖溫度傳感器熱色效應光纖溫度傳感器v 這種溫度傳感器的組成如圖這種溫度傳感器的組成如圖10.410.4所示。所示。v 光源采用鹵素燈泡，光進入光纖之前進行斬波調(diào)制。探頭光源采用鹵素燈泡，光進入光纖之前進行斬波調(diào)制。探頭外徑外徑 1.5mm，長為，長為 10 mm，內(nèi)充鈷鹽溶液，兩根光纖插入，內(nèi)充鈷鹽溶液，兩根光纖插入探頭，構成單端反射

12、形式。探頭，構成單端反射形式。v 從探頭出來的光纖經(jīng)從探頭出來的光纖經(jīng) Y 形分路器將光分為兩種，分別經(jīng)形分路器將光分為兩種，分別經(jīng)655 nm 和和 800 nm 濾波片得到信號光和參考光，再經(jīng)光電濾波片得到信號光和參考光，再經(jīng)光電信息處理電路，得到溫度信息。信息處理電路，得到溫度信息。 2022-3-10.2.2 10.2.2 熱色效應光纖溫度傳感器熱色效應光纖溫度傳感器 圖圖10.4 10.4 熱色效應光纖溫度傳感器熱色效應光纖溫度傳感器2022-3-10.2.3 10.2.3 熒光型光纖溫度傳感器熒光型光纖溫度傳感器v 熒光現(xiàn)象大致分為兩類：熒光現(xiàn)象大致分為兩類：v 一類是下轉(zhuǎn)換熒光現(xiàn)

13、象，一類是下轉(zhuǎn)換熒光現(xiàn)象，短波長輻射（紫外線、短波長輻射（紫外線、X射線）射線）激發(fā)出長波長（可見光）光輻射；激發(fā)出長波長（可見光）光輻射；v 另一類是上轉(zhuǎn)換熒光現(xiàn)象，另一類是上轉(zhuǎn)換熒光現(xiàn)象，長波長光輻射（長波長光輻射（LED、紅外、紅外光）通過雙光子效應激發(fā)出短波長（可見光）光輻射。光）通過雙光子效應激發(fā)出短波長（可見光）光輻射。v 后一類用于溫度測量時，費效比低，有實用意義。后一類用于溫度測量時，費效比低，有實用意義。v 熒光材料是熒光材料是 ： 熒光粉，激勵波長為熒光粉，激勵波長為 940 nm ，熒光波長為，熒光波長為 554 nm。3YF33YbEr2022-3-10.2.3 10.

14、2.3 熒光型光纖溫度傳感器熒光型光纖溫度傳感器v 熒光特性如圖熒光特性如圖10.510.5所示，分為熒光段和余輝段。所示，分為熒光段和余輝段。余輝強余輝強度度 I(t) 是溫度和時間的函數(shù)，即是溫度和時間的函數(shù)，即 圖圖10.5 10.5 光脈沖激勵的熒光特性光脈沖激勵的熒光特性2022-3-10.2.3 10.2.3 熒光型光纖溫度傳感器熒光型光纖溫度傳感器 (10.1)(10.1)v 式中，式中， ；A A是常數(shù)；是常數(shù)； 是停止激勵時的熒是停止激勵時的熒光峰值強度，光峰值強度，t t 是溫度的函數(shù)；是溫度的函數(shù)； 是熒光余輝壽命，是熒光余輝壽命，是溫度的函數(shù)。是溫度的函數(shù)。v 式式(1

15、0.1)(10.1)表明，表明， 和和 是兩個與溫度是兩個與溫度T T 有關的有關的獨立的參數(shù)，可用于計量溫度。聯(lián)合使用這兩個溫度參獨立的參數(shù)，可用于計量溫度。聯(lián)合使用這兩個溫度參數(shù)實現(xiàn)溫度計量的方法是所謂的余輝強度積分法，即數(shù)實現(xiàn)溫度計量的方法是所謂的余輝強度積分法，即 (10.2) (10.2)21tttP( )I T( )TP( )IT( )T( )dTI ttP( )( )exp( )tI tA ITT2022-3-10.2.3 10.2.3 熒光型光纖溫度傳感器熒光型光纖溫度傳感器v 該積分值等于圖該積分值等于圖10.510.5中斜線下的面積，如圖中陰影部分所中斜線下的面積，如圖中陰

16、影部分所示。溫度不同，這個面積不同。這種方法的優(yōu)點是溫度計示。溫度不同，這個面積不同。這種方法的優(yōu)點是溫度計量的重現(xiàn)性好，測量范圍寬。信號處理中采取量的重現(xiàn)性好，測量范圍寬。信號處理中采取 m 次累計平次累計平均的方法，如圖均的方法，如圖10.610.6所示。所示。 圖圖10.6 10.6 余輝強度積分法示意圖圖余輝強度積分法示意圖圖2022-3-10.2.3 10.2.3 熒光型光纖溫度傳感器熒光型光纖溫度傳感器v 熒光型光纖溫度傳感器的組成原理框圖如圖熒光型光纖溫度傳感器的組成原理框圖如圖10.7所示。所示。LED發(fā)射波長為發(fā)射波長為940 nm的脈沖光，通過光纖入射到探頭熒的脈沖光，通過

17、光纖入射到探頭熒光粉上，由于雙光子過程熒光粉發(fā)射出波長為光粉上，由于雙光子過程熒光粉發(fā)射出波長為554 nm的綠的綠光，經(jīng)光纖分路送至光電探測器進行光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)放大光，經(jīng)光纖分路送至光電探測器進行光電轉(zhuǎn)換，再經(jīng)放大電路放大，由微機控制的采樣、保持及模電路放大，由微機控制的采樣、保持及模-數(shù)轉(zhuǎn)換電路對熒數(shù)轉(zhuǎn)換電路對熒光波進行采樣，并由微機對采集的數(shù)據(jù)進行處理，給出溫光波進行采樣，并由微機對采集的數(shù)據(jù)進行處理，給出溫度的信息。度的信息。 v 10.7 10.7熒光型光纖溫度傳感器的組成原理框圖熒光型光纖溫度傳感器的組成原理框圖2022-3-10.3 10.3 功能型光纖溫度傳感器功能型光纖溫度傳

18、感器v v 光纖溫度開關傳感器光纖溫度開關傳感器 熱輻射光纖高溫傳感器熱輻射光纖高溫傳感器 摻雜光纖溫度傳感器摻雜光纖溫度傳感器 相位干涉型光纖溫度傳感器相位干涉型光纖溫度傳感器2022-3-10.3.1 10.3.1 光纖溫度開關傳感器光纖溫度開關傳感器v 如果光纖纖心和包層材料的折射率隨溫度變化，且在某一如果光纖纖心和包層材料的折射率隨溫度變化，且在某一溫度下出現(xiàn)交叉時，這種光纖就可以用做溫度下出現(xiàn)交叉時，這種光纖就可以用做光纖溫度傳感器。光纖溫度傳感器。v 圖圖10.810.8示出了三對這種光纖材料的折射率交叉點情況。示出了三對這種光纖材料的折射率交叉點情況。 圖圖10.8 10.8 三

19、對光纖材料的折射率交叉點三對光纖材料的折射率交叉點2022-3-10.3.1 10.3.1 光纖溫度開關傳感器光纖溫度開關傳感器v 在圖在圖10.810.8中：中：v 當纖心折射率大于包層折射率時，光能被集中在纖心中。當纖心折射率大于包層折射率時，光能被集中在纖心中。v 當溫度升高到兩條折射率曲線的交叉點時，因纖心與包層當溫度升高到兩條折射率曲線的交叉點時，因纖心與包層折射率的差為折射率的差為0 ，光能進入包層。，光能進入包層。v 溫度再升高，纖心中光能量將中斷，傳感器將發(fā)出警報信溫度再升高，纖心中光能量將中斷，傳感器將發(fā)出警報信號。號。 2022-3-10.3.2 10.3.2 摻雜光纖溫度

20、傳感器摻雜光纖溫度傳感器 摻雜稀土元素（如釹、銪）的玻璃光纖，具有溫度敏感摻雜稀土元素（如釹、銪）的玻璃光纖，具有溫度敏感的吸收光譜，在兩個波長處具有單調(diào)溫度函數(shù)特性，如的吸收光譜，在兩個波長處具有單調(diào)溫度函數(shù)特性，如圖圖10.910.9所示。所示。 (a) (a) 摻釹光纖溫度敏感的吸收光譜摻釹光纖溫度敏感的吸收光譜 (b) (b) 溫度響應曲線溫度響應曲線 圖圖10.9 10.9 摻釹光纖的溫度特性摻釹光纖的溫度特性2022-3-10.3.3 10.3.3 熱輻射光纖高溫傳感器熱輻射光纖高溫傳感器v 熱輻射光纖高溫傳感器是基于光纖被加熱要引起熱輻射熱輻射光纖高溫傳感器是基于光纖被加熱要引起

21、熱輻射這個原理的。這個原理的。v 接觸式熱輻射光纖高溫傳感器通常有兩種構成方式：分接觸式熱輻射光纖高溫傳感器通常有兩種構成方式：分布黑體腔和固定黑體腔。布黑體腔和固定黑體腔。v 固定黑體腔光纖高溫傳感器，其構成原理如圖固定黑體腔光纖高溫傳感器，其構成原理如圖10.1010.10所示。所示。 圖圖10.10 10.10 固定黑體腔光纖高溫傳感器的構成原理固定黑體腔光纖高溫傳感器的構成原理2022-3-10.3.3 10.3.3 熱輻射光纖高溫傳感器熱輻射光纖高溫傳感器v 這種傳感器主要包括三大部分：這種傳感器主要包括三大部分：帶黑體腔的高溫單晶藍寶帶黑體腔的高溫單晶藍寶石石( (-Al2O3 )

22、 )光纖、傳送待測熱輻射功率的低溫多模光纖光纖、傳送待測熱輻射功率的低溫多模光纖和光電數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。和光電數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。v 當黑體腔與待測高溫區(qū)熱平衡時，黑體腔就按照黑體輻射當黑體腔與待測高溫區(qū)熱平衡時，黑體腔就按照黑體輻射定律發(fā)射與待測溫度定律發(fā)射與待測溫度T T 相對應的電磁輻射，相對應的電磁輻射，其譜功率密度其譜功率密度出射度為出射度為 (10.3) (10.3)v 式中，式中， 為黑體腔譜發(fā)射率；為黑體腔譜發(fā)射率； 為第一輻射常數(shù)為第一輻射常數(shù)( )( )； 為第二輻射常為第二輻射常( )( )； 2152( ) (W/mm)exp1CM TCT1C8423.7415 10 W m/m

23、2C41.4387 10 m K 2022-3-10.3.3 10.3.3 熱輻射光纖高溫傳感器熱輻射光纖高溫傳感器v 入射到光電二極管光敏面的黑體輻射功率為入射到光電二極管光敏面的黑體輻射功率為v (10.4) (10.4)v 可見，入射到光電二極管光敏面上的功率可見，入射到光電二極管光敏面上的功率 與待測溫度與待測溫度 有確定關系，這就是熱輻射光纖高溫傳感器的原理依有確定關系，這就是熱輻射光纖高溫傳感器的原理依據(jù)。經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、信號放大、據(jù)。經(jīng)光電轉(zhuǎn)換、信號放大、A/D 轉(zhuǎn)換、微機處理及顯轉(zhuǎn)換、微機處理及顯示，給出待測溫度值。示，給出待測溫度值。 v 綜合討論，實現(xiàn)光纖高溫傳感技術的關鍵是：

24、綜合討論，實現(xiàn)光纖高溫傳感技術的關鍵是：第一，性第一，性能穩(wěn)定的高溫光纖及黑體腔的制作；第二，適應大動態(tài)能穩(wěn)定的高溫光纖及黑體腔的制作；第二，適應大動態(tài)范圍要求的高性噪比電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的精心設計。范圍要求的高性噪比電子數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的精心設計。1.11 20.4exp( )dPn n SlMT12exp( ) (W)n n Sl M TPT2022-3-10.3.3 10.3.3 熱輻射光纖高溫傳感器熱輻射光纖高溫傳感器v 關于藍寶石光纖探頭黑體腔的形成，有三種方法：關于藍寶石光纖探頭黑體腔的形成，有三種方法：濺射濺射蒸鍍、包鉗和人工纏繞。前者性能最好，但成品率低，蒸鍍、包鉗和人工纏繞。前者性

25、能最好，但成品率低，后兩種方法非常簡單，且性能滿足要求。后兩種方法非常簡單，且性能滿足要求。v 為了使黑體腔的發(fā)射率為了使黑體腔的發(fā)射率 穩(wěn)定，一般只要控制黑體腔穩(wěn)定，一般只要控制黑體腔的長徑比大于的長徑比大于 3 即可，則即可，則 。v 圖圖10.1110.11示出了信號檢測系統(tǒng)的原理框圖。示出了信號檢測系統(tǒng)的原理框圖。采用這樣的系采用這樣的系統(tǒng)，在統(tǒng)，在 500 1800 的高溫范圍內(nèi)，測溫精度高達的高溫范圍內(nèi)，測溫精度高達 0.1。如果采用光譜校準技術，測溫精度可達。如果采用光譜校準技術，測溫精度可達 0.05 。12022-3-10.3.3 10.3.3 熱輻射光纖高溫傳感器熱輻射光纖

26、高溫傳感器 圖圖10.11 10.11 信號檢測系統(tǒng)的原理框圖信號檢測系統(tǒng)的原理框圖2022-3-10.3.4 10.3.4 相位干涉型光纖溫度傳感器相位干涉型光纖溫度傳感器v 利用相位干涉儀做成的光纖溫度傳感器有多種形式，其中利用相位干涉儀做成的光纖溫度傳感器有多種形式，其中以馬赫以馬赫- -澤得光纖干涉儀和法布里澤得光纖干涉儀和法布里- -珀羅光纖干涉儀最為典珀羅光纖干涉儀最為典型。型。v 馬赫馬赫- -澤得光纖干涉儀光纖溫度傳感器的特點是：澤得光纖干涉儀光纖溫度傳感器的特點是： 靈敏度高（理論值可達靈敏度高（理論值可達10-8 ），可對多種物理量敏感，），可對多種物理量敏感，對光纖本身性

27、能要求高（如要采用高雙折射單模保偏光纖，對光纖本身性能要求高（如要采用高雙折射單模保偏光纖，且要求對非測物理量去敏等）。且要求對非測物理量去敏等）。2022-3-10.3.4 10.3.4 相位干涉型光纖溫度傳感器相位干涉型光纖溫度傳感器v 馬赫馬赫- -澤得光纖溫度傳感器工作時：澤得光纖溫度傳感器工作時：v 由激光器（如由激光器（如 He-Ne 激光器）發(fā)出的激光經(jīng)分束器分別激光器）發(fā)出的激光經(jīng)分束器分別送入兩根長度基本相同的單模光纖。將兩根光纖的輸出送入兩根長度基本相同的單模光纖。將兩根光纖的輸出光束匯合到一起，兩光束發(fā)生干涉，出現(xiàn)干涉條紋，光光束匯合到一起，兩光束發(fā)生干涉，出現(xiàn)干涉條紋，

28、光電探測器用來檢測干涉條紋的變化。電探測器用來檢測干涉條紋的變化。v 當測量（敏感）臂光纖受到溫度場的作用后，會產(chǎn)生相當測量（敏感）臂光纖受到溫度場的作用后，會產(chǎn)生相位變化，從而引起干涉條紋的移動。位變化，從而引起干涉條紋的移動。v 顯然，干涉條紋的移動量反映出被測溫度的變化。顯然，干涉條紋的移動量反映出被測溫度的變化。2022-3-10.3.4 10.3.4 相位干涉型光纖溫度傳感器相位干涉型光纖溫度傳感器v 考慮到測量臂光波相位變化是由溫度變化引起的，可以考慮到測量臂光波相位變化是由溫度變化引起的，可以寫出溫度靈敏度為寫出溫度靈敏度為 (10.5) (10.5)v 對石英光纖而言，有對石英

29、光纖而言，有 (10.6)(10.6)550.70 10 ()1.64 10 ()T51 d0.68 10()dnn T（裸光纖）（裸光纖）（護套光纖）（護套光纖）11nlTnTlT2022-3-10.3.4 10.3.4 相位干涉型光纖溫度傳感器相位干涉型光纖溫度傳感器v 由這兩個數(shù)值量級可見由這兩個數(shù)值量級可見，對石英裸光纖，其溫度靈敏度，對石英裸光纖，其溫度靈敏度幾乎完全由折射率變化（光彈效應）決定，這是因為石幾乎完全由折射率變化（光彈效應）決定，這是因為石英本身的熱膨脹系數(shù)極小的緣故；而護套石英光纖的溫英本身的熱膨脹系數(shù)極小的緣故；而護套石英光纖的溫度靈敏度比裸光纖大得多。度靈敏度比裸

30、光纖大得多。v 這說明，這說明，護套層的楊氏模量和膨脹系數(shù)對光纖的溫度靈護套層的楊氏模量和膨脹系數(shù)對光纖的溫度靈敏度影響很大。敏度影響很大。v 實際上，實際上，人們正是利用不同護套材料的熱膨脹系數(shù)的差人們正是利用不同護套材料的熱膨脹系數(shù)的差異來對光纖進行異來對光纖進行溫度增敏（高膨脹系數(shù)），或?qū)囟热囟仍雒簦ǜ吲蛎浵禂?shù)），或?qū)囟热ッ簦ǖ蜏囟认禂?shù)）。敏（低溫度系數(shù)）。2022-3-10.4 10.4 分布式光纖溫度傳感器分布式光纖溫度傳感器v 典型的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，能在整個連續(xù)的光纖典型的分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)，能在整個連續(xù)的光纖上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式測量出光纖上各點的溫度值。

31、上，以距離的連續(xù)函數(shù)形式測量出光纖上各點的溫度值。v 分布式光纖溫度傳感器的工作機理是：分布式光纖溫度傳感器的工作機理是：基于光纖內(nèi)部光的基于光纖內(nèi)部光的散射現(xiàn)象的溫度特性，利用光時域反射測試技術，將較高散射現(xiàn)象的溫度特性，利用光時域反射測試技術，將較高功率窄帶光脈沖送入光纖，然后將返回的散射光強隨時間功率窄帶光脈沖送入光纖，然后將返回的散射光強隨時間的變化探測下來。的變化探測下來。v 從光纖返回的散射光有三種成分：從光纖返回的散射光有三種成分：v (1) (1) 瑞利散射，是強度最高的散射成分；瑞利散射，是強度最高的散射成分；v (2) (2) 拉曼散射；拉曼散射；v (3) (3) 布里淵

32、散射。布里淵散射。2022-3- 10.4 10.4 分布式光纖溫度傳感器分布式光纖溫度傳感器 光纖光時域反射原理光纖光時域反射原理 光纖拉曼背向散射及其溫度效應光纖拉曼背向散射及其溫度效應 分布式光纖布里淵散射型溫度傳感器分布式光纖布里淵散射型溫度傳感器 分布式光纖拉曼背向散射光子溫度傳感器分布式光纖拉曼背向散射光子溫度傳感器2022-3-10.4.1 10.4.1 光纖光時域反射原理光纖光時域反射原理v 光時域反射光時域反射( (Optical Time-Domain Reflectometry, OTDR)技術最初用于評價光學通信領域中光纖、光纜和耦合器技術最初用于評價光學通信領域中光纖

33、、光纜和耦合器的性能，是用于檢驗光纖損耗特性、光纖故障的手段，的性能，是用于檢驗光纖損耗特性、光纖故障的手段，同時也是分布式光纖傳感器的基礎。同時也是分布式光纖傳感器的基礎。v 圖圖10.1210.12是基于背向散射的光纖分布式傳感器的測量原理。是基于背向散射的光纖分布式傳感器的測量原理。2022-3-10.4.1 10.4.1 光纖光時域反射原理光纖光時域反射原理v 當光通過圖當光通過圖10.1210.12中所示的測量物理場時，光能量將以三中所示的測量物理場時，光能量將以三種方式分配：種方式分配：v (1) (1) 一部分能量沿著光纖傳輸通道繼續(xù)傳播；一部分能量沿著光纖傳輸通道繼續(xù)傳播；v

34、(2) (2) 一部分能量在傳輸過程中被吸收損耗或是散射至光一部分能量在傳輸過程中被吸收損耗或是散射至光纖外；纖外；v (3) (3) 一部分能量被耦合至接收通道，被光電探測器探測。一部分能量被耦合至接收通道，被光電探測器探測。 圖圖10.12 10.12 基于背向散射的光纖分布式傳感器的測量原理基于背向散射的光纖分布式傳感器的測量原理2022-3-10.4.1 10.4.1 光纖光時域反射原理光纖光時域反射原理v 當脈沖在光纖中傳輸時，由于光纖中存在折射率的微觀當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，因此會產(chǎn)生瑞利散射。不均勻性，因此會產(chǎn)生瑞利散射。v 若入射光經(jīng)背向散射返

35、回到探測器端所需的時間為若入射光經(jīng)背向散射返回到探測器端所需的時間為 ，光脈沖在光纖中傳輸?shù)穆烦虨楣饷}沖在光纖中傳輸?shù)穆烦虨?L ，則，則 2L = vt 。v 其中，其中， 為光在光纖中的傳播速度，為光在光纖中的傳播速度，v = c/n； 為光在為光在真空中的速度；真空中的速度；n 為光纖的折射率。在為光纖的折射率。在 時刻測量的是時刻測量的是離光纖入射端距離為離光纖入射端距離為 處的背向瑞利散射光。處的背向瑞利散射光。tvctL2022-3-10.4.1 10.4.1 光纖光時域反射原理光纖光時域反射原理v 在空間域，光纖的瑞利背向散射光子數(shù)為在空間域，光纖的瑞利背向散射光子數(shù)為 (10.

36、7) (10.7) v 式中，式中， 為射入光纖的光脈沖所包含的光子數(shù)；為射入光纖的光脈沖所包含的光子數(shù)； 為為與光纖瑞利散射截面相關的系數(shù)；與光纖瑞利散射截面相關的系數(shù)； 為光纖的背向散射為光纖的背向散射因子；因子； 為入射激光光子頻率；為入射激光光子頻率； 為光纖的損耗；為光纖的損耗； 為被測物理場距光源的長度。為被測物理場距光源的長度。 v 可以表示為可以表示為 (10.8)(10.8) 4RR0e0exp()NK Sv NLeNRKS0v0LL/2Lctn2022-3-10.4.2 10.4.2 光纖拉曼背向散射及其溫度效應光纖拉曼背向散射及其溫度效應v 在頻域中，拉曼散射光子分為斯托

37、克斯散射光子和反斯在頻域中，拉曼散射光子分為斯托克斯散射光子和反斯托克斯散射光子。斯托克斯散射光子的頻率為托克斯散射光子。斯托克斯散射光子的頻率為 (10.9) (10.9)v 反斯托克斯散射光子的頻率為反斯托克斯散射光子的頻率為 (10.10) (10.10)v 式中，式中， 為光纖分子的振動頻率，聲子的振動頻為光纖分子的振動頻率，聲子的振動頻率率 。v 在光纖在光纖 處的斯托克斯散射光子數(shù)為處的斯托克斯散射光子數(shù)為 (10.11) (10.11) S0vvv a0vvv v131.32 10 Hzv L4SSSe0SSexp () ( )NK Sv NL R T2022-3-10.4.2

38、10.4.2 光纖拉曼背向散射及其溫度效應光纖拉曼背向散射及其溫度效應v 在光纖處的反斯托克斯散射光子數(shù)為在光纖處的反斯托克斯散射光子數(shù)為 (10.12) (10.12)v , , 分別為與光纖分子低能級和高能級上的分別為與光纖分子低能級和高能級上的布局數(shù)有關的系數(shù)，它們與光纖局域處的溫度有關。布局數(shù)有關的系數(shù)，它們與光纖局域處的溫度有關。 和和 分別為分別為 (10.13) (10.13) (10.14) (10.14)v 式中，式中， 為拉曼聲子頻率；為拉曼聲子頻率； 為普朗克常量；為普朗克常量； 為玻耳為玻耳茲曼常量。茲曼常量。4aaae0aaexp () ( )NK Sv NL R T

39、S( )R TS( )R Ta( )R Ta( )R T1S( )1exph vR Tkt 1a( )exp1h vR Tktvhk2022-3-10.4.2 10.4.2 光纖拉曼背向散射及其溫度效應光纖拉曼背向散射及其溫度效應v 實際測量時，可用光纖的斯托克斯散射實際測量時，可用光纖的斯托克斯散射OTDR 曲線解調(diào)曲線解調(diào)光纖的反斯托克斯散射光纖的反斯托克斯散射OTDR 曲線，此時有曲線，此時有v (10.15) (10.15) v 經(jīng)過變換有經(jīng)過變換有v (10.17)(10.17)v 由式由式(10.17)(10.17)可得局域處的溫度為可得局域處的溫度為 (10.18)(10.18)

40、4aaaaSSSS( )expexp () ( )N TK vh vLN TK vkT aS0a0S0exp( )()()( )exph vN T N TkTN T N Th vkT aS00a0S( )( )11ln( )( )N T N TkTTh vN T N T2022-3-10.4.2 10.4.2 光纖拉曼背向散射及其溫度效應光纖拉曼背向散射及其溫度效應v 對于多模光纖，如式對于多模光纖，如式(10.18)(10.18)所示的拉曼聲子頻所示的拉曼聲子頻率率 。通過上式即可以確定測量的溫度變化。通過上式即可以確定測量的溫度變化值。值。v 在實際測量中，也可以用瑞利散射在實際測量中，也

41、可以用瑞利散射OTDR 曲線來解調(diào)拉曲線來解調(diào)拉曼散射曼散射OTDR 曲線，此時，反斯托克斯自發(fā)拉曼散射與曲線，此時，反斯托克斯自發(fā)拉曼散射與瑞利散射光子數(shù)的比值為瑞利散射光子數(shù)的比值為 v (10.19) (10.19) v 當起始溫度當起始溫度 已知時，由式已知時，由式(10.19)(10.19)來確定光纖上來確定光纖上各點的溫度。各點的溫度。 131.3 10 Hzv 4aaaaa0RR0( )( )exp () ( )N TKvR TLN TKv0TT2022-3-10.4.2 10.4.2 光纖拉曼背向散射及其溫度效應光纖拉曼背向散射及其溫度效應v 瑞利散射與溫度無關，即瑞利散射與溫

42、度無關，即 ，因此有，因此有 (10.20) (10.20)v 當起始溫度已知時，通過式當起始溫度已知時，通過式(10.20)(10.20)可以確定光纖上各點可以確定光纖上各點的溫度。的溫度。v 由于光纖的瑞利散射信號要比自發(fā)拉曼散射信號強幾個由于光纖的瑞利散射信號要比自發(fā)拉曼散射信號強幾個數(shù)量級，因此式數(shù)量級，因此式(10.20)(10.20)的信噪比優(yōu)于式的信噪比優(yōu)于式(10.17)(10.17)。RR0( )( )N TN Ta0aRa0a0R0( )exp1( )( )()()exp1()h vNTkTNTNTNTh vNTNTkT2022-3-10.4.3 10.4.3 分布式光纖拉

43、曼背向散射光子溫度傳感器分布式光纖拉曼背向散射光子溫度傳感器v 典型的分布式光纖溫度傳感器及其系統(tǒng)如圖典型的分布式光纖溫度傳感器及其系統(tǒng)如圖10.1310.13所示。所示。 圖圖10.13 10.13 分布式光纖溫度傳感器及其系統(tǒng)分布式光纖溫度傳感器及其系統(tǒng)v 它主要由它主要由激光二極管激光二極管( ( LD ) )、光纖波分復用器、光電接、光纖波分復用器、光電接收與放大組件、信號采集與處理系統(tǒng)等單元收與放大組件、信號采集與處理系統(tǒng)等單元組成。組成。v 半導體激光器發(fā)出一系列光脈沖，經(jīng)過光纖耦合器進入半導體激光器發(fā)出一系列光脈沖，經(jīng)過光纖耦合器進入光纖，來自被測光纖的部分后向散射光再次經(jīng)過耦合器光纖，來自被測光纖的部分后向散射光再次經(jīng)過耦合器傳輸?shù)窖┍拦怆姸O管轉(zhuǎn)換為電信號。傳輸?shù)窖┍拦怆姸O管轉(zhuǎn)換為電信號。2022-3-10.4.4 10.4.4 分布式光纖布里淵