哈工大光纤传感技术结题论文

光纤温度传感器读书

报告

导师：刘丽华

学院：机电工程学院

学号：1100800609

姓名：王震宇

光纤温度传感器的研究进展和应用

关键词:光纤传感;温度;研究进展;应用

摘要:分析了光纤温度传感器的优点,综述了光纤温度传感器的发展现状和应用。分别介绍了分布式光纤温度传感器,光纤光栅温度传感器,干涉型光纤温度传感器,光纤荧光温度传感器和基于弯曲损耗的光线暗温度传感器的工作原理和研究现状,详细介绍了各种传感器的特点及各自的研究方向。

0 引言

温度是很常见也是很重要的物理量，它与人类生活和科学研究有着密切关系，所以温度的检测至关重要。但是其中的一些应用领域将面临特殊的工作环境，这对于温度的测量可能会造成一些特殊的困难。例如油井中的温度会随着开采深度的增加而不断提高，电力系统的测温环境具有高电压，大电流，强电磁干扰和空间狭小等特点，这就要寻求可靠性高，抗电磁干扰性强，响应快，体积小的新型传感器。尽管目前已有许多高温研究成果，但对于像火药燃烧时的温度等变化的高温数据很难通过传统的热响应率较慢的热电偶得到，并且所测结果是否能准确反映客观对象的真实情况也是一个棘手的问题。此时传统

的温度传感器难以进行有效的实时监测。近年来充分发挥光纤特性的光纤传感器为解决这些测试技术难题提供了途径。

光纤测温是二十世纪七十年代发展起来的一门新兴测温技术，与传统的温度传感器相比具有很多优点，光波不产生电磁干扰，也不怕电磁干扰，易被各种光探测器接收，可方便地进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配，光纤共走频率宽，动态范围大，是一种低损耗传输线，光纤本身不带电，体积小质量轻，易弯曲，抗辐射性能好，特别适合于易燃，易爆，空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。国外一些发达国家对光纤温度传感技术的应用研究已取得丰富成果，不少光纤温度传感器系统已实用化，成为替代传统温度传感器的商品。所有与温度相关的光学现象或特性，本质上都可以用于温度测量。基于此，用于温度测量的现有光学技术相当丰富。目前对于光纤温度传感器的研究占到将近所有光纤传感器研究的20%。

光纤温度传感器的研究，除对现有器件进行外场验证，完善和提高外，目前有以下几个发展动向：开发包括测量温度在内的多功能的传感器；研制大型传感器阵列，实现全光学遥测

一光纤温度传感器的光学原理及其分类

在光纤中主要涉及三种散射:瑞利散射,喇曼散射和布里渊散射,根据这三种散射,分布式光纤温度传感器可分为下面三种类型.

1.1 瑞利散射

瑞利散射是指光与微小粒子相遇时,光将向各个方向散射的现象.光

纤在制造拉丝过程中,从2000℃的高温迅速冷却到20℃左右的室温.这样,在2000℃时产生的密度分布不均匀和成分组成的不规则将残留在光纤中.这种微小的密度分布不均匀和微小的组成不规则性将产生瑞利散射损耗.瑞利散射系数随温度的不同会发生变化,且温度的变化会引起光纤数值孔径的变化,这将导致光纤中瑞利散射光强被温度调制发生变化.测量不同时刻从传感光纤返回的瑞利散射光强就能够得到延光纤各个位置上的温度场分布.在床柜的二氧化硅光纤中,温度的变化,引起光纤数值孔径和瑞利散射系数的变化很小,但是在液芯光纤中,瑞利散射系数具有很强的温敏性,从而使接收到的后向散射光强发生变化.因此,可以通过光脉冲传输过程中不同时间返回的接收光强信息来测定整条光纤的温度分布.

由于液芯光纤的使用,使得此方案存在很多限制:液体存在冰点和沸点,因而温度测量范围受到了很大限制,光纤的不纯或者有微粒,将增加光纤的散射面或者光纤局部损耗,从而使得信号不准确,给出错误的温度信息.另外液芯光纤的使用也不方便.这种方案是分布式温度传感方案的基础,但其只能在试验室内工作良好,能达到在几百米长的光纤上实现 3℃的测温,温度的空间分辨率达到5m.

基于瑞利散射的分布式温度传感器系统结构比较简单,所需元器件少,但是温度的变化会引起光纤波导物理特性的变化,使瑞利散射光强随温度变化而波动,所以无法精确测量温度.

1.2布里渊散射

布里渊散射是入射光与声波或传播的压力波相互作用的结果.这个

传播的压力波等效于一个以一定速度移动的密度光栅,因此布里渊散射可以看做入射光在移动的光栅上的散射,多普勒效应使得散射光的频率不同于入射光,布里渊频移与介质的折射率和介质中的声速成正比,温度的变化会引起折射率和声速的变化,所以可以通过测量光纤中散射光的布里渊频移来确定温度.

受激布里渊散射首先是被用于光纤通信中对光纤衰减特性的检测,由Horiguchi等人于1989年进行实验.他们使用了一个1.2m长的单模光纤和两个在其中相向传输的光束,为了定位,其中一个光束是脉冲的,而另一个是连续的,且频率可调.当在光纤上某一位置满足连续波频率等于脉冲波频率与光纤中压力波的频率之差时,脉冲激光的能量能最有效地转移到连续波激光上,这时到达探测器的连续波激光强度将出现一个尖峰,通过找这个尖峰就可以知道光纤上某处的温度信息.首次实验取得了在-30~-60℃温度范围内,空间分辨率位100m,温度分辨率为3℃的性能指标.从那时起,世界上进行了许多这方面的研究,因为这一技术不仅能用于温度分布测量,而且还能用于应力的分布传感,多年的你使其性能指标也有了突飞猛进的进展,至1995年,所公布的这类试验系统的性能指标已达到传感距离32km,温度分辨率1℃,和空间分辨率5m(几乎已经是极限了).自发布里渊散射十分微弱,观察也就十分困难,所以通常擦用的是受激布里渊散射.

根据量子理论计算,后向受激布里渊散射光相对于入射光的频移

1.3喇曼散射

喇曼散射测温的结构与瑞利散射测温的相似,只是接受光时通常采用波分复用器将反斯托克斯光和斯托克斯光分别滤除,滤出光再经过一个pin和放大器探测放大,最后通过信号处理到计算机中显示出来.

由上式可见,光强之比与入射激光光功率,条件,应力均无关,具有良好的温度特性,因此,根据光脉冲传输过程中不同时间返回后向拉曼散射光强比,可测定整条光纤的温度分布,由于光纤所处空间各点温度场调制了后向拉曼散射的强度,经过波分复用和光电探测采集了带有温度信息的光电信号,再经过信号处理系统解调后,将温度场信息解调出来.在时域里,利用光纤中光波的速度和后向回波的时间间隔,利用otdr技术对所测温度点进行定位,实现分布式传感.

基于拉曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术.对该技术开展研究工作的主要有英国南安普顿大学,中国的重庆大学,和中国计量学院.目前,该类传感器的一些产品已