光纤温传感器.pptx

《光纤温传感器.pptx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《光纤温传感器.pptx（74页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第10章 光纤温度传感器10.2 10.2 传光型光纤温度传感器传光型光纤温度传感器210.3 10.3 功能型光纤温度传感器功能型光纤温度传感器310.4 10.4 分布式光纤温度传感器分布式光纤温度传感器4110.1 10.1 引引 言言第1页/共74页10.1 10.1 引引 言言在科研和工农业生产中，温度是检测与控制的重要参数。传统的温度测量技术已很成熟，如热电偶、热敏电阻、光学高温计、半导体以及其他类型的温度传感器。它们的敏感特性都是以电信号为工作基础的，即温度信号被电信号调制；而在特殊工况和环境下，如易燃、易爆、高电压、强电磁场、而在特殊工况和环境下，如易燃、易爆、高电压、强电磁场

2、、具有腐蚀性气体、液体，以及要求快速响应、非接触等，光具有腐蚀性气体、液体，以及要求快速响应、非接触等，光纤温度测量技术具有独到的优越性纤温度测量技术具有独到的优越性。第2页/共74页 由于光纤本身的电绝缘性以及固有的宽频带等优点，使得由于光纤本身的电绝缘性以及固有的宽频带等优点，使得光纤温度传感器光纤温度传感器突破了突破了电调制温度传感器的限制。同时，由于其工作时温度信号被光信号调制，传感器多电调制温度传感器的限制。同时，由于其工作时温度信号被光信号调制，传感器多采用石英光纤，传输的幅值信号损耗低，并可以远距离传输，使传感器的光电器件采用石英光纤，传输的幅值信号损耗低，并可以远距离传输，使传

3、感器的光电器件远离现场，避免了恶劣的环境。在辐射测温中，光纤代替了常规测温仪的空间传输远离现场，避免了恶劣的环境。在辐射测温中，光纤代替了常规测温仪的空间传输光路，使干扰因素如尘雾、水汽等对测量结果影响很小。光纤质量小，截面小，可光路，使干扰因素如尘雾、水汽等对测量结果影响很小。光纤质量小，截面小，可弯曲传输测量不可视工作温度，便于特殊工况下的安装使用。弯曲传输测量不可视工作温度，便于特殊工况下的安装使用。第3页/共74页红外温度传感器而在特殊工况和环境下，如易燃、易爆、高电压、强电磁场、而在特殊工况和环境下，如易燃、易爆、高电压、强电磁场、具有腐蚀性气体、液体，以及要求快速响应、非接触等，光

4、具有腐蚀性气体、液体，以及要求快速响应、非接触等，光纤温度测量技术具有独到的优越性纤温度测量技术具有独到的优越性。自然界一切温度高于绝对零度的物体。由于分子的热运动都在不停地向周围空间辐射包括红外波段在内的电磁波。其辐射能量密度与物体本身的温度关系符合普朗克定律公式是？第4页/共74页光纤用于温度测量的机理与结构形式多种多样，按光纤所起的作用基本上可分为两大类：一类是传光型，这类传感器仅由光纤的几何位置排布实现光转换功能；另一类是传感型，它以光的相位、波长、强度（干涉）等为测量信号。传光型与传感型相比，虽然其温度灵敏度较低，但是由于具有技术上容易实现、结构简单、抗干扰能力强等特点，在实用化技术

5、方面取得了突破，发展较快。如荧光衰减型、热辐射型光纤温度传感器已达到实用水平。光纤温度传感器第5页/共74页 光纤温度传感器的测温机理及特点下表光纤温度传感器的测温机理及特点下表10.110.1传光型光纤温度传感器传光型光纤温度传感器：使用电子式敏感器件，光纤仅为信号的传输通道；：使用电子式敏感器件，光纤仅为信号的传输通道；传感型光纤温度传感器：传感型光纤温度传感器：利用其本身具有的物理参数随温度变化的特性检测温度，利用其本身具有的物理参数随温度变化的特性检测温度，光纤本身为敏感元件，其温度灵敏度较高；但由于光纤对温度以外的干扰如振动、光纤本身为敏感元件，其温度灵敏度较高；但由于光纤对温度以外

6、的干扰如振动、应力等的敏感性，使其工作的稳定性和精度受到影响。应力等的敏感性，使其工作的稳定性和精度受到影响。光纤温度传感器测测 温温 机机 理理 传感器的特点传感器的特点 荧光荧光 激发的荧光（强度、时间）与测量温度的相关性激发的荧光（强度、时间）与测量温度的相关性光干涉光干涉 法布里法布里-珀罗器件，薄膜干涉珀罗器件，薄膜干涉 光吸收光吸收 砷化镓等半导体吸收砷化镓等半导体吸收 热致光辐射热致光辐射黑体腔、石英、红外光纤、光导棒黑体腔、石英、红外光纤、光导棒 光散射光散射 载有温度信息的光在光纤中形成的拉曼散射、瑞利散射载有温度信息的光在光纤中形成的拉曼散射、瑞利散射 表表10.1 光纤温

7、度传感器的测温机理及特点光纤温度传感器的测温机理及特点第6页/共74页10.2 10.2 传光型光纤温度传感器传光型光纤温度传感器10.2.110.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器10.2.210.2.2 热色效应光纤温度传感器热色效应光纤温度传感器10.2.310.2.3 荧光型光纤温度传感器荧光型光纤温度传感器第7页/共74页10.2.1 10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器 许多半导体材料在它的红限波长 （即其禁带宽度对应的波长）的一段光波长范围内有递减的吸收特性，超过这一波段范围几乎不产生吸收，这一波段范围称为半导体材料

8、的(能带隙)吸收端。如GaAs,CdTe材料的吸收端在0.9m附近，如图10.1(a)所示。第8页/共74页(a)光吸收温度特性光吸收温度特性 (b)结构结构图图10.1 半导体光吸收型光纤温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器10.2.1 10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器第9页/共74页 用这种半导体材料作为温度敏感头的原理是，它们的禁带宽度随温度升高几乎线性地变窄，相应的红限波长g几乎线性地变长，从而使其光吸收端线性地向长波方向平移。显然，当一个辐射光谱与 相一致的光源发出的光通过半导体时，其透射光强随温度升高而线性地减小。图10.1(a)示出了这一说

9、明。采用如图10.1(b)所示的结构，就组成了一个最简单的光纤温度传感器。这种结构由于光源不稳定的影响很大，实际中很少采用。10.2.1 10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器第10页/共74页一一个个实实用用化化的的设设计计如如图图10.210.2所所示示。这这种种传传感感器器的的测测量量范范围围是是-10300，精精度可达度可达 1。10.2.1 10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器第11页/共74页 光光探探测测器器输输出出信信号号经经采采样样放放大大器器后后，得得到到两两个个正正比比于于脉脉冲冲宽宽度度的的直直流流信信号

10、号，再再由由除除法法器器以以参参考考光光信信号号(2)为为标标准准将将与与温温度度相相关关的的光光信信号号(1)归归一一化化。于于是是，除除法法器器的的输输出出只只与与温温度度T有有关关。采用单片机进行信息处理即可显示温度采用单片机进行信息处理即可显示温度。10.2.1 10.2.1 半导体光吸收型光纤温度传感器半导体光吸收型光纤温度传感器 两两个个光光源源，铝铝镓镓砷砷发发光光二二极极管管：波波长长1 0.88m；铟铟镓镓磷磷砷砷发发光光二二极极管管，波波长长21.27m。敏敏感感头头对对1光光的的吸吸收收随随温温度度而而变变化化，对对2光光不不吸吸收收，故故取取2光光作作为为参参考考信信号

11、号。用用雪雪崩崩光光电电二极管作为光探测器。二极管作为光探测器。第12页/共74页 许多无机溶液的颜色随温度而变化，因而溶液的光吸收谱线也随温度而变化，称为热色效应。其中钴盐溶液表现出最强的光吸收作用，热色溶液如 溶液的光吸收频谱如图10.3所示。10.2.2 10.2.2 热色效应光纤温度传感热色效应光纤温度传感器器第13页/共74页 从从图图10.3可可见见，在在25 75之之间间的的不不同同温温度度下下，波波长长在在400 800nm范范围围内内有有强强烈烈的的热热色色效效应应。在在655 nm波波长长处处，光光透透射射率率几几乎乎与与温温度度成成线线性性关关系系，而而在在800 nm处

12、处，几几乎乎与与温温度度无无关关。同同时时，这这样样的的热热色色效效应应是是完完全全可可逆逆的的，因因此此可可将将这这种种溶溶液液作作为为温温度度敏敏感感探探头头，并并分分别别采采用用波波长长为为655 nm和和800 nm的的光光作作为为敏敏感感信信号号和和参参考考信号信号。10.2.2 10.2.2 10.2.2 10.2.2 热色效应光纤温度传感器热色效应光纤温度传感器热色效应光纤温度传感器热色效应光纤温度传感器第14页/共74页这种温度传感器的组成如图10.4所示。10.2.2 10.2.2 10.2.2 10.2.2 热色效应光纤温度传感器热色效应光纤温度传感器热色效应光纤温度传感器

13、热色效应光纤温度传感器第15页/共74页 光光源源采采用用卤卤素素灯灯泡泡，光光进进入入光光纤纤之之前前进进行行斩斩波波调调制制。探探头头外外径径为为1.5 mm，长长为为10 mm，内内充充钴钴盐盐溶溶液液，两两根根光光纤纤插插入入探探头头，构构成成单单端端反反射射形形式式。从从探探头头出出来来的的光光纤纤经经Y形形分分路路器器将将光光分分为为两两种种，分分别别经经655 nm和和800 nm滤滤波波片片得得到到信信号光和参考光，号光和参考光，10.2.2 10.2.2 10.2.2 10.2.2 热色效应光纤温度传感器热色效应光纤温度传感器热色效应光纤温度传感器热色效应光纤温度传感器 再再

14、经经光光电电信信息息处处理理电电路路，得得到到温温度度信信息息。由由于于系系统统利利用用信信号号光光和和参参考考光光的的比比值值作作为为温温度度信信息息，因因而而消消除除了了光光源源波波动动及及其其他他因因素素的的影影响响，保保证证了了系系统统测量的准确性。测量的准确性。第16页/共74页10.2.3 10.2.3 荧光型光纤温度传感器荧光型光纤温度传感器 荧光现象大致分为两类：一类是下转换荧光现象，短波长辐射（紫外线、X射线）激发出长波长（可见光）光辐射；另一类是上转换荧光现象，长波长光辐射（LED、红外光）通过双光子效应激发出短波长（可见光）光辐射。后一类用于温度测量时，费效比低，有实用意

15、义。荧光材料是 ：荧光粉，激励波长为 940nm，荧光波长为554 nm。荧光特性如图10.5所示，分为荧光段和余辉段。第17页/共74页图图10.5 光脉冲激励的荧光特性光脉冲激励的荧光特性 10.2.3 10.2.3 荧光型光纤温度传感器荧光型光纤温度传感器联合使用这两个温度参数实现温度计联合使用这两个温度参数实现温度计量的方法是所谓的余辉强度积分法，量的方法是所谓的余辉强度积分法，第18页/共74页式中，t=t2-t1；A是常数；IP(T)是停止激励时的荧光峰值强度，是温度的函数；(T)是荧光余辉寿命，是温度的函数。式(10.1)表明，IP(T)和(T)是两个与温度T有关的独立的参数，可

16、用于计量温度。余辉强度余辉强度I(t)是温度和时间的函数，即是温度和时间的函数，即(10.1)(10.1)10.2.3 10.2.3 荧光型光纤温度传感器荧光型光纤温度传感器第19页/共74页 联合使用这两个温度参数实现温度计量的方法是所谓的余辉强度积分法，即联合使用这两个温度参数实现温度计量的方法是所谓的余辉强度积分法，即(10.2)该积分值等于图该积分值等于图10.5中斜线下的面积，如图中阴影部分所示。温度不同，这中斜线下的面积，如图中阴影部分所示。温度不同，这个面积不同。这种方法的优点是温度计量的重现性好，测量范围宽。信号处理个面积不同。这种方法的优点是温度计量的重现性好，测量范围宽。信

17、号处理中采取中采取m次累计平均的方法，如图次累计平均的方法，如图10.6所示。所示。荧光型光纤温度传感器的组成原理框图如图荧光型光纤温度传感器的组成原理框图如图10.7所示。所示。第20页/共74页图图10.6 余辉强度积分法示意图余辉强度积分法示意图10.2.3 10.2.3 荧光型光纤温度传感器荧光型光纤温度传感器 温温度度不不同同，这这个个面面积积不不同同。这这种种方方法法的的优优点点是是温温度度计计量量的的重重现现性性好好，测测量量范范围围宽宽。信信号号处处理理中中采采取取m次次累累计计平平均均的的方方法法，如如图图10.6所示。所示。荧光型光纤温荧光型光纤温度传感器的组成原度传感器的

18、组成原理框图如图理框图如图10.7所所示。示。第21页/共74页10.7荧光型光纤温度传感器的组成原理框图荧光型光纤温度传感器的组成原理框图 LEDLED发发射射波波长长为为940 940 nmnm的的脉脉冲冲光光，通通过过光光纤纤入入射射到到探探头头荧荧光光粉粉上上，由由于于双双光光子子过过程程荧荧光光粉粉发发射射出出波波长长为为554 554 nmnm的的绿绿光光，经经光光纤纤分分路路送送至至光光电电探探测测器器进进行行光光电电转转换换，再再经经放放大大电电路路放放大大，由由微微机机控控制制的的采采样样、保保持持及及模模-数数转转换换电电路路对对荧荧光光波波进进行行采采样样，并并由由微微机

19、机对对采采集集的的数数据据进进行行处处理理，给给出出温温度度的的信息。信息。10.2.3 10.2.3 荧光型光纤温度传感器荧光型光纤温度传感器第22页/共74页10.3 10.3 功能型光纤温度传感器功能型光纤温度传感器 10.3.110.3.1 光纤温度开关传感器光纤温度开关传感器 10.3.310.3.3 热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器10.3.210.3.2 掺杂光纤温度传感器掺杂光纤温度传感器10.3.410.3.4 相位干涉型光纤温度传感器相位干涉型光纤温度传感器第23页/共74页10.3.1 10.3.1 光纤温度开关传感器光纤温度开关传感器 如果光纤纤芯和包层材料的折

20、射率随温度变化，且在某一温度下出现交叉时，这种光纤就可以用做光纤温度传感器。第24页/共74页 图图10.8 三对光纤材料的折射率交叉点三对光纤材料的折射率交叉点 图图10.810.8示示出出了了三三对对这这种种光光纤纤材材料料的的折折射射率率交交叉叉点点情情况况。当当纤纤心心折折射射率率大大于于包包层层折折射射率率时时，光光能能被被集集中中在在纤纤心心中中。当当温温度度升升高高到到两两条条折折射射率率曲曲线线的的交交叉叉点点时时，因因纤纤心心与与包包层层折折射射率率的的差差为为0 0，光光能能进进入入包包层层。温温度度再再升升高高，纤纤心心中中光光能能量量将将中中断断，传传感感器器将将发发出

21、出警警报报信信号号。由由于于传传感感器器是是电电绝绝缘缘的的，又又不不怕怕强强电电磁磁干干扰扰，因因此此可可以以方方便便地地用用于于大大型型发发电电机机、电电动动机机及及变压器中进行温度监控。变压器中进行温度监控。10.3.1 10.3.1 光纤温度开关传感器光纤温度开关传感器第25页/共74页10.3.2 10.3.2 掺杂光纤温度传感器掺杂光纤温度传感器掺杂稀土元素（如钕、铕）的玻璃光纤，具有温度敏感的吸收光谱，在两个波长处具有单调温度函数特性，如图10.9所示。在840nm波长处，吸收随温度升高而减少；在860nm处则相反，吸收随温度升高而增加。在500处进行校准后，测定两个波长处的光强

22、，由其比值即可测定温度。通常这种传感器的测温范围为0800。第26页/共74页10.3.2 10.3.2 掺杂光纤温度传感器掺杂光纤温度传感器掺杂稀土元素（如钕、铕）的玻璃光纤，具有温度敏感的吸收光谱，在两个波长处具有单调温度函数特性，如图10.9所示。在840nm波长处，吸收随温度升高而减少；在860nm处则相反，吸收随温度升高而增加。在500处进行校准后，测定两个波长处的光强，由其比值即可测定温度。通常这种传感器的测温范围为0800。第27页/共74页(a)掺钕光纤温度敏感的吸收光谱掺钕光纤温度敏感的吸收光谱 (b)温度响应曲线温度响应曲线 图图10.9 掺钕光纤的温度特性掺钕光纤的温度特

23、性10.3.2 10.3.2 掺杂光纤温度传感器掺杂光纤温度传感器第28页/共74页10.3.3 10.3.3 热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器是基于光纤被加热要引起热辐射这个原理的。热辐射的强度和波长是温度的函数，由于光纤材料的光谱工作范围的限制，这种传感器的适用范围在高温区（一般在500以上），因此称为高温传感器。第29页/共74页 接接触触式式热热辐辐射射光光纤纤高高温温传传感感器器通通常常有有两两种种构构成成方方式式：分分布布黑黑体体腔腔和和固固定定黑黑体体腔腔。前前者者是是把把与与高高温温(500 1000)区区接接触触的的一一段段光光纤纤当当做做黑黑体体

24、腔腔处处理理，这这个个接接触触区区可可以以在在光光纤纤的的任任何何一一段段上上发发生生，因因而而可可以以同同时时测测量量热热区区（接接触触区区）温温度度及及热热区区位位置置。缺缺点点是是黑黑体体腔腔的的发发射射率率受受接接触触区区尺尺寸寸及及所所用用光光纤纤总总长长度度的的影影响。响。10.3.3 10.3.3 热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器第30页/共74页 图图10.10 固定黑体腔光纤高温传感器的构成原理固定黑体腔光纤高温传感器的构成原理 我们着重讨论已经比较成熟的固定黑体腔光纤高温传感器，其构成原理如图我们着重讨论已经比较成熟的固定黑体腔光纤高温传感器，其构成原理如图10.1

25、010.10所示。所示。这这种种传传感感器器主主要要包包括括三三大大部部分分：带带黑黑体体腔腔的的高高温温单单晶晶蓝蓝宝宝石石(-Al2O3)光光纤纤（其其熔熔化化点点温温度度为为2050）、传传送送待待测测热热辐辐射射功功率率的的低低温温多多模模光光纤纤和和光光电电数数据据处处理理系系统。统。10.3.3 10.3.3 热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器第31页/共74页当黑体腔与待测高温区热平衡时，黑体腔就按照黑体辐射定律发射与待测温度T相对应的电磁辐射，其谱功率密度出射度为(10.3)式中，为黑体腔谱发射率；为第一辐射常数()；为第二辐射常数()；T为待测温度(K)；为辐射波长(m

26、)。10.3.3 10.3.3 热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器第32页/共74页这这一一功功率率从从黑黑体体腔腔出出口口经经高高温温光光纤纤直直接接耦耦合合进进入入低低温温传传输输光光纤纤，最最后后射射入入光光电电二二极极管管光光敏敏面面，如如果果用用n1，n2分分别别表表示示高高温温光光纤纤与与低低温温光光纤纤、低低温温光光纤纤与与光光电电二二极极管管光光敏敏面面的的功功率率的的耦耦合合效效率率，用用 分分别别表表示示高高温温光光纤纤，截截面面积积、长长度度、损损耗耗系系数数，并并考考虑虑到到光光电电二二极极管管光光敏敏面面的的光光谱谱响响应应范范围围为为0.41.1 m，则则入入

27、射射到到光光电电二二极极管管光光敏敏面面的的黑体辐射功率为黑体辐射功率为(10.4)10.3.3 10.3.3 热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器第33页/共74页 可见，入射到光电二极管光敏面上的功率与待测温度有确定关系，这就是热辐射光纤高温传感器的原理依据。经光电转换、信号放大、A/D转换、微机处理及显示，给出待测温度值。对对式式(10.4)中中的的出出射射度度M(T)可可以以进进行行理理论论计计算算，再再考考虑虑各各种种耦耦合合系系数数的的量量值值。我们发现，在我们发现，在500 1800的测温范围，黑体辐射功率的动态范围在的测温范围，黑体辐射功率的动态范围在 之间，达之间，达 量

28、级。量级。10.3.3 10.3.3 热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器第34页/共74页综合讨论，实现光纤高温传感技术的关键是：综合讨论，实现光纤高温传感技术的关键是：第第一一，性性能能稳稳定定的的高高温温光光纤纤及及黑黑体体腔腔的的制制作作；第第二二，适适应应大大动动态态范范围围要要求求的的高高性噪比电子数据处理系统的精心设计。性噪比电子数据处理系统的精心设计。关关于于蓝蓝宝宝石石光光纤纤探探头头黑黑体体腔腔的的形形成成，有有三三种种方方法法：溅溅射射蒸蒸镀镀、包包钳钳和和人人工工缠缠绕绕。前前者者性性能能最最好好，但但成成品品率率低低，后后两两种种方方法法非非常常简简单单，且且性性

29、能能满满足足要要求求。为为了了使使黑黑体体腔腔的发射率的发射率 稳定，一般只要控制黑体腔的长径比大于稳定，一般只要控制黑体腔的长径比大于3 3即可，则即可，则 。10.3.3 10.3.3 热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器第35页/共74页关于电子数据处理系统，要求在500时能稳定检测出量级的微弱信号，一般应采用高阻抗低噪声前放与高Q选频放大相结合的放大方案。这又要求信号中心频率十分稳定，采用温补晶振锁相环控制调制频率，稳定度可达10-4量级，能满足高Q选频放大器窄带宽(f=10Hz)的要求。5001800温度范围内的光功率动态范围高达105W量级，远远超出了放大器的动态范围。采用电子

30、开关动态范围扩展技术将测温范围分成若干温段，问题就能解决。10.3.3 10.3.3 热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器第36页/共74页图图10.11示出了信号检测系统的原理框图。采用这样的系统，在示出了信号检测系统的原理框图。采用这样的系统，在500 1800的高温的高温范围内，测温精度高达范围内，测温精度高达0.1。如果采用光谱校准技术，测温精度可达。如果采用光谱校准技术，测温精度可达0.05。10.3.3 10.3.3 热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器第37页/共74页图图10.11 信号检测系统的原理框图信号检测系统的原理框图10.3.3 10.3.3 热辐射光纤高温传

31、感器热辐射光纤高温传感器第38页/共74页10.3.4 10.3.4 相位干涉型光纤温度传感器相位干涉型光纤温度传感器利用相位干涉仪做成的光纤温度传感器有多种形式，其中以马赫-泽得光纤干涉仪和法布里-珀罗光纤干涉仪最为典型。这里主要讨论马赫-泽得光纤干涉仪光纤温度传感器。这种光纤温度传感器的特点是：灵敏度高（理论值可达10-8），可对多种物理量敏感，对光纤本身性能要求高（如要采用高双折射单模保偏光纤，且要求对非测物理量去敏等）。第39页/共74页燕山大学光电子系常用相位调制型光纤传感结构常用相位调制型光纤传感结构a)麦克尔逊干涉仪 c)法布里-珀罗干涉仪a)Michelson interfer

32、ometer c)Fabry-Perot interferometerb)马赫-曾德尔干涉仪d)塞格奈克干涉仪b)Mach-Zehnderinterferometer d)Sagnac interferometer图1-5各种光纤干涉仪 第40页/共74页马赫马赫-泽得光纤温度传感器工作时，由激光器（如泽得光纤温度传感器工作时，由激光器（如He-NeHe-Ne激光器）激光器）发出的激光经分束器分别送入两根长度基本相同的单模光纤。发出的激光经分束器分别送入两根长度基本相同的单模光纤。将两根光纤的输出光束汇合到一起，两光束发生干涉，出现将两根光纤的输出光束汇合到一起，两光束发生干涉，出现干涉条纹，

33、光电探测器用来检测干涉条纹的变化。当测量干涉条纹，光电探测器用来检测干涉条纹的变化。当测量（敏感）臂光纤受到温度场的作用后，会产生相位变化，从（敏感）臂光纤受到温度场的作用后，会产生相位变化，从而引起干涉条纹的移动。显然，干涉条纹的移动量反映出被而引起干涉条纹的移动。显然，干涉条纹的移动量反映出被测温度的变化。测温度的变化。10.3.4 10.3.4 相位干涉型光纤温度传感器相位干涉型光纤温度传感器第41页/共74页 考虑到测量臂光波相位变化是由温度变化引起的，可以写出温度灵敏度为(10.5)对石英光纤而言，有(10.6)（裸光纤）（裸光纤）（护套光纤）（护套光纤）第42页/共74页由这两个数

34、值量级可见，对石英裸光纤，其温度灵敏度几乎完全由折射率变化（光由这两个数值量级可见，对石英裸光纤，其温度灵敏度几乎完全由折射率变化（光弹效应）决定，这是因为石英本身的热膨胀系数极小的缘故；而护套石英光纤弹效应）决定，这是因为石英本身的热膨胀系数极小的缘故；而护套石英光纤的温度灵敏度比裸光纤大得多。这说明，护套层的杨氏模量和膨胀系数对光纤的温度灵敏度比裸光纤大得多。这说明，护套层的杨氏模量和膨胀系数对光纤的温度灵敏度影响很大。实际上，人们正是利用不同护套材料的热膨胀系数的的温度灵敏度影响很大。实际上，人们正是利用不同护套材料的热膨胀系数的差异来对光纤进行温度增敏（高膨胀系数），或对温度去敏（低温

35、度系数）。差异来对光纤进行温度增敏（高膨胀系数），或对温度去敏（低温度系数）。第43页/共74页这里顺便指出，当马赫-曾德尔干涉仪用于其他物理量如声压、磁场、电场的传感测量时，都有一个为了提高灵敏度而增敏的问题。研究表明，在石英光纤外面包一层弹性模量比石英低的材料（如塑料），可以大大提高干涉仪对声压的测量灵敏度；在测量磁场时，可以采用涂覆具有高磁伸缩系数的材料来提高灵敏度；当光纤与外场间接作用时，可以将光纤绕在对外场敏感的圆筒上，如测量声压时，将光纤绕在有柔性膜片的圆筒上，也可以大大提高探测的灵敏度。第44页/共74页所有的增敏措施都是为了提高相位变化的灵敏度，高的相位灵敏度决定了相位传感器探

36、所有的增敏措施都是为了提高相位变化的灵敏度，高的相位灵敏度决定了相位传感器探测的相位变化是十分微弱的。测的相位变化是十分微弱的。这时相位检测带来了一个问题，即信号检测中的衰落这时相位检测带来了一个问题，即信号检测中的衰落现象。由于传感器不但受到被测场的作用，而且受到周围环境的影响，如温度传感现象。由于传感器不但受到被测场的作用，而且受到周围环境的影响，如温度传感器会受到压力场的干扰，压力传感器会受到环境温度变化引起的干扰以及磁场、振器会受到压力场的干扰，压力传感器会受到环境温度变化引起的干扰以及磁场、振动的影响。这种环境干扰使测量的背景场随机起伏，使干涉仪噪声加大，造成信号动的影响。这种环境干

37、扰使测量的背景场随机起伏，使干涉仪噪声加大，造成信号衰落。衰落。因此，研究能抑制干涉仪输出衰落问题的检测技术是十分突出的问题，也是因此，研究能抑制干涉仪输出衰落问题的检测技术是十分突出的问题，也是光纤相位传感器能够实用化的关键。光纤相位传感器能够实用化的关键。第45页/共74页10.4 10.4 分布式光纤温度传感器分布式光纤温度传感器典型的分布式光纤温度传感器系统，能在整个连续的光纤上，以距离的连续函数形式测量出光纤上各点的温度值。分布式光纤温度传感器的工作机理是基于光纤内部光的散射现象的温度特性，利用光时域反射测试技术，将较高功率窄带光脉冲送入光纤，然后将返回的散射光强随时间的变化探测下来

38、。分布式光纤温度传感器基于背向散射或前向散射机理，其中背向散射具有温度测量的实际意义。第46页/共74页瑞瑞利利散散射射是是造造成成光光纤纤传传输输衰衰减减的的主主要要因因素素，虽虽然然其其背背向向散散射射效效应应较较强强，但但在在常常规规材材料料的的光光纤纤中中，它它随随温温度度的的变变化化不不明明显显。非非顺顺应应性性的的拉拉曼曼散散射射与与布布里里渊渊散散射射，虽虽然然在在强强度度上上远远弱弱于于瑞瑞利利散散射射，但但是是它它们们都都与与温温度度直直接接相相关关。要要从从普普通通的的石石英英光光纤纤中中探探测这两种散射，在技术上已不成问题。测这两种散射，在技术上已不成问题。从从光光纤纤返

39、返回回的的散散射射光光有有三三种种成成分分：(1)(1)由由折折射射率率的的波波动动引引起起的的瑞瑞利利散散射射，与与入入射射光光的的频率相同，是强度最高的散射成分；频率相同，是强度最高的散射成分；(2)(2)拉曼散射；拉曼散射；(3)(3)布里渊散射。布里渊散射。10.4 10.4 分布式光纤温度传感器分布式光纤温度传感器第47页/共74页10.4.110.4.1 光纤光时域反射原理光纤光时域反射原理10.4.210.4.2 光纤拉曼背向散射及其温度效应光纤拉曼背向散射及其温度效应10.4.410.4.4 分布式光纤布里渊散射型温度传感器分布式光纤布里渊散射型温度传感器10.4.310.4.

40、3 分布式光纤拉曼背向散射光子温度传感器分布式光纤拉曼背向散射光子温度传感器10.4 10.4 分布式光纤温度传感器分布式光纤温度传感器第48页/共74页 图图10.14 光纤中后向散射光的频谱分布光纤中后向散射光的频谱分布10.4 10.4 分布式光纤温度传感器分布式光纤温度传感器第49页/共74页10.4.1 10.4.1 光纤光时域反射原理光纤光时域反射原理光时域反射(OpticalTime-DomainReflectometry,OTDR)技术最初用于评价光学通信领域中光纤、光缆和耦合器的性能，是用于检验光纤损耗特性、光纤故障的手段，同时也是分布式光纤传感器的基础。图10.12是基于背

41、向散射的光纤分布式传感器的测量原理。第50页/共74页图图10.12 基于背向散射的光纤分布式传感器的测量原理基于背向散射的光纤分布式传感器的测量原理10.4.1 10.4.1 光纤光时域反射原理光纤光时域反射原理第51页/共74页 当光通过图当光通过图10.1210.12中所示的测量物理场时，光能量将以三种方式分配：中所示的测量物理场时，光能量将以三种方式分配：(1)(1)一部分能量沿着光纤传输通道继续传播；一部分能量沿着光纤传输通道继续传播；(2)(2)一部分能量在传输过程中被吸收损耗或是散射至光纤外；一部分能量在传输过程中被吸收损耗或是散射至光纤外；(3)(3)一部分能量被耦合至接收通道

42、，被光电探测器探测。一部分能量被耦合至接收通道，被光电探测器探测。10.4.1 10.4.1 光纤光时域反射原理光纤光时域反射原理第52页/共74页当脉冲在光纤中传输时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，因此会产生瑞利散射。若入射光经背向散射返回到探测器端所需的时间为t，光脉冲在光纤中传输的路程为2L，则2L=vt。其中，v为光在光纤中的传播速度，v=c/n；c为光在真空中的速度；n为光纤的折射率。在t时刻测量的是离光纤入射端距离为L处的背向瑞利散射光。10.4.1 10.4.1 光纤光时域反射原理光纤光时域反射原理第53页/共74页 在空间域，光纤的瑞利背向散射光子数为在空间域，光纤的瑞利

43、背向散射光子数为(10.7)式式中中，Ne 为为射射入入光光纤纤的的光光脉脉冲冲所所包包含含的的光光子子数数；KR为为与与光光纤纤瑞瑞利利散散射射截截面面相相关关的的系系数数；S为为光光纤纤的的背背向向散散射射因因子子；0为为入入射射激激光光光光子子频频率率；0为为光光纤纤的的损损耗；耗；L为被测物理场距光源的长度。为被测物理场距光源的长度。L可以表示为可以表示为 (10.8)第54页/共74页10.4.2 10.4.2 光纤拉曼背向散射及其温度效应光纤拉曼背向散射及其温度效应当频率为0的激光进入光纤时，在其背向会产生拉曼散射，即频率不同于入射光的散射光。由于其分子量很少，所以拉曼散射与瑞利散

44、射相比相当弱。拉曼散射光子的频率既可向低处移动（斯托克斯频移），也可向高处移（反斯托克斯频移)，因此拉曼散射在频谱上，是由位于瑞利散射两旁的、对应的斯托克斯和反斯托克斯谱线组成的。在频域中，拉曼散射光子分为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频率为第55页/共74页 反斯托克斯散射光子的频率为反斯托克斯散射光子的频率为(10.10)式中，式中，为光纤分子的振动频率，声子的振动频率为光纤分子的振动频率，声子的振动频率 。在光纤在光纤L处的斯托克斯散射光子数为处的斯托克斯散射光子数为 (10.11)在光纤在光纤L处的反斯托克斯散射光子数为处的反斯托克斯散射光子数为(10.12)

45、10.4.1 10.4.1 光纤光时域反射原理光纤光时域反射原理第56页/共74页式(10.11)和式(10.12)中，Ka，KS 分别为与光纤斯托克斯和反斯托克斯散射截面有关的系数；S为光纤的背向散射因子；,分别为斯托克斯和反斯托克斯散射光子频率；分别为入射光、斯托克斯散射光和反斯托克斯散射光频率的光纤传输损耗；L为光纤待测局域处的长度；分别为与光纤分子低能级和高能级上的布局数有关的系数，它们与光纤局域处的温度有关。(10.11)(10.12)10.4.1 10.4.1 光纤光时域反射原理光纤光时域反射原理第57页/共74页 分别为分别为 (10.13)(10.14)式中，式中，为拉曼声子频

46、率；为拉曼声子频率；h为普朗克常量；为普朗克常量；k为玻耳兹曼常量。为玻耳兹曼常量。10.4.1 10.4.1 光纤光时域反射原理光纤光时域反射原理第58页/共74页 实实际际测测量量时时，可可用用光光纤纤的的斯斯托托克克斯斯散散射射OTDR曲曲线线解解调调光光纤纤的的反反斯斯托托克克斯斯散散射射OTDR曲线，此时有曲线，此时有(10.15)当当利利用用上上式式进进行行温温度度测测量量时时，可可用用的的起起始始温温度度来来确确定定被被测测光光纤纤上上各各点点的的温温度度，此时式此时式(10.15)变为变为(10.16)10.4.1 10.4.1 光纤光时域反射原理光纤光时域反射原理第59页/共

47、74页式(10.15)与式(10.16)相除，有(10.17)由式(10.17)可得局域处的温度为 (10.18)10.4.1 10.4.1 光纤光时域反射原理光纤光时域反射原理第60页/共74页对于多模光纤，如式(10.18)所示的拉曼声子频率。通过上式即可以确定测量的温度变化值。式(10.18)为典型的用斯托克斯散射OTDR曲线解调反斯托克斯散射OTDR曲线的被测温度T的表达式。虽然反斯托克斯散射光子比斯托克斯散射光子少得多，但是用于测温却非常有效。(10.18)10.4.1 10.4.1 光纤光时域反射原理光纤光时域反射原理第61页/共74页在在典典型型的的分分布布式式温温度度测测量量系

48、系统统中中，可可以以用用波波长长较较短短的的反反斯斯托托克克斯斯谱谱带带获获得得温温度度信信息，因为反斯托克斯散射信号比斯托克斯散射信号具有更高的温度灵敏度。息，因为反斯托克斯散射信号比斯托克斯散射信号具有更高的温度灵敏度。在在实实际际应应用用中中，可可以以将将温温度度灵灵敏敏度度较较高高的的反反斯斯托托克克斯斯散散射射信信号号与与温温度度灵灵敏敏度度较较低低的的斯斯托托克克斯斯散散射射信信号号的的比比值值作作为为温温度度信信息息，以以抑抑制制光光源源强强度度、光光注注入入光光纤纤条条件件、光纤几何尺寸和结构等变化的影响。光纤几何尺寸和结构等变化的影响。10.4.1 10.4.1 光纤光时域反

49、射原理光纤光时域反射原理第62页/共74页 在实际测量中，也可以用瑞利散射在实际测量中，也可以用瑞利散射OTDR曲线来解调拉曼散射曲线来解调拉曼散射OTDR曲线，此曲线，此时，反斯托克斯自发拉曼散射与瑞利散射光子数的比值为时，反斯托克斯自发拉曼散射与瑞利散射光子数的比值为(10.19)当起始温度当起始温度T=T0已知时，由式已知时，由式(10.19)来确定光纤上各点的温度，来确定光纤上各点的温度，10.4.1 10.4.1 光纤光时域反射原理光纤光时域反射原理第63页/共74页 瑞利散射与温度无关，即 ，因此有(10.20)当起始温度已知时，通过式(10.20)可以确定光纤上各点的温度。由于光

50、纤的瑞利散射信号要比自发拉曼散射信号强几个数量级，因此式(10.20)的信噪比优于式(10.17)。10.4.1 10.4.1 光纤光时域反射原理光纤光时域反射原理第64页/共74页10.4.3 10.4.3 分布式光纤拉曼背向散射光子温度传感器分布式光纤拉曼背向散射光子温度传感器分布式光纤传感器的功能可以理解为：能在整个光纤长度上以距离的连续函数形式传感出被测参数随光纤长度的变化。按照OTDR原理，典型的分布式光纤温度传感器及其系统如图10.13所示。它主要由激光二极管它主要由激光二极管(LD)(LD)、光纤波分复用器、光电接收与放大组件、信号采集与处、光纤波分复用器、光电接收与放大组件、信