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《基于拉曼散射的分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)及其在電纜溫度測(cè)量的應(yīng)用》由會(huì)員上傳分享，免費(fèi)在線閱讀，更多相關(guān)內(nèi)容在行業(yè)資料-天天文庫(kù)。
1、基于拉曼散射的分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)及其在電纜溫度測(cè)量的應(yīng)用劉吉20071202035摘 要:首先介紹了拉曼散射的原理,并對(duì)拉曼散射分布式光纖溫度傳感器進(jìn)行了理論分析，最后介紹了拉曼散射分布式光纖溫度傳感器的系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并提出了此系統(tǒng)在電纜溫度測(cè)量中的應(yīng)用。Abstract:TheprincipleofRamanscatteringisintroducedfirst,andtheRamanscatteringdistributedfiber-optictemperaturesensorisanalyzedtheoretically.Fi
2、nally,thesystemdesignofRamanscatteringdistributedfiber-optictemperaturesensorandtheapplicationofRamanscatteringdistributedfiber-optictemperaturesensorareintroduced.引言光纖傳感技術(shù)是在上世紀(jì)七十年代伴隨著光纖通信的蓬勃發(fā)展而提出來(lái)的,它與光時(shí)域反射技術(shù)密切結(jié)合迅速崛起,經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展而在多個(gè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。與傳統(tǒng)的傳感器相比,光纖傳感器具有輕質(zhì),耐腐蝕,耐高溫,防水防潮,抗
3、電磁干擾等一系列優(yōu)點(diǎn),因此在惡劣環(huán)境中頗具用途。而分布式光纖傳感技術(shù)除具備上述特點(diǎn)以外,還具備實(shí)時(shí)獲取在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間和空間變化的測(cè)量分布信息的能力。準(zhǔn)確的說(shuō),它可以精確測(cè)量光纖沿線上任一點(diǎn)的溫度信息,如果把光纖縱橫交錯(cuò)連接成網(wǎng)狀,則可以構(gòu)成規(guī)模龐大的地毯式動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)網(wǎng),實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的實(shí)時(shí)全方位檢測(cè)。特別是在我國(guó)，每年發(fā)生的有關(guān)電器的火災(zāi)事故大多是因?yàn)殡娋€或電纜長(zhǎng)期運(yùn)行過(guò)熱燒穿絕緣所引起，所以對(duì)于溫度的監(jiān)測(cè)十分重要，這也是本文設(shè)計(jì)的分布式光纖溫度測(cè)量系統(tǒng)的重要應(yīng)用。結(jié)構(gòu)與測(cè)量原理分布式光纖溫度傳感器獲取空間溫度分部信息的原理是利用光
4、在光線中傳輸能夠產(chǎn)生向后散射。在光線中諸如一定能量和寬度的激光脈沖，它在光線中傳輸?shù)耐瑫r(shí)不斷產(chǎn)生后向散射光波，這些廣播的狀態(tài)受到所在光纖散射點(diǎn)的溫度影響而改變，將散射回來(lái)的光波經(jīng)波分復(fù)用、檢測(cè)解調(diào)后，送入信號(hào)處理系統(tǒng)便可將溫度信號(hào)實(shí)時(shí)顯示出來(lái)，并且由光線中光波的傳輸速度和背向光回波的時(shí)間可對(duì)這些信息定位。1拉曼散射原理微觀世界中任何分子和原子都在不停地運(yùn)動(dòng),光纖的分子和原子也不例外,存在著分子振動(dòng)。泵浦光通過(guò)分子時(shí)打破了分子振動(dòng)原有的平衡,振動(dòng)分子將與之發(fā)生能量交換。當(dāng)產(chǎn)生光子的能量小于泵浦光子的能量(分子振蕩吸收泵浦光子的能量)時(shí),
5、稱(chēng)為斯托克斯散射。當(dāng)產(chǎn)生光子的能量大于泵浦光子的能量(分子振蕩的能量傳給光子)時(shí),稱(chēng)為反斯托克斯散射。斯托克斯散射和反斯托克斯散射統(tǒng)稱(chēng)為拉曼散射。拉曼散射過(guò)程的能級(jí)示意圖如圖1所示。其中,E1、E2分別表示分子振動(dòng)的兩個(gè)能級(jí),兩個(gè)能級(jí)之間相差hΔν,即E2=E1+hΔν。散射出ν0頻率光子的散射稱(chēng)為瑞利散射;散射出ν0-Δν頻率光子的散射稱(chēng)為斯托克斯散射;散射出ν0+Δν頻率光子的散射稱(chēng)為反斯托克斯散射。2泵浦光對(duì)拉曼散射的影響拉曼散射是由泵浦光子與光纖分子相互作用產(chǎn)生的,當(dāng)泵浦光的強(qiáng)度小于閾值時(shí),拉曼散射光與泵浦光成正比,這種拉曼散
6、射叫自發(fā)拉曼散射。自發(fā)拉曼散射光中的反斯托克斯散射光強(qiáng)度受溫度調(diào)制,而斯托克斯散射光基本上與溫度無(wú)關(guān),兩者比值只與散射區(qū)溫度有關(guān)。當(dāng)泵浦光的強(qiáng)度大于閾值時(shí),光纖分子的熱平衡受到破壞,在光纖中出現(xiàn)非線性光學(xué)現(xiàn)象,叫做受激拉曼散射。受激拉曼散射不再受溫度調(diào)制。因此,自發(fā)拉曼散射光中反斯托克斯散射光受溫度調(diào)制的特性是分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。3分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成分布式光纖溫度傳感器系統(tǒng)如圖所示。主要有傳感光纖、激光器及驅(qū)動(dòng)電路、雙向耦合器、波分復(fù)用器、光電檢測(cè)器、信號(hào)放大電路、高速采集卡和計(jì)算機(jī)組成。激光器發(fā)出的脈
7、沖光作為泵浦光,經(jīng)過(guò)耦合器注入傳感光纖,脈沖光在傳感光纖中向前傳播的同時(shí),產(chǎn)生向后傳播的后向散射光。后向散射光通過(guò)光濾波濾出反斯托克斯光和瑞利光,再經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換和放大電路,放大后的信號(hào)被高速數(shù)據(jù)采集卡采集,經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)處理和定標(biāo),解調(diào)出溫度。4分布式光纖溫度傳感器的關(guān)鍵技術(shù) 分布式測(cè)量的實(shí)現(xiàn)—光時(shí)域后向散射技術(shù)分布式光纖溫度傳感器能夠?qū)?shù)千米范圍內(nèi)空間點(diǎn)的溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量,是借助光時(shí)域后向散射(OTDR)技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)分布式測(cè)量。如圖所示,從激光器發(fā)出的脈沖持續(xù)時(shí)間為ΔT的泵浦光從F處注入光纖,以速度v向前傳輸,經(jīng)過(guò)時(shí)間t,激光脈沖傳輸?shù)絃。
8、在L～L+dL段(dL對(duì)應(yīng)ΔT時(shí)間內(nèi)激光在光纖中傳播的距離),部分能量被轉(zhuǎn)化為后向散射返回到光纖始端F處,由探測(cè)器接收和處理。則由dL段返回始端的時(shí)間為:t=2L/v=2Ln1/c=10-8L(1)(普通石英光纖n1=1
