光纤光栅温度传感技术与喇曼散射温度传感技术重点

1、光纤光栅温度传感技术与喇曼散射温度传感技术.光纤光栅温度传感技术的原理光纤B r a g g光栅是近些年来出现的一种新型传感元件。自从 1978年含 错光纤光敏性被发现以及1987年紫外写入技术发明以来，光纤光栅受到了世界 各国研究机构的广泛重视。通讯方面的应用极大地推动了光纤光栅技术的成熟。作为传感用的光纤光栅最初是应用于航空、航天等军事领域。它能测量很多物理 量，如应变、应力、温度、振动、压力等。 1992年，R u t g e r大学的Pro h a s k a等人首次将光纤光栅埋入到混凝土结构中测量应变，将之应用于土木工程中。同传统的传感器相比较，光纤B r a g g光栅有许多显著的

2、特点，如寿命 长、抗电磁干扰、便于构成准分布光纤传感网络、体积小、重量轻、结构简单等。光纤布喇格光栅的基本结构为沿纤芯折射率周期性的调制（如图1所示），所谓调制就是本来沿光纤轴线均匀分布的折射率产生大小起伏的变化。光纤的材料为石英，由芯层和包层组成。通过对芯层掺杂（通常是掺错），使芯层折射率n1比包层折射率n2大，形成波导，光就可以在芯层中传播。当芯 层折射率受到周期性调制后，即成为布喇格光栅。布喇格光栅会对入射的宽带光 进行选择性反射，反射一个中心波长与芯层折射率调制相位相匹配的窄带光（带宽通常约为0.10.5nm）。此中心波长称之为布喇格波长。所谓相位相匹配是指 布喇格波长决定于折射率调制

3、的空间周期 A和调制的幅度大小，它们满足模式耦 合理论的一级近似相位匹配条件，用数学公式表示如下：,B = 2neff.成为光栅的布喇格波长，neff为光栅的有效折射率（折射率调制幅度大小的平均 效应），人为光栅条纹周期（折射率调制的空间周期）。显然当光栅常数发生变化时，光栅所选择反射窄带光的中心波长也发生变 化，即：光栅的温度发生变化时，由于热胀冷缩效应，光栅的条纹周期会发生变化；由于 热光效应，光栅的有效折射率也会发生变化。所以:.-：B =2(neff 三二n?).：TFTFT或者写成:-BT,B为光上式右边第一项为热膨胀效应：因热膨胀引起的条纹周期变化,纤的热膨胀参数；第二项为热光效应

4、：因温度变 化引起的折射率变 化,1= 1 包为光纤的热光系数。实验表明，仪和P基本上不随温度变化，九B和 neff .TT具有很好的线性关系。因此只要能够精确地测量光栅反射光的布喇格波长， 就可以精确地知道光纤光栅处的温度，这就是光纤光栅温度传感器的工作原理。 光纤光栅温度传感器检测的物理量是光纤光栅布拉格波长，是数字量，绝对量，因而光纤光栅温度传感技术是一种数字式测量技术 。.喇曼散射温度传感技术的原理1881年英国科学家瑞利（Rayleigh）提出光的散射是由介质密度起伏造成 的,Rayleigh散射光的强度与光波波长的四次方成反比。研究发现拉曼散射光谱 的频移与分子的振动、转动运动相关

5、，在量子理论基础上，建立拉曼散射光谱的理 论。另一方面，拉曼散射光谱也为研究分子结构及其运动特性的重要工具。激光 出现之后，研究受Raman散射和Raman放大,1972年,正式发表了光纤的拉曼散 射光谱图。光纤的Raman散射技术主要应用于分布式光纤测温技术，Raman光纤 激光器。近年来由于光纤技术的发展，已经开拓拉曼散射光谱的新领域：分布式光 纤拉曼光子温度传感器系统；光纤拉曼激光器和光纤拉曼放大器.当光入射到光纤中，光与光纤介质相互作用引起光的散射。当光子与 SiO2 分子相互作用时，两者没有能量交换的弹性碰撞部分称为瑞利 (Rayleigh)散射； 两者有能量交换的部分，即入射光子与

6、介质产生非弹性碰撞，吸收或发射1个声 子时，产生自发布里渊(Brillouin) 散射、Ramar射。在频域里，Raman散射光子 分为Stokes和反StokesRaman散射光子。StokesRaman散射光子频率为 s = 0(1)反StokesRaman散射光子频率为已=。-(2)其中0是光纤分子的振动频率；Ay为光纤声子频率，v = 1.32m1013HZ。在光纤L处局域的StokesRaman散射光子通量为s =KsS.4 exp-(： 0 ： s)LRs(T)(3)在光纤L处局域的反StokesRaman散射光子通量为：=K S.4 EXP-(：o ： :：)LR：(T)(4)其

7、中屯是入射到光纤的激发光子通量；Ks、Ka是与光纤Stokes和反StokesRaman散射截面有关的系数;S为光纤的背向散射因子；a。，j和分别为入射光、StokesRaman反StokesRaman射光频率的光纤传输损耗;L为光纤待测局域处 的长度;Rs(T)、Ra(T)为与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关的系数 ，与局 域光纤处的温度有关：Rs(T) =1-exp(-h/kT),(5)R ：(T) =exp(h 1/kT) -1(6)式中,h为普朗克常数;k为玻耳兹曼(Boltzmann)常数。%从(3)、两式 可以看到，自发Raman散射光子通量除正比于入射光子通量外，与光子频率的

8、4 次方成正比，与光纤的背向散射因子和 Raman散射截面成正比，与光纤的损耗系 数成指数衰减关系，与光纤分子低能级和高能级上的布居数有关。其中 (5)、(6) 两式是由光纤分子能级上的布居数决定的，服从Boltzmann温度分布规律。当光纤局域位置（L= Lo处）的温度变化时，调制了光纤Raman散射光子通量,也就是光 纤Ramant向散射的温度调制机理。基于喇曼散射的光纤温度传感器所检测的物理量是微弱的后向喇曼散射光 的光强，所测的量是一种模拟量，即光强。.喇曼散射温度传感技术和光纤光栅传感技术对比分析表光纤光栅温度传感技术与喇曼散射温度传感技术都是新近发展起来的用于 测量空间温度分布的光

9、子传感器系统，由于系统具有防燃、防爆、抗腐蚀、抗电 磁干扰、在有害环境中使用安全等性能，因而都是世界上具有先进水平的传感技 术，但两者各有其适用范围，也各有其特点。表1是传统传感技术和光纤光栅传 感技术的对比分析表，供参考。表1、传统传感技术和光纤光栅传感技术对比分析表光纤光栅感温电缆拉曼光纤测量精度高低中测温范围-30 C 150 C任意设定固定-30 C 150 C可任意设定响应时间短较短较短相关检测量波长信号电缆阻值累积光强信号检测量类型数字量开关量模拟量传输距离可达20Km短4Km以内系统稳定性稳健超温即被破坏经常要维护总体性能抗干扰能力强，分辨率局，精度局，长期稳定性好易受电磁干扰，

10、长期 稳定性差，只能一次 性使用抗干扰能力强，分辨 率低，价格较贵，器 件易老化.喇曼散射温度传感技术实际应用情况及原因分析考虑到光纤传感技术的优越性能及巨大的市场潜力， 自20世纪80年代以来, 世界各国开展喇曼散射温度传感技术的应用研究已有 20多年，与光纤光栅传感 技术的广泛应用形成鲜明对照的是，喇曼散射温度传感技术还处于实验研究提高 的阶段，鲜见实际应用，其原因主要在于基于喇曼散射的光纤温度传感器所检测 的物理量是微弱的后向喇曼散射光的光强。 微弱的后向喇曼散射光的光强会随着 检测光缆周围温度的变化而变化，通过检测后向喇曼散射光的光强从而测知光缆 周围的温度值。但后向喇曼散射光的光强不

11、仅非常弱小， 而且还会受发光光源稳 定性、连接损耗、光缆缺陷、光缆位置的微小变动等因素的影响，从而影响检测 结果的可靠性。由于后向喇曼散射光极其微弱，基于喇曼散射的光纤温度传感器 必须使用高功率的激光光源，其使用寿命为104小时量级，比光纤光栅温度传感 器所使用LED光源低一个数量级；基于喇曼散射的光纤温度传感器对数据的处理 方式有两个特点，其一是对时间求平均，其二是对空间求平均，因而响应时间长， 温度精度及温度分辨率、空间精度及空间分辨率以及响应时间不可能同时达到很 高的水平。喇曼散射温度传感技术的成熟及大规模市场化应用还需克服以下缺陷：）喇曼散射系统的主要缺点是其微弱的散射光信号，大约为入

12、射光的，708 , 即亿分之一，这样弱的信号使得信号的测量和处理变得很困难， 从而严重限制了 系统的性能；2）由于使用高功率的激光光源，使用寿命相对较小；3）受其测量原理的局限，测量精度与响应时间互相牵制，要提高测量精度 就必须延长响应时间，要减小响应时间，又必须牺牲掉测量精度，二者不能同时 达到很高的水平；4）长期使用中的性能稳定性差；5）由于检测信号微弱，信号处理非常复杂，系统造价昂贵；6）如果为了降低平均成本而扩大一套系统的检测区域，这样会使检测光缆 的长度很长。这样做虽然降低了平均成本，但又导致另外的后果，那就是检测光 缆中几个断点的出现就会使整个系统瘫痪。7）空间分辨率指标太低。如果

13、空间分辨率为 3米，将会出现漏报现象。8）系统中所使用的泵浦光源：高功率脉冲半导体激光器，以及探测器APD不仅使用寿命短，而且难以长时间保持高性能的工作状态，从而影响系统性能。目前为止，高功率脉冲半导体激光器和探测器 APD的性能在使用过程中的下降是 比较快的。9）系统需要进行特性曲线定标，而系统在进行特性曲线定标时，要求整个 线路处于非正常状态，线路的温度平均分布，只有在这种严格条件下测到的曲线 才能如实反映光纤的物理特性，系统才能给出正确的温度信息，而要达到这样严 格的条件比较困难。10）系统要经常校正零点设置，对零点的设置很难做到绝对准确。.光纤光栅温度传感技术成熟程度及实际应用光纤光栅

14、传感技术经过近十多年发展，原理和技术相对已经比较稳定和成熟 了，国内由于产业化支持力度不强，产业化程度不高，具体的产品和技术落后于 国外。但随着整个光纤相关技术的发展，特别是光纤通讯技术的发展，市场上光 器件产品也会越来越成熟、多样和便宜，各种性能指标也会越来越稳定可靠， 再 加上人们对光纤传感技术的重视和投入的增加，光纤光栅传感器的发展更为迅 速，其产品性能也会更为完善。本项目的光纤光栅温度传感器及其火灾报警系统 正是得到了各界大力支持后，开发出了技术成熟度较高的新一代产品， 填补了国 内空白，达到国际领先水平。光纤光栅传感技术应用于感温火灾报警系统与拉曼光纤的火灾报警系统相比较，具有以下技术优势：1）光的波长信号为数字量，从本质上排除了以光强调制测量系统中各种光 强起伏变化引起的干扰，具