工程科技光纤温度传感器的设计.docx
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工程科技光纤温度传感器的设计
《传感器原理与应用》
课程设计
(2008级)
项目名称光纤温度传感器的设计
小组成员李翔200803011015
李斌200803011016
王搏200803011008
指导教师罗武胜鲁琴
机电工程与自动化学院《测控技术与仪器》专业
摘要
分布式光纤温度传感器则是重要的利用光纤进行测量的温度传感器。
其原理是基于光纤中的后向散射现象和光时域反射的理论,使它能够在整条光纤的长度上,以距离为主要的连续函数的形式来测量光纤上各点温度值。
本文从理论到实际应用,在以下四个方面进行了研究和试验:
首先,论述了分布式光纤温度传感器目前在国内外研究的状况。
立足于国内外现有的元器件和制造工艺,通过对多种可行技术方案的比较、分析,在光纤光栅传感器以及各种分布式传感器中,确定了基于自发拉曼散射中斯托克斯与反斯托克斯光强做对比的方式,来进行光纤温度检测的方案。
其次,通过对实际中的反斯托克斯光和物理温度相关的特性进行分析,并结合光时域反射技术,确定了由自发拉曼散射和受激拉曼散射产生的定量描述,为本系统中的分布式的光纤温度传感器的合理应用做出了理论依据。
再次,设计了系统硬件的总体结构。
考虑到拉曼散射信号光功率、环境温度、
亮电流与暗电流以及热噪声等多种因素,并结合工作稳定性、温度灵敏度、系统信噪比等几个方面的综合要求,对系统中各个部件的型号确定下来,使各个部分更好的衔接起来。
最后,设计了系统软件,能实现温度的检测和一些系统的设置,并结合现场测量实际要求,完成了测量中一些问题的分析和解决,达到了良好的使用效果。
关键词:
光纤传感器;分布式;测温;拉曼散射;系统硬件;系统软件
Abstract
Distributedopticfibertemperaturesensorisimportanttouselighttomeasurethetemperaturesensors.Theprincipleisbasedonopticalfiberinthebackwardscatteringphenomenaandthetheoryofopticaltimedomainreflectmeter,itcanintheentirelengthtothedistanceastheprimaryformofcontinuousfunctiontomeasurethefibertemperatureatvariouspoints.
Thearticleresearchesandtestsinthefollowingfouraspectsfromtheorytopracticalapplication:
First,itdemonstratesthecurrentresearchesondistributedopticalfibertemperaturesensorathomeandabroad.Thisresearchisbasedontheexistingdomesticandforeigncomponentsandmanufacturingprocesses.Throughavarietyofcomparisonandanalysisofthepossibletechnicalsolutions,itdeterminesthewaytodetecttheopticalfibertemperaturebycontrastingthelightintensitybetweenspontaneousRamanscatteringandAnti-stokesamongthefiberBragggratingsensorsandavarietyofdistributedsensors.
Second,throughtheanalysisontherelationbetweenAnti-stokeslightandthe
temperatureinpractice,andcombiningwithopticaltimedomainreflectometrytechniques,theresearchestablishedthequantitativedescriptionofthespontaneousRamanscatteringandstimulatedRamanscattering,thusprovidingatheoreticalfoundationforappropriateapplicationofthedistributedfiber-optictemperaturesensorinthesystem.
Third,itdesignedtheoverallstructureofthesystemhardware.Takinginto
accounttheRamanscatteringsignalopticalpower,ambienttemperature,lightcurrentanddarkcurrentandthermalnoiseandotherfactors,andcombiningwiththecomprehensiverequirementsonworkingstability,temperaturesensitivity,SNR,andseveralotheraspects,thisresearchdeterminesthemodelofvariouscomponentsofthesystem,thusmakingthevariouspartsofthelinkupbetter.
Last,itdesignedthesystemsoftware,andisabletoachievethetemperaturedetectionandsystemsettings,anditanalyzedandsolvedanumberofproblemsinmeasurementwhencombinedwiththefieldmeasurementrequirements,andithasachievedgoodeffects.
第1章绪论
1.1引言
在光通信系统中,光纤是用作远距离传输光波信号的媒质。
在实际光传输过程中,光纤易受外界环境因素的影响;如温度、压力和机械扰动等环境条件的变化引起光波量,如发光强度、相位、频率、偏振态等变化。
因此,人们发现如果能测出光波量的变化,就可以知道导致这些光波量变化的物理量的大小,于是出现了光纤传感技术。
1.2光纤传感器及其分类
光纤是利用光的全反射原理来引导光波的,如图所示为光纤结构图。
当光波在光纤中传输时,表征光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等),会由于被测参量(温度、压力、加速度、电场、磁场等)对光纤的作用而发生变化,从而引起光波的强度、干涉效应、偏振面发生变化,使光波成为被调制的信号光,再经过光探测器和解调器从而获得被测参量的参数。
光纤传感器可以按传感原理分为两类,一类称为功能型传感器,它的光纤对被测信号兼有敏感和传输的作用,即它具有传与感合一的特点。
另一类称为非功能型传感器,它的光纤仅起传输的作用,而对被测信号的感觉则是利用其他光学敏感元件来完成的。
光纤传感器还可以按光波在光纤中被调制的原理分为:
光强调制型、相位调制型、偏振态调制型和波长调制型等几种形式。
下面介绍这几种光纤传感器的应用原理及其基本特点。
1.3光纤传感器的基本原理
在光纤中传输的单色光波可用如下形式的方程表示
E=E0cos(wt+φ)
式中,E0是光波的振幅:
w是角频率;为初相角。
该式包含五个参数,即强度、频率w、波长
、相位(wt+)和偏振态。
光纤传感器的工作原理就是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数,使其随之变化,然后对已知调制的光信号进行检测,从而得到被测量。
当被测物理量作用于光纤传感头内传输的光波时,使的强度发生变化,就称为强度调制光纤传感器;当作用的结果使传输光的波长、相位或偏振态发生变化时,就相应的称为波长、相位或偏振调制型光纤传感器。
1.3.1光强调制型
这是一种利用被测量的变化引起光纤中的光强发生变化的光纤传感器。
能够引起光纤中光强发生变化的因素有;改变光纤的微弯状态,改变光纤对光波的吸收特性,改变光纤包层的折射率。
下面分别讨论利用以上三个因素制成的光强调制型光纤传感器的应用原理。
①改变光纤的微弯状态
利用微弯效应制成的光纤位移传感器的原理如图。
它是利用多模光纤在受到弯曲时,一部分芯模能量会转化为包层模式能量这一原理,通过测包层模式能量的变化来测量位移。
例如:
利用这一原理制成的光纤报警器,其基本原理是光纤呈弯曲状织于地毯中,当有人站在地毯上时,地毯弯曲状加剧,引起光纤光强变化,产生报警信号。
研制这类传感器的关键在于确定变形器的最佳结构,最佳结构一般通过实验确定。
②改变光纤对光波的吸收特性
X射线和Y射线会使光纤材料的吸收损耗增加,从而使光纤输出功率减小。
利用这一原理可以制成光纤辐射传感器,用于核电站大范围的监测。
与此类似的还有光纤紫外光传感器。
紫外光照射会使光纤激发荧光,由荧光强弱探测紫外光强。
这一类传感器的关键是要制作特殊光纤。
③改变光纤包层的折射率
图示是一种全内反射光纤传感器原理图。
它的光纤端面的角度被磨成恰好等于临界角。
从纤芯输入的光将从端面全反射,经反射镜再沿原路返回输出。
当被测参量(折射率、浓度、温度等)发生变化时,光纤端面包层的折射率发生变化,全反射的条件被破坏,因而输出光强下降。
由此原理可制成光纤液体浓度传感器,光纤折射率计等。
1.3.2相位调制型
这类传感器的基本原理是利用被测参量对光学敏感元件的作用,使敏感元件的折射率、传感常数或光强发生变化,从而使光的相位随被测参量而变,然后用干涉仪进行解调,即可得到被测参量的信息。
用以上原理制成的光纤干涉仪可测量地震波、水压(包括水声)、温度、加速度、电流、磁场等,并可检测液体、气体的成分。
这类光纤传感器的灵敏度很高,传感对象广泛(只要能对干涉仪中的光程产生影响均可以传感),但是需要特种光纤。
这主要是针对光纤干涉仪中为获得干涉效应要采用单模光纤,最好采用“双折射率”单模光纤,并且为了使光纤干涉仪对被测物理量进行“增敏”,对非被测物理量进行“去敏”,需对单模光纤进行特殊处理,以满足测量不同物理量的要求。
图示是Michelson光纤干涉仪,它利用一个光纤定向耦合器构成双光束干涉仪,两光纤之一为参考臂,另一为传感臂。
被测参量的变化可直接引起干涉仪中传感臂光纤的长度L(对应于光纤的弹性变形)和折射率发生变化,从而引起光纤中光波相位的变化。
若把磁致伸缩材料或压电材料固定在传感臂上,则可利用它们对光纤引起的压力变化来测量弱磁场或弱电场。
若在传感臂上镀上金属薄膜,则可利用电流的热效应来测量电流。
1.3.3偏振态调制型
被测参量可使光纤中光波的偏振态发生变化,检测该种变化的光纤传感器称为偏振态调制型。
最典型的是测量大电流用的光纤电流传感器。
基本原理是利用光纤材料的法拉第效应,即光纤处于磁场中,磁场使光纤中光波的偏振面旋转,旋转角Ø与磁场强度H、磁场中光纤的长度L满足:
Ø=KHL,K为光纤材料系数。
由长直载流导线在周围空间产生的磁场H=I/2R(R是光纤与载流导线间的垂直距离),则Ø=KLI/2只要测出Ø,L,R即可求出导线中的电流。
图示为其原理图。
这种测电流的方法测量范围大、灵敏度高、与高压线无接触,使输入输出端实现了电绝缘。
但是目前实际测量还存在一些问题,主要是受外界温度、压力变化等影响,光纤本身会产生双折射效应,从而引起测量误差。
1.4光纤传感器的特点
与传统的传感器相比,光纤传感器的主要特点是:
(1)抗电磁干扰,电绝缘;本质安全
(2)灵敏度高
(3)重量轻,体积小,外形可变
(4)测量对象广泛
(5)对被测介质影响小
(6)可以进行连续分布测量,便于复用,便于成网
第2章光纤温度传感的理论基础
2.1光纤温度传感器简介
光纤温度传感器是上世纪70年代发展起来的一门新型的测温技术。
它基于光信号传送信息,具有绝缘、抗电磁干扰、耐高电压等优势特征。
在国外,光纤温度传感器发展很快,形成了多种型号的产品,并已应用到多个领域,取得了很好的效果。
国内在这方面的研究也如火如荼,多个大学、研究所与公司展开合作,研发了多种光纤测温系统投入到了现场应用。
按工作原理分,光纤温度传感器可分为功能性和传输型两种。
功能型温度传感器中光纤作为传感器的同时也是光信号的载体,而传输型温度传感器中光纤则只传输光信号。
目前主要的光纤温度传感器包括分布式光纤温度传感器、光纤光栅温度传感器、光纤荧光温度传感器、干涉型光纤温度传感器等。
其中应用最多当属分布式光纤温度传感器与光纤光栅温度传感器。
1)分布式光纤温度传感器
分布式光纤传感器最早是在1981年由英国南安普敦大学提出的。
激光在光纤传送中的反射光主要有瑞利散射(Rayleighscatter)、拉曼散(Ramanscatter)、和布里渊散射(Brillouinscatter)三部分,如图所示。
分布式光纤传感器经历从最初的基于后向瑞利散射的液芯光纤分布式温度监控系统,到电力系统保护与控制基于光时域(OTDR)拉曼散射的光纤测温系统,以及基于光频域拉曼散射光纤测温系(ROFDA)等等。
目前其测量距离最长可达30km,测量精度最高可达0.5℃,空间定位精度最高可达0.25m,温度分辨率最高可达到0.01℃左右。
目前,分布式光纤温度传感器主要基于拉曼散射效应及光时域反射计(OTDR)技术实现连续分布式测量,如YorkSensa、Sensornet等公司产品。
基于布里渊散射光时域及光频域系统也是当前光纤传感器领域研究的热点,LIOS、MICRIONOPTICS等公司已有相应的产品。
2)光纤光栅点式温度传感器
光纤光栅温度传感器是利用光纤材料的光敏性在光纤纤芯形成的空间相位光栅来进行测温的。
光纤光栅以波长为编码,具有传统传感器不可比拟的优势,已广泛用于建筑、航天、石油化工、电力行业等。
光纤光栅温度传感器主要有Bragg光纤光栅温度传感器和长周期光纤光栅传感器。
Bragg光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术而形成的全新光纤型Bragg光栅,成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg光栅效应,其基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器,满足如下光学方程:
λb=2nΛ
(1)
式中:
λb为Bragg波长;Λ为光栅周期;n为光纤模式的有效折射率。
长周期光纤光栅是一种特殊的光纤光栅,其传光原理是将前向传输的基模耦合到前向传输的包层模中。
由于其宽带滤波、极低的背景发射等特点引起人们的重视,是一种新型的宽带带阻滤波器。
2.2分布式拉曼散射
光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用而引起的频率发生变化的散射称为拉曼散射。
这是1928年印度物理学家C.V拉曼在气体和液体中观察到散射光频率发生改变的现象。
激光器在驱动电源控制下经过定向耦合器向传感光纤注入一系列窄脉冲,而传感光纤敷设在待测温度场内,窄脉冲在光纤传输过程中发生的非线性效应,产生拉曼散射。
经过大量的研究和实践证明,光纤中接收到的拉曼散射光的两种光,即反斯托克斯和斯托克斯光强指标能够反应被测点的温度,并且根据接收到反斯托克斯光的时间来确定位置,这样,就可以通过一根光纤来实现整条光纤上的温度分布的测量了。
大量试验发现,测量温度是根据一个光强的比值,这其中,反斯托克斯散射光对温度敏感,而斯托克斯散射光则受温度影响极小,因此,以反斯托克斯光作为信号通道,所以,我们以斯托克斯光作为参考通道,测量反斯托克斯光,得到比值量,计算出温度信息。
因为斯托克斯光和反斯托克斯光是在同一条光纤中传递,所以有效地消除了光源的不稳定因素,并且由于光纤接头、耦合、传输和弯曲等因素造成的损耗。
这就是拉曼散射的优点了,损耗低,测量距离长,测量值只与测量温度有关。
RT=IasIs=(vasvs)4exp(-hv0KT)
此式说明了温度和反斯托克斯光与斯托克斯光光强比值的关系,其中Ias,vas
表示反斯托克斯光强和频率表示斯托克斯光强和频率,h,v。
,K分别为普朗克常数,瑞利散射光频率和玻尔兹曼常数,丁为被测点绝对温度值。
结合本设计的需要,选定拉曼散射为本设计的测量基础,下面对此进一步说明。
2.3拉曼散射原理
拉曼散射的原理为我们的分布式光纤温度测量提供了理论依据,在此基础上,我们可以通过进一步的对光纤,光源以及处理部分进行设计和调试,最后研发出我们需要的产品。
当然,拉曼散射也是一个比较复杂的理论这里我们先介绍一下拉曼散射的理论基础,后面再针对具体应用进行更详细的说明。
2.3.1拉曼散射的基本原理
在任何分子介质中,自发拉曼散射将一小部分(一般约为10-6)入射功率由一光束转移到另一频率下移的光束中,频率下移量由介质的振动模式决定,此过程称为拉曼效应。
激发光子在光纤中与光纤分子发生碰撞作用,而这种碰撞又分为弹性和非弹性两种,经过弹性碰撞,光子与光纤分子间不断发生能量的交换,能量的交换改变了光子运动的方向,在非弹性碰撞中,能量的交换则体现在光子吸收或释放声子,在平率上就表现为斯托克斯散射光子和反斯托克斯散射光子。
能量在转换中可以用分子能级图来表示,即
图2—2中,两条黑实现表示E1,E2两个分子振动的能级,上面两条虚线为两个虚态。
两个能级之间能量差为hc∆γ,也就是E1-E2=hc∆γ。
当注入光纤的激光频率为γ0时,每个光子的能量为hcγ0这里有两个跳变产生,一是分子从E1激发到
E1+hcyo,最终要跳回到E2(E2=E1+hc∆γ),这时就会有频率为γ0—∆γ的光子
散射出来,这就是斯托克斯光,也称斯托克斯散射;相反的,分子从E2激发到E2
+hcγ0,最后跳到了E1(E1=E2-hc∆γ),这时候同样有频率为γ0+∆γ的光子散射出来,这就是反斯托克斯光了,也称反斯托克斯散射。
上面所说两种激发都能发生,但是由于绝大多数分子在初始状态下均处于E1能
级,少数受到激发进入到E2能级,所以,在拉曼散射中,发生斯托克斯散射的几率要比发生反斯托克斯散射几率高ehvkT倍。
经研究得到,发生反斯托克斯和斯托克斯散射的几率分别为W∆Ωas=∆ΩN2c(dσdΩ)asN1W∆Ωσ=∆ΩN1c(dσdΩ)sN1
2.3.2自发拉曼散射
通过研究各种光纤发现,激光进入到光纤后,在发生反射和折射的同时,也发生散射,在散射的信号中,既有频率不变的锐利散射,还有其他频率的散射。
在这些散射中,我们把低于和高于入射光频道的光分别称为斯托克斯光和反斯托克斯光,这是我们主要研究的。
在正常的拉曼散射光中,以注入的入射光为标准,斯托克斯光强会比入射光小约六个量级,而反斯托克斯光强则会比入射光小约七个量级。
在经典理论当中,自发拉曼散射认为是注入光纤的泵浦光具有电磁波功效,而电磁波的电磁作用使光纤里的微粒——介子分子或原子内的电子发生位移或振动,虽然这种振动或位移很小,但会产生感应的电极化。
正是由于这种电极化的作用,使得注入光纤的激光频率发生变化,导致了斯托克斯和反斯托克斯散射。
对于拉曼散射中的受激分子来说,我们可以给出其运动方程
d2x(z,t)dt2+γdx(z,t)dt+ω02x(z,t)=F(z,t)m
式中x(z,t)——分子相对于势能最低点的偏离
ω0——分子的振动频率
m——分子的质量
γ——分子的阻尼系数
F(z,t)——作用场的外部作用力
用级数展开分子的极化率为
αx=a0+(∂α∂x)0x+12!
(∂2α∂x2)0x2+…+1n!
(∂nα∂xn)0xn+…
进行近似处理得到介电常数的表达式
又有ε=ε01+Nαx=ε0{1+N[α0+K=1n1k!
(∂kα∂xk)0xk]}
综合几个式子,得到了作用力为
Fz,t=1N∂ξ∂x=12ε0k=1n1k-1∂kα∂xk0xk-1E2(z,t)
前面我们分析过,发生斯托克斯和反斯托克斯散射光的几率相差很多,这种情况也导致处于初始状态的分子在吸收光子后,就会产生不同的辐射跃迁,导致最终的能量状态也是不同的。
的产生自发拉曼散射中斯托克斯和反斯托克斯的产生几率当分子始态处于不同能态时,吸收外场光子后产生的辐射跃迁后所处的终态也是不同的。
各种粒子都符合波尔兹曼分布律,下式可以表示其各种状态分布。
N2N1=e-hvMKT
式中N1——在基态上的振动粒子数
N2——在激发态上振动的粒子数
vM——分子振动的频率
在发生拉曼散射时,处于基态的二氧化硅分子密度决定了斯托克斯光的光强度,而处于激发态的二氧化硅分子的密度决定反斯托克斯光的光强度。
经研究发现,二氧化硅分子的密度服从波尔兹曼因子分布,即ρ∝exp(-E/KT)
式中k——波尔兹曼常数
T——测量换进的绝对温度
E——粒子的运动能量
这个结果也说明了在自发拉曼散射中,较少的激发态二氧化硅粒子导致了反斯托克斯光是比较微弱的。
根据前面一系列的条件,著名科学家D.L.Long经过大量研究和严密的理论推导分别推算出了反斯托克斯散射和斯托克斯散射光强的大小。
即
ias=N0γas4(ehc∆γkT-1)is=N0γs4(1-e-hc∆γkT)
其中γas——反斯托克斯光波数
γs——斯托克斯光波数
∆γ——拉曼频移
T——被测环境的绝对温度
这两个式子都是包含有温度的信息,其中N0是一个由材料等因素确定的常量,不与温度有关。
对上面两个式子进行比值处理,得到
RT=(γsγas)4e-hc∆γkT
这个就是我们测量的一个理论基础了,即温度与光强之比的关系,在这个关系中我们发现激光的功率和频率等都与此无关,这也是我们想要的。
这个关系也不会和光纤的长度长短而有关,现假设一个长度为dz,则其光强之比仍为
SasdzSsdz=SasSS=R(T)
其中Sas——反斯托克斯光散射系数
Ss——斯托克斯光散射系数
上面的论述更说明了一个重要的问题,也就是选取反斯托克斯与斯托克斯光强的比值作为我们测量的与温度有关的量,而不是其中一个,其作用就在于光纤当中如果出现损耗,干扰等情况的时候,反斯托克斯与斯托克斯光都会受到相同的影响,这样在比值中,这种影响就相互抵消了,所以它在根本上消除了非温度因素造成的测量值的变化。
我们再来研究(2—13)和式(2-14),把它们分别对温度求微商,得到
dias=N0hc∆γγas4KT2(ehc∆γKT-1)2ehc∆γkTdTdis=N0hc∆γγs4KT2(ehc∆γKT-1)2ehc∆γkTdT
再把两组式子分别求比值,得到
diasias=hc∆γKT2(ehc∆γKT-1)2ehc∆γkTdTdisis=hc∆γKT2(ehc∆γKT-1)2dT
到这里,我们可以得到结论,温度既影响斯托克斯光,也影响反斯托克斯光,
但反斯托克斯光的温度敏感性要比斯托克斯光高出ehc∆γkT倍,这是一个很大的数字,这也就导致了在实际应用中,我们基本都是采用依靠反斯托克斯光来作为敏感信号来测量温度的原因。
2.3.3受激拉曼散射
前面我们研究自发拉曼散射是在一种热平衡的条件下进行的,
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