光纖光柵溫度傳感技術(shù)與喇曼散射溫度傳感技術(shù)

1、光纖光柵溫度傳感技術(shù)與喇曼散射溫度傳感技術(shù)1光纖光柵溫度傳感技術(shù)的原理光纖光柵是近些年來出現(xiàn)的一種新型傳感元件。自從1978年含鍺光纖光敏性被發(fā)現(xiàn)以及1987年紫外寫入技術(shù)發(fā)明以來,光纖光柵受到了世界各國研究機構(gòu)的廣泛重視。通訊方面的應(yīng)用極大地推動了光纖光柵技術(shù)的成熟。作為傳感用的光纖光柵最初是應(yīng)用于航空、航天等軍事領(lǐng)域。它能測量很多物理量,如應(yīng)變、應(yīng)力、溫度、振動、壓力等。1992年,大學的等人首次將光纖光柵埋入到混凝土結(jié)構(gòu)中測量應(yīng)變,將之應(yīng)用于土木工程中。同傳統(tǒng)的傳感器相比較,光纖光柵有許多顯著的特點,如壽命長、抗電磁干擾、便于構(gòu)成準分布光纖傳感網(wǎng)絡(luò)、體積小、重量輕、結(jié)構(gòu)簡單等。光纖布喇格

2、光柵的基本結(jié)構(gòu)為沿纖芯折射率周期性的調(diào)制（如圖1所示），所謂調(diào)制就是本來沿光纖軸線均勻分布的折射率產(chǎn)生大小起伏的變化。A為柵距芯層包層A光波折射率 n1折射率 n2折射率 n反射光光柵圖1 光纖布喇格光柵結(jié)構(gòu)示意圖光纖的材料為石英，由芯層和包層組成。通過對芯層摻雜（通常是摻鍺），使芯層折射率n1比包層折射率n2大，形成波導(dǎo)，光就可以在芯層中傳播。當芯層折射率受到周期性調(diào)制后，即成為布喇格光柵。布喇格光柵會對入射的寬帶光進行選擇性反射，反射一個中心波長與芯層折射率調(diào)制相位相匹配的窄帶光（帶寬通常約為0.10.5nm）。此中心波長稱之為布喇格波長。所謂相位相匹配是指布喇格波長決定于折射率調(diào)制的空間

3、周期和調(diào)制的幅度大小，它們滿足模式耦合理論的一級近似相位匹配條件，用數(shù)學公式表示如下：為光柵的布喇格波長，為光柵的有效折射率（折射率調(diào)制幅度大小的平均效應(yīng)），為光柵條紋周期（折射率調(diào)制的空間周期）。顯然當光柵常數(shù)發(fā)生變化時，光柵所選擇反射窄帶光的中心波長也發(fā)生變化，即：光柵的溫度發(fā)生變化時，由于熱脹冷縮效應(yīng)，光柵的條紋周期會發(fā)生變化；由于熱光效應(yīng)，光柵的有效折射率也會發(fā)生變化。所以：或者寫成：上式右邊第一項為熱膨脹效應(yīng)：因熱膨脹引起的條紋周期變化，為光纖的熱膨脹參數(shù)；第二項為熱光效應(yīng)：因溫度變化引起的折射率變化，為光纖的熱光系數(shù)。實驗表明，和基本上不隨溫度變化，和具有很好的線性關(guān)系。因此只要能

4、夠精確地測量光柵反射光的布喇格波長，就可以精確地知道光纖光柵處的溫度，這就是光纖光柵溫度傳感器的工作原理。光纖光柵溫度傳感器檢測的物理量是光纖光柵布拉格波長，是數(shù)字量，絕對量，因而光纖光柵溫度傳感技術(shù)是一種數(shù)字式測量技術(shù)。2喇曼散射溫度傳感技術(shù)的原理1881 年英國科學家瑞利(Rayleigh) 提出光的散射是由介質(zhì)密度起伏造成的,Rayleigh 散射光的強度與光波波長的四次方成反比。研究發(fā)現(xiàn)拉曼散射光譜的頻移與分子的振動、轉(zhuǎn)動運動相關(guān),在量子理論基礎(chǔ)上,建立拉曼散射光譜的理論。另一方面,拉曼散射光譜也為研究分子結(jié)構(gòu)及其運動特性的重要工具。激光出現(xiàn)之后,研究受Raman 散射和Raman 放

5、大,1972 年,正式發(fā)表了光纖的拉曼散射光譜圖。光纖的Raman 散射技術(shù)主要應(yīng)用于分布式光纖測溫技術(shù),Raman 光纖激光器。近年來由于光纖技術(shù)的發(fā)展,已經(jīng)開拓拉曼散射光譜的新領(lǐng)域:分布式光纖拉曼光子溫度傳感器系統(tǒng);光纖拉曼激光器和光纖拉曼放大器.當光入射到光纖中,光與光纖介質(zhì)相互作用引起光的散射。當光子與SiO2分子相互作用時,兩者沒有能量交換的彈性碰撞部分稱為瑞利(Rayleigh)散射;兩者有能量交換的部分,即入射光子與介質(zhì)產(chǎn)生非彈性碰撞,吸收或發(fā)射1個聲子時,產(chǎn)生自發(fā)布里淵(Brillouin)散射、Raman散射。在頻域里,Raman散射光子分為Stokes和反StokesRam

6、an散射光子。StokesRaman散射光子頻率為 (1)反StokesRaman散射光子頻率為 （2）其中是光纖分子的振動頻率；為光纖聲子頻率，。在光纖L處局域的StokesRaman散射光子通量為 (3)在光纖L處局域的反StokesRaman散射光子通量為 (4)其中是入射到光纖的激發(fā)光子通量;Ks、Ka是與光纖Stokes和反StokesRaman散射截面有關(guān)的系數(shù);S為光纖的背向散射因子; ，和分別為入射光、StokesRaman及反StokesRaman散射光頻率的光纖傳輸損耗;L為光纖待測局域處的長度;Rs(T)、Ra(T)為與光纖分子低能級和高能級上的布居數(shù)有關(guān)的系數(shù),與局域光

7、纖處的溫度有關(guān): (5) (6)式中,h為普朗克常數(shù);k為玻耳茲曼(Boltzmann)常數(shù)。從(3)、(4)兩式可以看到,自發(fā)Raman散射光子通量除正比于入射光子通量外,與光子頻率的4次方成正比,與光纖的背向散射因子和Raman散射截面成正比,與光纖的損耗系數(shù)成指數(shù)衰減關(guān)系,與光纖分子低能級和高能級上的布居數(shù)有關(guān)。其中(5)、(6)兩式是由光纖分子能級上的布居數(shù)決定的,服從Boltzmann溫度分布規(guī)律。當光纖局域位置(L=處)的溫度變化時,調(diào)制了光纖Raman散射光子通量,也就是光纖Raman背向散射的溫度調(diào)制機理?；诶⑸涞墓饫w溫度傳感器所檢測的物理量是微弱的后向喇曼散射光的光強,

8、所測的量是一種模擬量，即光強。3喇曼散射溫度傳感技術(shù)和光纖光柵傳感技術(shù)對比分析表光纖光柵溫度傳感技術(shù)與喇曼散射溫度傳感技術(shù)都是新近發(fā)展起來的用于測量空間溫度分布的光子傳感器系統(tǒng)，由于系統(tǒng)具有防燃、防爆、抗腐蝕、抗電磁干擾、在有害環(huán)境中使用安全等性能，因而都是世界上具有先進水平的傳感技術(shù)，但兩者各有其適用范圍，也各有其特點。表1是傳統(tǒng)傳感技術(shù)和光纖光柵傳感技術(shù)的對比分析表，供參考。表1、傳統(tǒng)傳感技術(shù)和光纖光柵傳感技術(shù)對比分析表光纖光柵感溫電纜拉曼光纖測量精度高低中測溫范圍-30150任意設(shè)定固定-30150可任意設(shè)定響應(yīng)時間短較短較短相關(guān)檢測量波長信號電纜阻值累積光強信號檢測量類型數(shù)字量開關(guān)量模

9、擬量傳輸距離可達20Km短4Km以內(nèi)系統(tǒng)穩(wěn)定性穩(wěn)健超溫即被破壞經(jīng)常要維護總體性能抗干擾能力強，分辨率高，精度高，長期穩(wěn)定性好易受電磁干擾，長期穩(wěn)定性差，只能一次性使用抗干擾能力強，分辨率低，價格較貴，器件易老化4喇曼散射溫度傳感技術(shù)實際應(yīng)用情況及原因分析考慮到光纖傳感技術(shù)的優(yōu)越性能及巨大的市場潛力，自20世紀80年代以來，世界各國開展喇曼散射溫度傳感技術(shù)的應(yīng)用研究已有20多年，與光纖光柵傳感技術(shù)的廣泛應(yīng)用形成鮮明對照的是，喇曼散射溫度傳感技術(shù)還處于實驗研究提高的階段，鮮見實際應(yīng)用，其原因主要在于基于喇曼散射的光纖溫度傳感器所檢測的物理量是微弱的后向喇曼散射光的光強。微弱的后向喇曼散射光的光強會

10、隨著檢測光纜周圍溫度的變化而變化，通過檢測后向喇曼散射光的光強從而測知光纜周圍的溫度值。但后向喇曼散射光的光強不僅非常弱小，而且還會受發(fā)光光源穩(wěn)定性、連接損耗、光纜缺陷、光纜位置的微小變動等因素的影響，從而影響檢測結(jié)果的可靠性。由于后向喇曼散射光極其微弱，基于喇曼散射的光纖溫度傳感器必須使用高功率的激光光源，其使用壽命為小時量級，比光纖光柵溫度傳感器所使用LED光源低一個數(shù)量級；基于喇曼散射的光纖溫度傳感器對數(shù)據(jù)的處理方式有兩個特點，其一是對時間求平均，其二是對空間求平均，因而響應(yīng)時間長，溫度精度及溫度分辨率、空間精度及空間分辨率以及響應(yīng)時間不可能同時達到很高的水平。喇曼散射溫度傳感技術(shù)的成熟

11、及大規(guī)模市場化應(yīng)用還需克服以下缺陷：1）喇曼散射系統(tǒng)的主要缺點是其微弱的散射光信號，大約為入射光的，即億分之一，這樣弱的信號使得信號的測量和處理變得很困難，從而嚴重限制了系統(tǒng)的性能；2）由于使用高功率的激光光源，使用壽命相對較??；3）受其測量原理的局限，測量精度與響應(yīng)時間互相牽制，要提高測量精度就必須延長響應(yīng)時間，要減小響應(yīng)時間，又必須犧牲掉測量精度，二者不能同時達到很高的水平；4）長期使用中的性能穩(wěn)定性差；5）由于檢測信號微弱，信號處理非常復(fù)雜，系統(tǒng)造價昂貴；6）如果為了降低平均成本而擴大一套系統(tǒng)的檢測區(qū)域，這樣會使檢測光纜的長度很長。這樣做雖然降低了平均成本，但又導(dǎo)致另外的后果，那就是檢測

12、光纜中幾個斷點的出現(xiàn)就會使整個系統(tǒng)癱瘓。7）空間分辨率指標太低。如果空間分辨率為3米，將會出現(xiàn)漏報現(xiàn)象。8）系統(tǒng)中所使用的泵浦光源：高功率脈沖半導(dǎo)體激光器，以及探測器APD，不僅使用壽命短，而且難以長時間保持高性能的工作狀態(tài)，從而影響系統(tǒng)性能。目前為止，高功率脈沖半導(dǎo)體激光器和探測器APD的性能在使用過程中的下降是比較快的。9）系統(tǒng)需要進行特性曲線定標，而系統(tǒng)在進行特性曲線定標時，要求整個線路處于非正常狀態(tài)，線路的溫度平均分布，只有在這種嚴格條件下測到的曲線才能如實反映光纖的物理特性，系統(tǒng)才能給出正確的溫度信息，而要達到這樣嚴格的條件比較困難。10）系統(tǒng)要經(jīng)常校正零點設(shè)置，對零點的設(shè)置很難做到

13、絕對準確。5光纖光柵溫度傳感技術(shù)成熟程度及實際應(yīng)用光纖光柵傳感技術(shù)經(jīng)過近十多年發(fā)展，原理和技術(shù)相對已經(jīng)比較穩(wěn)定和成熟了，國內(nèi)由于產(chǎn)業(yè)化支持力度不強，產(chǎn)業(yè)化程度不高，具體的產(chǎn)品和技術(shù)落后于國外。但隨著整個光纖相關(guān)技術(shù)的發(fā)展，特別是光纖通訊技術(shù)的發(fā)展，市場上光器件產(chǎn)品也會越來越成熟、多樣和便宜，各種性能指標也會越來越穩(wěn)定可靠，再加上人們對光纖傳感技術(shù)的重視和投入的增加，光纖光柵傳感器的發(fā)展更為迅速，其產(chǎn)品性能也會更為完善。本項目的光纖光柵溫度傳感器及其火災(zāi)報警系統(tǒng)正是得到了各界大力支持后，開發(fā)出了技術(shù)成熟度較高的新一代產(chǎn)品，填補了國內(nèi)空白，達到國際領(lǐng)先水平。光纖光柵傳感技術(shù)應(yīng)用于感溫火災(zāi)報警系統(tǒng)與拉曼光纖的火災(zāi)報警系統(tǒng)相比較，具有以下技術(shù)優(yōu)勢：1）光的波長信號為數(shù)字量，從本質(zhì)上排除了以光強調(diào)制測量系統(tǒng)中各種光強起伏變化引起的干擾，具有很高的可靠性和穩(wěn)定性；2）