光纤温度传感器--课件

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1、第第10章章 光纤温度传感器光纤温度传感器1ppt课件v第10章 光纤温度传感器1ppt课件燕山大学光电子系第第1010章章 光纤温度传感器光纤温度传感器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2v第10章 光纤温度传感器10.2 传光型光纤温度传感器2燕山大学光电子系10.1 10.1 10.1 10.1 引引引引 言言言言v在科研和工农业生产中，温度是检在科研和工农业生产中，温度是检测与控制的重要参数。测与控制的重

2、要参数。v传统的温度测量技术已很成熟，如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、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。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作基础的，即温度信号被电信号调制；制；v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。3

3、v10.1 引 言在科研和工农业生产中，温度是检测燕山大学光电子系 由于光纤本身的电绝缘性以及固有的宽频带等优由于光纤本身的电绝缘性以及固有的宽频带等优点，使得点，使得光纤温度传感器光纤温度传感器突破了电调制温度传感器的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，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远离现场，避可以远距离传输，使传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，光纤代替了常规测免了恶劣的环境。在辐射测温中，光纤

4、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，可弯曲传测量结果影响很小。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。输测量不可视工作温度，便于特殊工况下的安装使用。4v 由于光纤本身的电绝缘性以及固有的宽频带等优燕山大学光电子系红外温度传感器红外温度传感器v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，光具有腐蚀性气体、液体，以及要求快速响应、非接触等，光纤

5、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。v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？5v红外温度传感器而在特殊工况和环境下，如易燃、易爆、高电压燕山大学光电子系v光光纤纤用用于于温温度度测测量量的的机机理理与与结结构构形形式式多多种种多多样样，按按光光纤纤所所起起的的作作用用基基本本上上可可分分为为两两大大类类：一一类类是是传传光光型型，这这类类传传感感器器仅仅由由光光纤纤的的几几何何位位置置排排布布实实现现光光转转换换功功能能；另另一一类类是是传传感感型型，它

6、它以以光光的的相相位位、波波长长、强强度度（干涉）等为测量信号。（干涉）等为测量信号。v传传光光型型与与传传感感型型相相比比，虽虽然然其其温温度度灵灵敏敏度度较较低低，但但是是由由于于具具有有技技术术上上容容易易实实现现、结结构构简简单单、抗抗干干扰扰能能力力强强等等特特点点，在在实实用用化化技技术术方方面面取取得得了了突突破破，发发展展较较快快。如如荧荧光光衰衰减减型型、热热辐辐射射型型光光纤纤温温度度传传感感器器已已达达到实用水平。到实用水平。光纤温度传感器光纤温度传感器6v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燕山大学光电子系 光纤温度传感器的测温机理及特点下表光纤

7、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。光纤温度传感器表表10.1 光纤温度传

8、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7v 光纤温度传感器的测温机理及特点下表10.1光纤温燕山大学光电子系10.2 10.2 10.2 10.2 传光型光纤温度传感器传光型光纤温度传感器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8v10.2 传光型光纤温度传感器10.2.1 半导体光吸收型燕山大学光电子系10.2.1 10.2.1 10.2.1 10.2.1 半导体光

9、吸收型光纤温度传感器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半导体光吸收型光纤温度传感器 许许多多半半导导体体材材料料在在它它的的红红限限波波长长 （即即其其禁禁带带宽宽度度对对应应的的波波长长）的的一一段段光光波波长长范范围围内内有有递递减减的的吸吸收收特特性性，超超过过这这一一波波段段范范围围几几乎乎不不产产生生吸吸收收，这这一一波波段段范范围围称称为为半半导导体体材材料料的的(能能带带隙隙)吸吸收收端端。如如GaAs,GaAs,CdTeCdTe材材料料的的吸吸收收端端在在0.9m0.9m附附近近，如如图图10.1(a)10.1(a)所示。所示。9v10.2.1 半导体光吸

10、收型光纤温度传感器 燕山大学光电子系(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10v(a)光吸收温度特性 燕山大学光电子系 用用这这种种半半导导体体材材料料作作为为温温度度敏敏感感头头的的原原理理是是，它它们们的的禁禁带带宽宽度度随随温温度度升升高高几几乎乎线线性性地地变变窄窄，相相应应的的红红限限波波长长g几几乎乎线线性性地地变变长长，从从而而使使其其光光吸吸收收端端线线性性地地向向长长波波方方向向平平移移。显显然然，当当一一个个辐

11、辐射射光光谱谱与与 相相一一致致的的光光源源发发出出的的光光通通过过半半导导体体时时，其其透透射射光光强强随随温温度度升升高高而而线线性性地地减减小小。图图10.1(a)10.1(a)示示出出了了这这一一说说明明。采采用用如如图图10.1(b)10.1(b)所所示示的的结结构构，就就组组成成了了一一个个最最简简单单的的光光纤纤温温度度传传感感器器。这这种种结结构构由由于于光光源源不不稳稳定定的的影影响响很大，实际中很少采用。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11v 用这种半导体材料作为温度敏感头的原理是，它们的禁燕山大学光

12、电子系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12v一个实用化的设计如图10.2所示。这种传感器的测量范围是-1燕山大学光电子系 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

13、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。13v 光探测器输出信号经采样放大器后，得到两个正比于脉冲宽燕山大学光电子系 许许多多无无机

14、机溶溶液液的的颜颜色色随随温温度度而而变变化化，因因而而溶溶液液的的光光吸吸收收谱谱线线也也随随温温度度而而变变化化，称称为为热热色色效效应应。其其中中钴钴盐盐溶溶液液表表现现出出最最强强的的光吸收作用，热色溶液如光吸收作用，热色溶液如 溶溶液液的的光光吸吸收收频频谱谱如如图图10.310.3所示。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热色效应光纤温度传感器14v 许多无机溶液的颜色随温度而变化，因而溶液的光吸收燕山大学光电子系 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

15、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

16、传感器15v 从图10.3可见，在25 75燕山大学光电子系 这种温度传感器的组成如图这种温度传感器的组成如图10.4所示所示。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热色效应光纤温度传感器16v 这种温度传感器的组成如图10.4所示。燕山大学光电子系 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

17、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。17v 光源采用卤素灯泡，光进入光

18、纤之前进行斩燕山大学光电子系10.2.3 10.2.3 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：荧光现象大致分为两类：一类是下转换荧光现一类是下转换荧光现象，短波长辐射（紫外线、象，短波长辐射（紫外线、X X射线）激发出长波长射线）激发出长波长（可见光）光辐射；（可见光）光辐射；另一类是上转换荧光现象，长另一类是上转换荧光现象，长波长光辐射（波长光辐射（LEDLED、红外光）通过双光子效应激发、红外光）通过双光子效应激发出短波长（可见光）光辐射。出短波长（可见光）光辐射。后一类用于温度测量时，费效比低，

19、有实用意后一类用于温度测量时，费效比低，有实用意义。荧光材料是义。荧光材料是 ：荧光粉，激励波荧光粉，激励波长为长为 940nm 940nm，荧光波长为，荧光波长为554 nm554 nm。荧光特性如图荧光特性如图10.510.5所示，分为荧光段和余辉段。所示，分为荧光段和余辉段。18v10.2.3 荧光型光纤温度传感器 荧光现象大燕山大学光电子系图图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

20、，19v图10.5 光脉冲激励的荧光特性 10.2.3 荧光型光燕山大学光电子系 式式中中，t=t2-t1；A是是常常数数；IP(T)是是停停止止激激励励时时的的荧荧光光峰峰值值强强度度，是是温温度度的的函函数数；(T)是是荧荧光光余余辉辉寿寿命命，是温度的函数。是温度的函数。式式(10.1)表表明明，IP(T)和和(T)是是两两个个与与温温度度T有有关关的独立的参数，可用于计量温度。的独立的参数，可用于计量温度。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20v 式中，t=t2

21、-t1；A是常数；IP(T)是停止激燕山大学光电子系 联联合合使使用用这这两两个个温温度度参参数数实实现现温温度度计计量量的的方方法法是所谓的余辉强度积分法，即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。信法的优点是温度计量的重现性好，测量范围宽。信号处理中采取号处理中采取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

22、器的组成原理框图如图10.7所示。所示。21v 联合使用这两个温度参数实现温度计量燕山大学光电子系图图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组成原理框图如图理框图如图10.7所所示。示。22v图10.6 余辉强度积分法示意图10.2.3 荧

23、光型光纤温燕山大学光电子系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，并并由由微微机机对对采采集集的的数数据据进进行行处处

24、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23v10.7荧光型光纤温度传感器的组成原理框图 LED燕山大学光电子系10.3 10.3 10.3 10.3 功能型光纤温度传感器功能型光纤温度传感器功能型光纤温度传感器功能型光纤温度传感器v v 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24v10.3 功能型光纤温

25、度传感器 燕山大学光电子系10.3.1 10.3.1 10.3.1 10.3.1 光纤温度开关传感器光纤温度开关传感器光纤温度开关传感器光纤温度开关传感器 如如果果光光纤纤纤纤芯芯和和包包层层材材料料的的折折射射率率随随温温度度变变化化，且且在在某某一一温温度度下下出出现现交交叉叉时时，这这种种光光纤纤就就可可以以用用做做光纤温度传感器。光纤温度传感器。25v10.3.1 光纤温度开关传感器 如果光纤纤燕山大学光电子系 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

26、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

27、传感器26v 图10.8 三对光纤材料的折射率交叉点 图10.8燕山大学光电子系10.3.2 10.3.2 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光纤温度传感器掺杂光纤温度传感器 掺掺杂杂稀稀土土元元素素（如如钕钕、铕铕）的的玻玻璃璃光光纤纤，具具有有温温度度敏敏感感的的吸吸收收光光谱谱，在在两两个个波波长长处处具具有有单单调调温温度度函函数数特性，如图特性，如图10.9所示。所示。v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08

28、00。27v10.3.2 掺杂光纤温度传感器 燕山大学光电子系10.3.2 10.3.2 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光纤温度传感器掺杂光纤温度传感器 掺掺杂杂稀稀土土元元素素（如如钕钕、铕铕）的的玻玻璃璃光光纤纤，具具有有温温度度敏敏感感的的吸吸收收光光谱谱，在在两两个个波波长长处处具具有有单单调调温度函数特性，如图温度函数特性，如图10.9所示。所示。在在840 nm波波长长处处，吸吸收收随随温温度度升升高高而而减减少少；在在860 nm处处则则相相反反，吸吸收收随随温温度度升升高高而而增增加加。在在500处处进进行行校校准准后后，测测定定两两个个波

29、波长长处处的的光光强强，由由其其比比值值即即可可测测定定温温度度。通通常常这这种种传传感感器器的的测测温温范围为范围为0 800。28v10.3.2 掺杂光纤温度传感器 燕山大学光电子系(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29v(a)掺钕光纤温度敏感的吸收光谱 燕山大学光电子系10.3.3 10.3.3 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热辐射光纤高温传感器v热辐射光纤高温

30、传感器是基于光纤被加热要引起热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。辐射这个原理的。v热辐射的强度和波长是温度的函数，由于光纤材料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（一般在高温区（一般在500以上），因此称为高温传感以上），因此称为高温传感器。器。30v10.3.3 热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器燕山大学光电子系 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

31、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度的影响。长度的影响。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31v 接触式热辐射光纤高温传感器通常有两种燕山大学光电子系 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

32、经比较成熟的固定黑体腔光纤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，其构成原理如图高温传感器，其构成原理如图10.1010.10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电数据处理系统。光电数据处理系统。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32v 图10.10 固定黑体腔光纤高温传感器的构成原理 燕山大学光电子系 当当黑黑体体

33、腔腔与与待待测测高高温温区区热热平平衡衡时时，黑黑体体腔腔就就按按照照黑黑体体辐辐射射定定律律发发射射与与待待测测温温度度T相相对对应应的的电电磁磁辐辐射射，其谱功率密度出射度为其谱功率密度出射度为 (10.3)式式 中中，为为 黑黑 体体 腔腔 谱谱 发发 射射 率率；为为 第第 一一 辐辐 射射 常常 数数()；为第二辐射常数为第二辐射常数()；T为待测温度为待测温度(K)；为辐射波长为辐射波长(m)。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33v 当黑体腔与待测高温区热平衡时，黑体燕山大学光电子系v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

34、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，则则入入射射到到光电二极管光敏面的黑体辐射功率为光电二极管光敏面的黑体辐射功率为(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

35、34v这一功率从黑体腔出口经高温光纤直接耦合进入低温传输光纤，最后燕山大学光电子系 可见，入射到光电二极管光敏面上的功率与待测可见，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、理依据。经光电转换、信号放大、A/DA/D转换、微机处理转换、微机处理及显示，给出待测温度值。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。我我们们发发现现，在在500 1800的测温范围，黑体辐射功

36、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35v 可见，入射到光电二极管光敏面上的功率与待测温度有燕山大学光电子系v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性噪噪比比电电子子数数据据处处理系统的精心设计。理系统的精心设计。v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

37、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，且且性性能能满满足足要要求求。为为了了使使黑黑体体腔腔的的发发射射率率 稳稳定定，一一般般只只要要控控制制黑黑体体腔腔的长径比大于的长径比大于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36v综合讨论，实现光纤高温传感技术的关键是：10.3.3 热辐燕山大学光电子系v关关于于电电子子数数据据处处理理系系统统，要要求求在在500时时能能稳稳定定检检测测出出 量量级级的的微微弱弱信信号号，一一般般应应采采用用高高阻阻抗抗低低噪噪

38、声声前前放放与与高高Q选选频频放放大大相相结结合合的的放放大大方方案案。这这又又要要求求信信号号中中心心频频率率十十分分稳稳定定，采采用用温温补补晶晶振振锁锁相相环环控控制制调调制制频频率率，稳稳定定度度可可达达10-4量量级级，能能满满足足高高Q选选频频放放大大器器窄窄带带宽宽(f=10Hz)的的要要求求。500 1800温温度度范范围围内内的的光光功功率率动动态态范范围围高高达达105W量量级级，远远远远超超出出了了放放大大器器的的动动态态范范围围。采采用用电电子子开开关关动动态态范范围围扩扩展技术将测温范围分成若干温段，问题就能解决。展技术将测温范围分成若干温段，问题就能解决。10.3.

39、3 10.3.3 热辐射光纤高温传感器热辐射光纤高温传感器37v关于电子数据处理系统，要求在500时能稳定检测出 燕山大学光电子系v图图10.11示出了信号检测系统的原理框图。采用这样示出了信号检测系统的原理框图。采用这样的系统，在的系统，在500 1800的高温范围内，测温精度的高温范围内，测温精度高达高达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38v图10.11示出了信号检测系统的原理框图。采用这样的系统，在燕山大学光电子系图图10.11 信号检测系统的原理框图信号检测系统的

40、原理框图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39v图10.11 信号检测系统的原理框图10.3.3 热辐射燕山大学光电子系10.3.4 10.3.4 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相位干涉型光纤温度传感器相位干涉型光纤温度传感器v利利用用相相位位干干涉涉仪仪做做成成的的光光纤纤温温度度传传感感器器有有多多种种形形式式，其其中中以以马马赫赫-泽泽得得光光纤纤干干涉涉仪仪和和法法布布里里-珀珀罗罗光纤干涉仪最为典型。光纤干涉仪最为典型。v这这里里主主要要讨讨论论马马赫赫-泽泽得得光光纤纤干干涉涉仪仪光光纤纤温温度度传传感

41、感器器。这这种种光光纤纤温温度度传传感感器器的的特特点点是是：灵灵敏敏度度高高（理理论论值值可可达达1010-8-8），可可对对多多种种物物理理量量敏敏感感，对对光光纤纤本本身身性性能能要要求求高高（如如要要采采用用高高双双折折射射单单模模保偏光纤，且要求对非测物理量去敏等）。保偏光纤，且要求对非测物理量去敏等）。40v10.3.4 相位干涉型光纤温度传感器利用相位干涉仪做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va)麦克尔逊干涉仪 c)法布里-珀罗干涉仪va)Michelson interferometer c)

42、Fabry-Perot interferometervb)马赫-曾德尔干涉仪d)塞格奈克干涉仪vb)Mach-Zehnderinterferometer d)Sagnac interferometervv图1-5各种光纤干涉仪 41v常用相位调制型光纤传感结构41燕山大学光电子系v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。将两根光纤的输出光束汇合到一起，两光束发生干涉，光纤。将两根光纤的输出光束汇合到一起，两光束发

43、生干涉，出现干涉条纹，光电探测器用来检测干涉条纹的变化。当测出现干涉条纹，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，量（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测温度的变化。被测温度的变化。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42v马赫-泽得光纤温度传感器工作时，由激光器（如He-Ne激光器燕山大学光电子系 考考虑虑到到测测量量臂臂光光波波相相位位变变化化是是由由温温度度变变化化引引起起的，可以

44、写出温度灵敏度为的，可以写出温度灵敏度为(10.5)(10.5)对石英光纤而言，有对石英光纤而言，有(10.6)(10.6)（裸光纤）（裸光纤）（护套光纤）（护套光纤）43v 考虑到测量臂光波相位变化是由温度变化引起的，可以写燕山大学光电子系v由这两个数值量级可见，对石英裸光纤，其温度灵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，石英光纤的温度灵敏度比裸光纤大得多。这说明，护套

45、层的杨氏模量和膨胀系数对光纤的温度灵敏度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（低温度系数）。系数），或对温度去敏（低温度系数）。44v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燕山大学光电子系v这这里里顺顺便便指指出出，当当马马赫赫-曾曾德德尔尔干干涉涉仪仪用用于于其其他他物物理理量量如如声声压压、磁磁场场、电电场场的的传传感感测测量量时时，都都有有一一个个为为了了提提高高灵

46、灵敏敏度度而而增增敏敏的的问问题题。研研究究表表明明，在在石石英英光光纤纤外外面面包包一一层层弹弹性性模模量量比比石石英英低低的的材材料料（如如塑塑料料），可可以以大大大大提提高高干干涉涉仪仪对对声声压压的的测测量量灵灵敏敏度度；在在测测量量磁磁场场时时，可可以以采采用用涂涂覆覆具具有有高高磁磁伸伸缩缩系系数数的的材材料料来来提提高高灵灵敏敏度度；当当光光纤纤与与外外场场间间接接作作用用时时，可可以以将将光光纤纤绕绕在在对对外外场场敏敏感感的的圆圆筒筒上上，如如测测量量声声压压时时，将将光光纤纤绕绕在在有有柔柔性性膜膜片片的的圆圆筒筒上上，也也可可以以大大大大提提高高探探测测的灵敏度。的灵敏度

47、。45v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、磁场燕山大学光电子系v所有的增敏措施都是为了提高相位变化的灵敏度，高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。分微弱的。这时相位检测带来了一个问题，即信号检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，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，如温度传感器会受到压力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场的

48、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，造成信号衰落。景场随机起伏，使干涉仪噪声加大，造成信号衰落。因此，研究能抑制干涉仪输出衰落问题的检测技术是因此，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十分突出的问题，也是光纤相位传感器能够实用化的关键。关键。46v所有的增敏措施都是为了提高相位变化的灵敏度，高的相位灵敏度决燕山大学光电子系10.4 10.4 10.4 10.4 分布式光纤温度传感器分布式光纤温度传感器分布式光纤温度传

49、感器分布式光纤温度传感器v典典型型的的分分布布式式光光纤纤温温度度传传感感器器系系统统，能能在在整整个个连连续续的的光光纤纤上上，以以距距离离的的连连续续函函数数形形式式测测量量出出光光纤纤上上各各点点的温度值。的温度值。v分分布布式式光光纤纤温温度度传传感感器器的的工工作作机机理理是是基基于于光光纤纤内内部部光光的的散散射射现现象象的的温温度度特特性性，利利用用光光时时域域反反射射测测试试技技术术，将将较较高高功功率率窄窄带带光光脉脉冲冲送送入入光光纤纤，然然后后将将返返回回的的散散射光强随时间的变化探测下来。射光强随时间的变化探测下来。v分分布布式式光光纤纤温温度度传传感感器器基基于于背背

50、向向散散射射或或前前向向散散射射机机理理，其中背向散射具有温度测量的实际意义。其中背向散射具有温度测量的实际意义。47v10.4 分布式光纤温度传感器典型的分布式光纤温度传感燕山大学光电子系v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

51、中探探测测这这两两种种散散射射，在在技术上已不成问题。技术上已不成问题。v从从光光纤纤返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频率率相相同同，是是强强度度最最高的散射成分；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48v瑞利散射是造成光纤传输衰减的主要因素，虽然其背向散射效应较强燕山大学光电子系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

52、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10.4.310.4.3 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49v10.4.1 光纤光时域反射原理10.4.2 光纤拉曼背向散燕山大学光电子系 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50v 图10.14 光纤中后向散射光的频谱分布10.4 分布燕山大学光电子系10.4.1 10.4.

53、1 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纤光时域反射原理光纤光时域反射原理 光光 时时 域域 反反 射射(Optical Time-Domain Reflectometry,OTDR)技技术术最最初初用用于于评评价价光光学学通通信信领领域域中中光光纤纤、光光缆缆和和耦耦合合器器的的性性能能，是是用用于于检检验验光光纤纤损损耗耗特特性性、光光纤纤故故障障的的手手段段，同同时时也也是是分分布布式式光光纤纤传传感感器器的的基基础础。图图10.12是是基基于于背背向向散散射射的光纤分布式传感器的测量原理。的光纤分布式传感器的测量原理。51v10.4.1 光纤光时域反射原理

54、 燕山大学光电子系图图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52v图10.12 基于背向散射的光纤分布式传感器的测量原理10燕山大学光电子系 当光通过图当光通过图10.1210.12中所示的测量物理场时，光中所示的测量物理场时，光能量将以三种方式分配：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一部分能量在传输过程中被吸收损耗或是散射至光纤外；至光纤外；(3)(3)

55、一部分能量被耦合至接收通道，被光电探测器一部分能量被耦合至接收通道，被光电探测器探测。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53v 当光通过图10.12中所示的测量物理场时，光能量燕山大学光电子系v当当脉脉冲冲在在光光纤纤中中传传输输时时，由由于于光光纤纤中中存存在在折折射射率率的的微微观观不不均均匀匀性性，因因此此会会产产生生瑞瑞利利散散射射。若若入入射射光光经经背背向向散散射射返返回回到到探探测测器器端端所所需需的的时时间间为为t，光光脉脉冲冲在在光光纤纤中中传传输输的的路路程程为为2L，则则2L=vt。其其中中，v为为光光在在光光纤纤中中的的传传播播速速度

56、度，v=c/n；c为为光光在在真真空空中中的的速速度度；n为为光光纤纤的的折折射射率率。在在t时时刻刻测测量量的的是是离光纤入射端距离为离光纤入射端距离为L处的背向瑞利散射光。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54v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，因燕山大学光电子系 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

57、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为为被被测测物物理理场场距距光光源源的的长长度度。L可可以以表表示为示为 (10.8)55v 在空间域，光纤的瑞利背向散射光子数为燕山大学光电子系10.4.2 10.4.2 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v当当频频率率为为0的的激激光光进进入入光光纤纤时时，在在其其背背向向会会产产生生拉拉曼曼散散射射，即即频频率率不不同同于于入入射射光光的的散散射射光光。由由于于其其分分子子量很少，所以拉曼散射与

58、瑞利散射相比相当弱。量很少，所以拉曼散射与瑞利散射相比相当弱。v拉拉曼曼散散射射光光子子的的频频率率既既可可向向低低处处移移动动（斯斯托托克克斯斯频频移移），也也可可向向高高处处移移（反反斯斯托托克克斯斯频频移移)，因因此此拉拉曼曼散散射射在在频频谱谱上上，是是由由位位于于瑞瑞利利散散射射两两旁旁的的、对对应应的的斯斯托托克克斯斯和和反反斯斯托托克克斯斯谱谱线线组组成成的的。在在频频域域中中，拉拉曼曼散散射射光光子子分分为为斯斯托托克克斯斯散散射射光光子子和和反反斯斯托托克克斯斯散散射射光光子。子。v斯托克斯散射光子的频率为斯托克斯散射光子的频率为56v10.4.2 光纤拉曼背向散射及其温度效

59、应当频率为0燕山大学光电子系 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，声子的振动频为光纤分子的振动频率，声子的振动频率率 。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)10.4.1 10.4.1 光纤光时域反射原理光纤光时域反射原理57v 反斯托克斯散射光子的频率为 燕山大学光电子系 式式(10.11)和和式式(10.12)中中，Ka，KS 分分别别为为与与光光纤纤斯斯托托克克斯斯和和反反斯斯托托克克斯斯散散射射截截面面有

60、有关关的的系系数数；S为为光光纤纤的的背背向向散散射射因因子子；,分分别别为为斯斯托托克克斯斯和和反反斯斯托托克克斯斯散散射射光光子子频频率率；分分别别为为入入射射光光、斯斯托托克克斯斯散散射射光光和和反反斯斯托托克克斯斯散散射射光光频频率率的的光光纤纤传传输输损损耗耗；L为为光光纤纤待待测测局局域域处处的的长长度度；分分别别为为与与光光纤纤分分子子低低能能级级和和高高能能级级上上的的布布局局数数有有关关的的系系数数，它它们们与与光光纤纤局局域处的温度有关。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58v 式(10.11)和式(

61、10.12)中，Ka，KS 分燕山大学光电子系 分别为分别为 (10.13)(10.14)式式中中，为为拉拉曼曼声声子子频频率率；h为为普普朗朗克克常常量量；k为为玻耳兹曼常量。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59v 分别为 燕山大学光电子系 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曲曲线线，此此时时有有(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确定被测光纤上各点的温度，此时式来确定被测光纤上各点的温

62、度，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60v 实际测量时，可用光纤的斯托克斯散射O燕山大学光电子系式式(10.15)(10.15)与式与式(10.16)(10.16)相除，有相除，有(10.17)(10.17)由式由式(10.17)(10.17)可得局域处的温度为可得局域处的温度为 (10.18)(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61v式(10.15)与式(10.16)相除，有10.4.1 光燕山大学光电子系 对对于于多多模模光光纤纤，如如式式(10.18)所所示示的的拉拉曼曼声

63、声子子频频率率 。通通过过上上式式即即可可以以确确定定测测量量的的温温度变化值。度变化值。式式(10.18)为为典典型型的的用用斯斯托托克克斯斯散散射射OTDR曲曲线线解解调调反反斯斯托托克克斯斯散散射射OTDR曲曲线线的的被被测测温温度度T 的的表表达达式式。虽虽然然反反斯斯托托克克斯斯散散射射光光子子比比斯斯托托克克斯斯散散射射光光子少得多，但是用于测温却非常有效。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62v 对于多模光纤，如式(10.18)燕山大学光电子系v在在典典型型的的分分布布式式温温度度测测量量系系统统中中，

64、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息，因因为为反反斯斯托托克克斯斯散散射射信信号号比比斯斯托托克克斯斯散散射射信信号号具具有有更更高高的的温温度度灵灵敏敏度。度。v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条件、光纤几何尺寸和结构等变化的影响。纤条件、光纤几何尺寸和结构等变化的影响。10.4.1 10.4.1 光纤光时域反射原理光纤

65、光时域反射原理63v在典型的分布式温度测量系统中，可以用波长较短的反斯托克斯谱带燕山大学光电子系 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曲线来曲线来解调拉曼散射解调拉曼散射OTDR曲线，此时，反斯托克斯自发拉曲线，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曼散射与瑞利散射光子数的比值为(10.19)v当起始温度当起始温度T=T0已知时，由式已知时，由式(10.19)来确定光纤上各来确定光纤上各点的温度，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64v 在实际测量中，也可以用瑞利散射OTD燕山大学光电子系 瑞利散射与温度无关

66、，即瑞利散射与温度无关，即 ，因此有，因此有(10.20)(10.20)当起始温度已知时，通过式当起始温度已知时，通过式(10.20)(10.20)可以确定光可以确定光纤上各点的温度。由于光纤的瑞利散射信号要比自纤上各点的温度。由于光纤的瑞利散射信号要比自发拉曼散射信号强几个数量级，因此式发拉曼散射信号强几个数量级，因此式(10.20)(10.20)的信的信噪比优于式噪比优于式(10.17)(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65v 瑞利散射与温度无关，即 ，因此有燕山大学光电子系10.4.3 10.4.3 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v分布式光纤传感器的功能可以理解为：能在整个光纤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。按照纤长度的变化。按照OTDROTDR原理，典型的分布式光纤原理，典型的分