[发明专利]并置的分布式光纤温度传感器

说明书

所属技术领域

本发明涉及一种光纤温度传感器，尤其是一种并置的分布式光纤温度传感器。

背景技术

与传统的传感器相比，分布式光纤温度传感器具有诸多优点，集传感与传输于一体，可实现远距离测量与监控；一次测定就可以获取整个光纤区域的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测区域的二维和三维分布情况，能在一条长达数千米的传感器光纤环路上获得几十、几百甚至几千条信息，因此单位信息成本显著降低，测量范围宽，具有高空间分辨率和高精度；在具有强电磁干扰或易燃易爆以及其他传感器无法接近的恶劣环境下，分布式光纤温度传感器具有无可比拟的优点。因此自20世纪80年代以来，人们对实现分布式光纤温度传感的各种技术展开了广泛研究。针对分布式光纤温度传感器，首先要解决的是对携带温度信息的光信号的识别和测量位置的确定，光时域反射(OTDR)技术和光频域反射(OFDR)技术对此提供了很好的解决方法；而对于较长距离的分布测温应用，基于散射机理的分布传感系统则有着无比的优越性，这是因为此时光纤中所损失的功率直接用于所感应的信号能量。

光纤中最强的散射过程就是瑞利散射，约为入射光的-35dBm，瑞利散射是由光纤中非传播的局域密度的不均匀和成分的不均匀所致，实验和理论都发现玻璃(组成光纤的主要成分)的瑞利散射系数的温度灵敏度极其微弱，因此实现基于瑞利散射的全固光纤的温度分布系统很困难，然而在某些液体中，这种温度灵敏度却很强，如在苯中，其温度灵敏度高达0.033dB/K。由于液芯光纤的寿命短，且液体有冰点、沸点的存在，限制了测温的范围，该方案不能得到实际的应用。目前主要应用的是喇曼散射型和布里渊散射型。

光通过光纤时，光子和光纤中因自发热运动而产生的声子会产生非弹性碰撞，从而发生自发的布里渊散射，散射光的频率相对入射光的频率变化范围在10GHz∽11GHz。基于该技术的传感器的典型结构为布里渊放大器结构(如图4所示)，处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光与一连续光注入传感光纤，当两束光的频率差处于相遇光纤区域中的布里渊增益带宽内时，两束光就会在作用点产生布里渊放大器效应，相互间发生能量转移，在对两台激光器的频率进行连续调整的同时，通过检测从光纤一端射出的连续光的功率，就可确定光纤的各小段区域的布里渊增益达到最大时所对应的频率差，所确定的频率差与光纤上各段区域的布里渊频移相等。因此在光纤与布里渊频移成正比的温度和应变就随之确定。该传感技术所能达到的测量精度主要依赖于两台激光器的调谐精度。所以该系统较复杂，成本高，泵浦激光和探测激光必须放在被测光缆的两端，而且不能测断点，对激光器的稳频以及光源和控制系统的要求很高。因此其应用受到一定限制。

喇曼散射是当激光脉冲在光纤中传播时由于光纤分子的热振动和光子相互作用发生能量交换而产生的。具体地说，如果一部分光能转换成热振动，那么将发出一个比光源波长长的光称为喇曼斯托克斯光，如果一部分热振动转换为光能，那么将发出一个比光源波长短的光称为喇曼反斯托克斯光。基于自发喇曼散射的分布式温度传感系统如图5所示，两种喇曼后向散射光，斯托克斯光和反斯托克斯光经波分复用器后被分离，然后被光电接收放大组件接收转变为电信号并放大，再经信号处理系统处理转变为温度信号，作为一种双通道测量方法可以有效消除光源的不稳定和光纤传输与耦合的随机噪声的影响。后向散射喇曼光与入射光的关系为：

Po=12PiSexp(-2αL)---(1)]]>

其中P_o为后向散射喇曼光功率，L为传感光纤长度，α为光纤的平均损耗系数，S为喇曼

后散射因子(含温度信息)，P_i为入射光功率。