分布式光纖測溫的基本原理及其傳感過程簡介

分布式光纖測溫的基本原理及其傳(chuan) 感過程簡介

分布式光纖測溫係統依據後向散射原理可以分為(wei) 三種：基於(yu) 瑞利散射、基於(yu) 拉曼散射和基於(yu) 布裏淵散射。目前發展比較成熟，且有產(chan) 品應用於(yu) 工程的是基於(yu) 拉曼散射的分布式光纖測溫係統。它的傳(chuan) 感原理主要依據的是光纖的光時域反射（OTDR）原理和光纖的後向拉曼散射溫度效應。

　二、分布式光纖測溫的基本原理

　　分布式光纖測溫係統依據後向散射原理可以分為(wei) 三種：基於(yu) 瑞利散射、基於(yu) 拉曼散射和基於(yu) 布裏淵散射。目前發展比較成熟，且有產(chan) 品應用於(yu) 工程的是基於(yu) 拉曼散射的分布式光纖測溫係統。它的傳(chuan) 感原理主要依據的是光纖的光時域反射（OTDR）原理和光纖的後向拉曼散射溫度效應。

　　（一）光時域反射（OTDR）原理

　　當激光脈衝(chong) 在光纖中傳(chuan) 輸時，由於(yu) 光纖中存在折射率的微觀不均勻性，會(hui) 產(chan) 生散射。在時域裏，入射光經後向散射返回到光纖入射端所需時間為(wei) t，激光脈衝(chong) 在光纖中所走過的路程為(wei) 2L，其中v為(wei) 光在光纖中的傳(chuan) 播速度、C為(wei) 真空中的光速，n為(wei) 光纖折射率。在測得時刻t時，就可求得距光源L處的距離。

　　（二）光纖的後向拉曼散射溫度效應

　　當一個(ge) 激光脈衝(chong) 從(cong) 光纖的一端射入光纖時，這個(ge) 光脈衝(chong) 會(hui) 沿著光纖向前傳(chuan) 播。由於(yu) 光脈衝(chong) 與(yu) 光纖內(nei) 部分子發生彈性碰撞和非彈性碰撞，故光脈衝(chong) 在傳(chuan) 播中的每一點都會(hui) 產(chan) 生反射，反射中有一小部分的反射光，其方向正好與(yu) 入射光的方向相反（亦可稱為(wei) 後向）。這種後向反射光的強度與(yu) 光線中的反射點的溫度有一定的相關(guan) 關(guan) 係。反射點的溫度（該點光纖所處的環境溫度）越高，反射光的強度也越大。利用這個(ge) 現象，若能測出後向反射光的強度，就可以計算出反射點的溫度，這就是利用光纖測量溫度的基本原理。

　　如用公式來表達：當激光脈衝(chong) 在光纖中傳(chuan) 播時與(yu) 光纖分子相互作用，會(hui) 發生瑞利散射、布裏淵散射、拉曼散射，其中拉曼散射是由於(yu) 光纖分子的熱振動和光子相互作用發生能量交換而產(chan) 生的。如果一部分光能轉換成熱振動，那麽(me) 將發出一個(ge) 比光源波長長的光，稱為(wei) 斯托克斯光；如果一部分熱振動轉換為(wei) 光能，那麽(me) 將發出一個(ge) 比光源波長短的光，稱為(wei) 反斯托克斯光。根據拉曼散射理論，在自發拉曼散射條件下，兩(liang) 束反射光的光強與(yu) 溫度有關(guan) ，它們(men) 的比值R（T）為(wei) ：

　　（1）其中，和分別是斯托克斯光強和反斯托克斯光強，h為(wei) 普朗克常數，k為(wei) 玻爾茲(zi) 曼常數，T為(wei) 溫度。從(cong) （1）式中可以看出，R（T）僅(jin) 與(yu) 溫度T有關(guan) 。因此，我們(men) 可以借助反斯托克斯與(yu) 斯托克斯光強之比來實現溫度的測量。

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