分布式光纖測溫的基本原理及其傳感過程簡介

分布式光纖測溫系統(tǒng)依據(jù)后向散射原理可以分為三種：基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里淵散射。目前發(fā)展比較成熟，且有產(chǎn)品應用于工程的是基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)。它的傳感原理主要依據(jù)的是光纖的光時域反射（OTDR）原理和光纖的后向拉曼散射溫度效應。

　二、分布式光纖測溫的基本原理

　　分布式光纖測溫系統(tǒng)依據(jù)后向散射原理可以分為三種：基于瑞利散射、基于拉曼散射和基于布里淵散射。目前發(fā)展比較成熟，且有產(chǎn)品應用于工程的是基于拉曼散射的分布式光纖測溫系統(tǒng)。它的傳感原理主要依據(jù)的是光纖的光時域反射（OTDR）原理和光纖的后向拉曼散射溫度效應。

　　（一）光時域反射（OTDR）原理

　　當激光脈沖在光纖中傳輸時，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，會產(chǎn)生散射。在時域里，入射光經(jīng)后向散射返回到光纖入射端所需時間為t，激光脈沖在光纖中所走過的路程為2L，其中v為光在光纖中的傳播速度、C為真空中的光速，n為光纖折射率。在測得時刻t時，就可求得距光源L處的距離。

　　（二）光纖的后向拉曼散射溫度效應

　　當一個激光脈沖從光纖的一端射入光纖時，這個光脈沖會沿著光纖向前傳播。由于光脈沖與光纖內(nèi)部分子發(fā)生彈性碰撞和非彈性碰撞，故光脈沖在傳播中的每一點都會產(chǎn)生反射，反射中有一小部分的反射光，其方向正好與入射光的方向相反（亦可稱為后向）。這種后向反射光的強度與光線中的反射點的溫度有一定的相關關系。反射點的溫度（該點光纖所處的環(huán)境溫度）越高，反射光的強度也越大。利用這個現(xiàn)象，若能測出后向反射光的強度，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：當激光脈沖在光纖中傳播時與光纖分子相互作用，會發(fā)生瑞利散射、布里淵散射、拉曼散射，其中拉曼散射是由于光纖分子的熱振動和光子相互作用發(fā)生能量交換而產(chǎn)生的。如果一部分光能轉(zhuǎn)換成熱振動，那么將發(fā)出一個比光源波長長的光，稱為斯托克斯光；如果一部分熱振動轉(zhuǎn)換為光能，那么將發(fā)出一個比光源波長短的光，稱為反斯托克斯光。根據(jù)拉曼散射理論，在自發(fā)拉曼散射條件下，兩束反射光的光強與溫度有關，它們的比值R（T）為：

　　（1）其中，和分別是斯托克斯光強和反斯托克斯光強，h為普朗克常數(shù)，k為玻爾茲曼常數(shù)，T為溫度。從（1）式中可以看出，R（T）僅與溫度T有關。因此，我們可以借助反斯托克斯與斯托克斯光強之比來實現(xiàn)溫度的測量。

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