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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(yīng)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(yīng)。
分布式光纖測溫
一、引言
隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展，電力系統(tǒng)正在朝著超高壓、大電網(wǎng)、大容量、自動化的方向發(fā)展，一旦發(fā)生事故便會對國民經(jīng)濟造成巨大損失。如何對正在運行的電力設(shè)備進行在線監(jiān)測并進行安全預(yù)測和溫度變化趨勢分析？如何通過實時數(shù)據(jù)對設(shè)備質(zhì)量、運行環(huán)境、運行方式、設(shè)備老化、負荷不平衡等進行科學(xué)分析？這些都是電力系統(tǒng)中迫切需要解決的問題。傳統(tǒng)的紅外測溫儀、紅外成像儀、感溫電纜、熱電阻式測溫系統(tǒng)等只能對電力系統(tǒng)的局部位置進行測溫，無法為安全、經(jīng)濟運行、高效檢修提供科學(xué)依據(jù)。而分布式光纖測溫系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)多點、在線的分布式測量，實現(xiàn)了運行設(shè)備的實時在線監(jiān)測，有效地解決了長期以來現(xiàn)場出現(xiàn)的高溫、燃燒、爆炸、火災(zāi)等事故應(yīng)急不備的問題。在電力系統(tǒng)中，這種光纖測溫技術(shù)在高壓電力電纜、電氣設(shè)備因接觸不良引起的發(fā)熱部位、電纜夾層、電纜通道、大型發(fā)電機定子、大型變壓器、鍋爐等設(shè)施的溫度定點傳感場合具有廣泛的應(yīng)用前景。
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(yīng)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(yīng)。
(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(yīng)
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(guān)關(guān)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(guān)，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為絕對溫度。從(1)式中可以看出，R(T)僅與溫度T有關(guān)。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。
三、分布式光纖測溫系統(tǒng)的傳感過程
如圖1所示，分布式光纖測溫系統(tǒng)的傳感過程為：計算機控制同步脈沖發(fā)生器產(chǎn)生具有一定重復(fù)頻率的脈沖，這個脈沖一方面調(diào)制脈沖激光器，使之產(chǎn)生一系列大功率光脈沖，另一方面向高速數(shù)據(jù)采集卡提供同步脈沖，進入數(shù)據(jù)采集狀態(tài)。光脈沖經(jīng)過波分復(fù)用器的一個端口進入到傳感光纖，并在光纖中各點處產(chǎn)生后向散射光，返回到波分復(fù)用器中。后向散射光通過波分復(fù)用器中的薄膜干涉濾光片分別濾出斯托克斯光和反斯托克斯光，經(jīng)波分復(fù)用器的另外兩個端口輸出，并分別進入到光電檢測器(APD)和放大器中進行光電轉(zhuǎn)換和放大，將信號放大到數(shù)據(jù)采集卡能夠采集的范圍上。最后由數(shù)據(jù)采集卡進行存儲和處理，用于溫度的計算。
