分布式光纖測溫

        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(shí)域反射(OTDR)原理和光纖的后向拉曼散射溫度效應(yīng)。

　　(一)光時(shí)域反射(OTDR)原理

　　當(dāng)激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，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(shí)域里，入射光經(jīng)后向散射返回到光纖入射端所需時(shí)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(shí)刻t時(shí)，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(dāng)一個(gè)激光脈沖從光纖的一端射入光纖時(shí)，這個(gè)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(diǎn)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(qiáng)度與光線中的反射點(diǎn)的溫度有一定的相關(guān)關(guān)系。反射點(diǎn)的溫度(該點(diǎn)光纖所處的環(huán)境溫度)越高，反射光的強(qiáng)度也越大。利用這個(gè)現(xiàn)象，若能測出后向反射光的強(qiáng)度，就可以計(jì)算出反射點(diǎn)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(dá)：當(dāng)激光脈沖在光纖中傳播時(shí)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(gè)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(gè)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(qiáng)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(qiáng)和反斯托克斯光強(qiáng)，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(qiáng)之比來實(shí)現(xiàn)溫度的測量。