喬 通，魏 鵬，田玉坤，何欽華，劉 佳

（1.北京強(qiáng)度環(huán)境研究所，北京 100076；2.北京航空航天大學(xué)，北京 100187）

0 引言

光纖溫度傳感技術(shù)是測(cè)溫領(lǐng)域的新技術(shù)，也是工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用最多的傳感技術(shù)之一。目前光纖溫度傳感器中較為成熟的有：光纖輻射型溫度傳感器、光纖熒光型溫度傳感器、半導(dǎo)體吸收型溫度傳感器、光纖熱色型溫度傳感器、光纖偏振型溫度傳感器、光纖外差干涉型溫度傳感器等[1]。這些溫度傳感器通常都是“點(diǎn)”式溫度測(cè)量，即在傳輸光纖的末端用其他溫度敏感元件作為傳感器構(gòu)成傳感系統(tǒng)，光纖在整個(gè)系統(tǒng)中作為信號(hào)傳輸手段。點(diǎn)式測(cè)量型的光纖溫度傳感器只能測(cè)量感溫元件附近一小區(qū)域的溫度，不能滿足倉(cāng)庫(kù)、管道等場(chǎng)合的溫度分布監(jiān)測(cè)需求。

分布式光纖測(cè)溫技術(shù)，是利用光纖本身作為溫度傳感器來(lái)測(cè)量光纖沿線幾公里甚至幾十公里的連續(xù)空間的溫度場(chǎng)分布情況，為大范圍、復(fù)雜幾何空間結(jié)構(gòu)、強(qiáng)電磁場(chǎng)、高壓大電流、易燃易爆、強(qiáng)腐蝕性和高溫、真空低溫等特殊環(huán)境的溫度場(chǎng)測(cè)量與控制，提供了良好技術(shù)手段。在眾多的分布式光纖測(cè)溫技術(shù)中，基于后向拉曼散射原理的分布式光纖測(cè)溫技術(shù)[2]，由于其拉曼散射信號(hào)只對(duì)溫度靈敏，不存在串?dāng)_問(wèn)題，避免了復(fù)雜的信號(hào)分析。

基于光纖拉曼散射原理，在真空低溫罐內(nèi)合理布設(shè)光纖溫度傳感器，監(jiān)測(cè)液氮冷卻后罐內(nèi)熱沉溫度場(chǎng)分布，驗(yàn)證了該方法在低溫環(huán)境下的溫度監(jiān)測(cè)的可行性。

1 光纖拉曼測(cè)溫原理

光纖中的后向拉曼散射光（Anti-stokes）的光強(qiáng)只對(duì)環(huán)境溫度變化敏感，對(duì)其他環(huán)境因素變化不敏感。并且由于光纖中的后向拉曼散射光的頻率（或波長(zhǎng)）與入射光的頻率或波長(zhǎng)相差比較大，比較容易分離。將其與光時(shí)域反射技術(shù)相結(jié)合，即得到分布式光纖拉曼測(cè)溫技術(shù)的基本原理[3]。激光器輸出的脈沖光入射到傳感光纖中，在傳感光纖不同位置處產(chǎn)生的后向散射光經(jīng)過(guò)不同的延遲時(shí)間后，返回到傳感光纖的入射端。將后向散射光中與環(huán)境溫度信息相關(guān)的后向拉曼散射光分離出來(lái)，再通過(guò)具有高靈敏度的光電探測(cè)器對(duì)其進(jìn)行信號(hào)采集，可得到后向拉曼散射光的強(qiáng)度信號(hào)與時(shí)間的關(guān)系，即可解調(diào)出傳感光纖沿線的環(huán)境溫度[4]。

設(shè)入射光頻率為ν0（Hz），光強(qiáng)為I0（lm），在距離傳感光纖入射端z（m）位置處發(fā)生散射現(xiàn)象，返回到傳感光纖入射端的瑞利散射光強(qiáng)度為：

式中：S為光纖的后向散射因子；Kr為瑞利散射的散射截面系數(shù)；α0（x）為入射光在光纖中傳播時(shí)的衰減系數(shù)。

設(shè)拉曼散射的頻率漂移量為Δν，則Anti-Stokes拉曼散射光的頻率νas和Stokes拉曼散射光的頻率νs分別為：

在距離傳感光纖入射端z（m）的位置處發(fā)生拉曼散射現(xiàn)象，返回到傳感光纖入射端的Anti-Stokes拉曼散射光的強(qiáng)度Ias和Stokes拉曼散射光的強(qiáng)度Is分別為：

式中：Kas和Ks分別為Anti-Stokes拉曼散射光和Stokes拉曼散射光的散射截面系數(shù)；S為光纖的后向散射因子，Γas=KasS和Γs=KsS分別為Anti-Stoke拉曼散射光和Stokes拉曼散射光的散射捕捉率；αas和αs分別為Anti-Stokes拉曼散射光和Stokes拉曼散射光在傳感光纖中傳播的衰減系數(shù)；Rs（T）及Ras（T）分別為Stokes拉曼散射光與Anti-Stokes拉曼散射光光強(qiáng)比系數(shù)，與溫度T有關(guān)，其表達(dá)式如式（5）～（6）：

式中：T為溫度，K，取Planck（普朗克）常量h=6.63×10-34J·s，Boltzmann（玻爾茲曼）常量k=1.38×10-23J/K，拉曼散射光的頻率漂移量為Δν=13.2×1012Hz。若只考慮環(huán)境溫度變化，而忽略其他環(huán)境因素對(duì)后向拉曼散射光強(qiáng)的影響，將溫度在300 K以下時(shí)的拉曼散射光強(qiáng)設(shè)為1，其他溫度下的光強(qiáng)都相對(duì)于300 K時(shí)的拉曼散射光強(qiáng)做歸一化處理，得到如圖1所示的結(jié)果?？梢?jiàn)環(huán)境溫度變化對(duì)Anti-Stokes拉曼散射光強(qiáng)的影響較大。因此用Anti-Stokes拉曼散射光強(qiáng)來(lái)解調(diào)溫度的效果比較好。

圖1 光強(qiáng)隨溫度的變化圖Fig.1 The change of light intensity with temperature

利用光時(shí)域反射技術(shù)和光纖中拉曼散射光的溫敏效應(yīng)，選用合適的溫度解調(diào)方法，即獲得傳感光纖沿線的溫度-位置關(guān)系，進(jìn)而得到溫度場(chǎng)分布[5]。這是分布式光纖拉曼測(cè)溫技術(shù)的基本原理。

2 分布式光纖拉曼測(cè)溫系統(tǒng)組成

分布式光纖拉曼測(cè)溫系統(tǒng)由解調(diào)機(jī)箱、標(biāo)定機(jī)箱和傳感光纖三大部分組成。分布式光纖拉曼測(cè)溫系統(tǒng)的解調(diào)機(jī)箱負(fù)責(zé)發(fā)射激光脈沖信號(hào)并對(duì)傳感光纖的后向拉曼散射光信號(hào)進(jìn)行探測(cè)和處理；標(biāo)定機(jī)箱負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)對(duì)標(biāo)定光纖環(huán)境溫度的采集，并對(duì)光纖參數(shù)進(jìn)行實(shí)時(shí)在線標(biāo)定；傳感光纖是系統(tǒng)的溫度傳感器。硬件系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.2 Schematic diagram of hardware system

圖2中，高速脈沖光源發(fā)出中心波長(zhǎng)為1 550 nm的激光脈沖，經(jīng)過(guò)光纖波分復(fù)用器后入射到標(biāo)定光纖和傳感光纖中；激光脈沖在標(biāo)定光纖與傳感光纖中產(chǎn)生的后向散射光，在經(jīng)過(guò)傳感光纖和標(biāo)定光纖返回到光纖波分復(fù)用器后，被分離出中心波長(zhǎng)為1 663 nm的Stokes拉曼散射光和中心波長(zhǎng)為1 450 nm的Anti-Stokes拉曼散射光。這兩路后向散射光信號(hào)分別從兩個(gè)接口進(jìn)入系統(tǒng)的雪崩二極管（Avalanche Photo Diode）光電探測(cè)模塊，被轉(zhuǎn)換為電信號(hào)，再由系統(tǒng)的高速數(shù)據(jù)采集卡將該電信號(hào)采集進(jìn)嵌入式計(jì)算機(jī)中，在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行溫度解調(diào)與顯示、儲(chǔ)存。為了使光源發(fā)出的激光脈沖與采集卡的采集累加同步進(jìn)行，同步觸發(fā)信號(hào)由光源發(fā)出，采集卡根據(jù)該觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行同步數(shù)據(jù)采集。標(biāo)定光纖的環(huán)境溫度由鉑電阻溫度傳感模塊實(shí)時(shí)采集，其測(cè)溫精度為±0.1℃。鉑電阻溫度采集模塊通過(guò)RS232接口將采集到的溫度信息傳輸?shù)角度胧接?jì)算機(jī)中。

3 真空低溫環(huán)境溫度監(jiān)測(cè)試驗(yàn)

分布式光纖拉曼測(cè)溫真空低溫環(huán)境試驗(yàn)在KM3空間環(huán)境模擬設(shè)備中進(jìn)行，設(shè)備制冷方式為液氮制冷，罐內(nèi)熱沉溫度可低于100 K，真空度為5×10-5Pa，具體參數(shù)如表1所列。此次試驗(yàn)主要目的是測(cè)量KM3空間環(huán)境模擬設(shè)備內(nèi)熱沉表面的溫度分布情況，檢驗(yàn)分布式光纖拉曼測(cè)溫系統(tǒng)對(duì)低溫環(huán)境測(cè)量的穩(wěn)定性和可靠性。

表1 KM3真空熱試驗(yàn)設(shè)備技術(shù)參數(shù)Table1 Technical parameters of vacuum thermal test equipment

由于空間環(huán)模設(shè)備中的溫度低于100 K，接近液氮溫度，為了保證在這種低溫環(huán)境中，系統(tǒng)傳感光纖能夠正常傳輸光強(qiáng)信號(hào)，并能夠準(zhǔn)確測(cè)量出溫度信息，需要選用耐低溫、傳輸信號(hào)強(qiáng)的傳感光纖。鐵氟龍（聚四氟乙烯）材料長(zhǎng)期工作溫度下限可以達(dá)到77 K，高溫可達(dá)533 K。另外多模光纖內(nèi)的散射光信號(hào)強(qiáng)度比單模光纖強(qiáng)很多，其抗彎曲性能也比單模光纖好。因此可選用鐵氟龍保護(hù)材料的多模傳感光纖進(jìn)行試驗(yàn)。

試驗(yàn)中，將系統(tǒng)的傳感光纖敷設(shè)在KM3空間環(huán)模設(shè)備的熱沉表面，使用3M膠帶對(duì)其進(jìn)行粘貼固定，并保證傳感光纖不出現(xiàn)過(guò)小的彎曲半徑?？臻g環(huán)模設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 空間環(huán)模設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic diagram of vacuum cryogenic tank

在圖3中，罐外傳感光纖與穿罐光纖熔接并通過(guò)穿罐法蘭進(jìn)入罐內(nèi)，再與罐內(nèi)傳感光纖進(jìn)行熔接，由于熔接點(diǎn)相當(dāng)于光纖上的損傷，在低溫下會(huì)增加光的損耗，因此把熔接點(diǎn)放置在外壁與內(nèi)壁熱沉之間的的保溫夾層內(nèi)。穿罐光纖為帶鎧甲和橡膠保護(hù)層的光纖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)使用的穿罐光纖圖Fig.4 Tank optic fiber in system

罐內(nèi)傳感光纖從罐內(nèi)左側(cè)開(kāi)始分布粘貼在熱沉表面，然后從導(dǎo)軌下方熱沉與罐體外壁中間的夾層中引到罐體右側(cè)的熱沉表面再進(jìn)行分布粘貼。傳感光纖在熱沉表面的分布粘貼如圖5（a）、（b）所示。在熱沉重點(diǎn)監(jiān)測(cè)位置處，傳感光纖繞成光纖環(huán)進(jìn)行重點(diǎn)監(jiān)測(cè)，其他區(qū)域呈“Z”字形分布。

圖5 傳感光纖在罐內(nèi)熱沉表面的分布圖Fig.5 Distribution of sensing optical fiber on heat sink surface in tank

試驗(yàn)過(guò)程中，熱沉內(nèi)加注液氮降溫，同時(shí)罐內(nèi)的紅外加熱源工作，使罐內(nèi)產(chǎn)生溫度梯度，用分布式傳感系統(tǒng)檢測(cè)罐內(nèi)熱沉溫度場(chǎng)分布情況，驗(yàn)證分布式傳感系統(tǒng)的測(cè)溫效果。

4 試驗(yàn)結(jié)果

圖6為熱沉溫度穩(wěn)定時(shí)，光纖拉曼測(cè)溫系統(tǒng)給出的溫度-位置曲線圖。傳感光纖共長(zhǎng)282 m，每段光纖的作用及分布如表2所列。由于光電探測(cè)器的采樣率和響應(yīng)時(shí)間限制，短距離內(nèi)無(wú)法區(qū)分Stokes和Anti-Stokes散射光。因此，預(yù)留無(wú)法正常測(cè)溫的前80 m，視為盲區(qū)。由于穿罐法蘭直接跨過(guò)真空罐內(nèi)外壁間的夾層，所以帶鎧裝和橡膠保護(hù)的一段光纖首先接觸到熱沉，然后再把后面的熔接點(diǎn)和備用光纖環(huán)0折回放入夾層內(nèi)。

圖6 熱沉溫度穩(wěn)定時(shí)系統(tǒng)溫度-位置曲線Fig.6 System Temperature-position curve at the stable heat sink temperature

表2 光纖與真空罐的相對(duì)位置分布Table2 Relative position distribution of optical fiber and vacuum tank

計(jì)算系統(tǒng)測(cè)量的真空低溫時(shí)的溫度分辨率，系統(tǒng)傳感光纖200 m位置處在低溫穩(wěn)定時(shí)測(cè)得的一組溫度數(shù)據(jù)如表3所列。

表3 系統(tǒng)測(cè)得的溫度值Table3 Temperature results measured by the system

計(jì)算溫度值的標(biāo)準(zhǔn)差為：σ=0.193 2，系統(tǒng)的溫度分辨率為：3σ=273.58 K。圖7為溫度-位置曲線的局部放大圖。根據(jù)系統(tǒng)空間分辨率的定義，溫度從263 K降到113 K，所需的距離為1.5 m（165.5 m至167.0 m），即系統(tǒng)的空間分辨率為1.5 m，在時(shí)間分辨率和單通道測(cè)量距離要求不高的情況下，系統(tǒng)的空間分辨率可進(jìn)一步提高。

圖7 溫度-位置曲線局部放大圖Fig.7 Partial enlargement of temperature-position curve

5 結(jié)論

基于光纖拉曼測(cè)溫原理，將光纖拉曼測(cè)溫系統(tǒng)應(yīng)用到空間環(huán)模設(shè)備中熱沉溫度場(chǎng)的分布監(jiān)測(cè)，驗(yàn)證了該系統(tǒng)測(cè)量低溫下的環(huán)境溫度的可行性。與傳統(tǒng)的點(diǎn)式測(cè)溫相比，該線式測(cè)溫技術(shù)更適用于特殊環(huán)境溫度場(chǎng)分布監(jiān)測(cè)，并可長(zhǎng)時(shí)間在線監(jiān)測(cè)?？梢赃M(jìn)行組網(wǎng)測(cè)量，溫度監(jiān)測(cè)的實(shí)時(shí)性取決于組網(wǎng)傳感器的數(shù)量、光開(kāi)關(guān)的切換速度和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)的處理速度。后續(xù)可以通過(guò)減小激光光源帶寬、提高光電轉(zhuǎn)換和A/D轉(zhuǎn)換速度，實(shí)現(xiàn)空間分辨率的進(jìn)一步提高。