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使用光纤进行温度测量第3部分变化

2021-08-18 来源:韶关农业机械网

使用光纤进行温度测量,第3部分:变化

在多种感测温度的方法中,与光纤一起使用的先进光学原理的组合提供了截然不同的方法,具有应用优势和实施局限性。

本文的前一部分介绍了两种基于光纤布拉格光栅(FBG)和Mach-Zehnder干涉仪(MZI)的将光纤用于温度感测的方法。正在研究其他复杂的电光技术,其中一些仅在“现场”使用中国机械网okmao.com。其中包括:

其他基于纤维的方法也正在研究中,在某些情况下,在某种程度上用于研究或工业环境。其中:

Fabry-Pérot干涉仪(1897):它使用一对干涉仪,该干涉仪基于两个彼此面对的高反射镜构成一个驻波腔谐振器,镜间距仅为50μm(图1) )。这种微小间距受通过材料的热膨胀测量的温度的影响,因此峰值透射波长可以指示温度。由于探测光和反射光可以通过单根光纤传输,并且该光纤仅用于传输光,而不能用于实际的传感器,因此称为外在光纤传感器(与光纤本身的固有传感器相反)充当传感器)。

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图1:在Fabry-Pérot干涉仪中,入射光束被分成许多单独的光束,这些光束来回反弹并互相干扰,从而产生干涉条纹。图片:Research Gate)

这些微型Fabry-Pérot干涉仪可以用不同的方法来构造,例如通过使用一些机械固定装置在两个光纤末端之间保持气隙,或者使用两个光纤熔接点(两个光纤末端的低损耗连接)来实现。通过在光纤末端涂上介电涂层使之具有反射性。

瑞利散射:由于纤维的微观变化,光在散射中心的散射比波长小得多。这导致光纤折射率的波动,并且这些变化会随温度变化。这是一个非常微弱的影响,因此,它是一个非常不同的现象。

拉曼散射和拉曼光谱法是用于材料分析(包括在密封包装或外壳内部查看)的广泛使用的技术。能量被泵送到被评估的物质中。当组成原子弛豫回到其未通电的静止状态时,该系统查看发出的波长(称为反向散射)。随着温度的变化,该反向散射的能级也发生变化,其特征在于复杂但确定的方程式。

拉曼散射温度传感器系统可以使用很长的纤维,甚至数十公里。系统需要测量泵浦波长正上方和正下方(对应于几十纳米的波长)的波长分量的功率,以确定入射能量与返回能量的功率比。空间分辨率约为1米。温度分辨率约为1 K,非常适合监视石油和天然气管道。

布里渊散射:这是一种非线性散射现象,它利用折射率和声速的温度依赖性,共同决定声子的布里渊频移幅度。[声子不是光子:光子是能量的一种形式,但是声子是在晶格结构中发生的振荡的一种模式。光子可以看作是波和粒子,它们是物理上可观察到的实体。声子是一种振动模式,既不是波也不是粒子。]

在受激布里渊散射和布里渊光学时延分析(BOTDA)中,皮秒光脉冲被注入到光纤中。另一个弱连续波探测光束也被注入,但方向与皮秒脉冲相反。然后在脉冲和探测光束之间的光频差与局部布里渊位移一致的位置处放大探测光束,该局部布里渊位移是光纤应变和温度的函数。使用可变的光频差,可以创建布里渊频率以及温度与位置的关系图。

如果瑞利散射,拉曼散射和布里渊散射看起来很深奥-好吧,它们确实如此。概括地说:没有任何缺陷或异常特征的,由光纤段反向散射的光可以在光谱上分解为与三个现象相对应的三个不同的峰(图2):

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图2:在拉曼散射中,入射的激光能量被目标分子散射。大多数散射光子具有与入射光相同的频率,但是由于光的振动与分子振动之间的相互作用,一部分光具有较高或较低的频率(因此也具有能量)。图片:纳米光子)

瑞利散射:在纤芯中传播的电磁波与散射中心,二氧化硅杂质和增强添加剂相互作用。

拉曼散射:拉曼效应是二氧化硅分子的光与热振动之间的相互作用,并且高度依赖于光谱级的温度。

布里渊散射:布里渊效应源自光子-声子的声子相互作用。与入射光相比,它产生的光频移约为10 GHz。

如果发出的光子具有比吸收的光子更多的能量,则该能量差称为反斯托克斯位移;反之,则称为反斯托克斯位移。当发射的光子的能量小于吸收的光子的能量时,这种能量差称为斯托克斯位移。

图3:瑞利,拉曼和布里渊散射是光学和能量机制截然不同的结果。每个都可以用来感测温度和其他物理现象(图片:Febus Optics)

基于光纤的温度感应的优缺点

与任何技术资源一样,光纤温度感测具有优缺点。从广义上讲,在“加”方面:

它对附近的EM(电磁)甚至核辐射具有高度的免疫力。

由于它在传感端是非电子的,因此可以用于需要考虑本质安全的地方。

纤维本身是轻量的,柔性的和紧凑的。

光纤坚固耐用,可以承受温度和恶劣的环境,例如深钻孔井眼。

光纤传感器的位置可以与电子设备保持一定距离。

这些方法中的一些可使用标准的商用光纤传感器

但是,也有缺点:

这些是复杂的高级方法,因此很难将技术与应用程序相匹配。

该系统需要激光器作为光源和先进的光学测量仪器,例如光谱分析仪。

使用光纤传感器开发测量系统可能很复杂,并且需要高级用户培训。

基本的物理原理也很复杂,复杂,并且公认难以理解。这可能会导致实施困难,故障排除问题以及对测量结果缺乏信心。

评估系统级别的准确性可能是一个挑战。

尽管光纤并不昂贵,但是带有激光器和频谱分析仪的整个系统可能很大且很昂贵。

使光纤超出温度感应范围

尽管本文重点介绍了用于温度感测的光纤,但它们的使用不仅限于公认的重要物理参数。它们已经在实际环境中用于检测和测量大型结构中的微弯曲,包括使用布里渊散射作为分布式应变传感器(图4)。

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图4:脉冲布里渊散射用于检测沿长光纤的应变的位置和大小。图片:Febus Optics)

作为另一个示例,还有许多研究项目和高度先进的项目,研究这些纤维和集成电光学以及其他光子组件的使用,以感测包括微尺度和总尺度磁场在内的其他物理特性。