1、基于拉曼散射的分布式光纤传感系统真空低温热沉环境温度梯度测量李琨华1，李成贵1*，陈娟丽2，毕京红2，宋娜2，武盼2（1.北京航空航天大学，北京100191；2.北京北方车辆集团有限公司，北京100072）摘要：新型分布式光纤温度传感器具备电类温度传感器所不具有的独特优势，扩展了温度测量在真空低温环境中的应用领域。在真空低温热沉环境下使用分布式光纤温度传感器进行温度梯度测量。传统热电偶温度传感器和分布式光纤温度传感器布置在同一双层铝板结构中，铝板以及传感器放置在真空低温热沉环境中。铝板由加热片进行控温，以实现真空低温热沉环境下不同温度梯度的测量。对两类传感器所测铝板的温度数据进行分析，结果表明
2、，基于拉曼散射原理的分布式光纤温度测量系统能够对真空低温热沉环境下的温度梯度实现精确测量，可以满足低温工况下工件的温度测量。关键词：真空低温环境；拉曼散射；分布式光纤温度测量系统；温度梯度测量中图分类号：O514.2；V416文献标志码：A文章编号：1006-7086（2023）02-0171-09DOI：10.3969/j.issn.1006-7086.2023.02.010Temperature Gradient Measurement in Vacuum Cryogenic Heat Sink Environment of DistributedFiber Optic Sensing S
3、ystem Based on Raman ScatteringLI Kunhua1，LI Chenggui1*，CHEN Juanli2，BI Jinghong2，SONG Na2，WU Pan2（1.Beihang University，Beijing100191，China；2.Beijing North Vehicle Group Co.LTD，Beijing100072，China）Abstract：The new distributed optical fiber temperature sensor has unique advantages that electrical tem
4、perature sensor does not have.It greatly expands the application field of temperature measurement in vacuum low temperature environment.The distributed optical fiber temperature sensor is applied to measure the temperature gradient in vacuum under theenvironment of low temperature heat sink.The trad
5、itional thermocouple temperature sensor and the distributed optical fiber temperature sensor are placed in the same double aluminum plate structure.The aluminum plate and sensors are placedin vacuum under the environment of low temperature heat sink.Different temperature gradients in vacuum low temp
6、erature heat sink environment are realized by heating temperature control of aluminum sheet.The temperature data of aluminum plate measured by two kinds of sensors are analyzed.The results shows that the distributed fiber Raman temperaturemeasurement system can accurately measure the temperature gra
7、dient in vacuum low temperature heat sink environmentand meet the temperature measurement of workpieces under low temperature conditions.Key words：vacuum cryogenic environment；Raman scattering；distributed optical fiber temperature measurementsystem；temperature gradient calibration收稿日期：2022-06-23基金项目
8、：国家自然科学基金（62073013）作者简介：李琨华，硕士，主要从事光纤传感研究。E-mail：通信作者：李成贵，博士，教授，主要从事光纤传感研究。E-mail：引文信息：李琨华，李成贵，陈娟丽，等.基于拉曼散射的分布式光纤传感系统真空低温热沉环境温度梯度测量J.真空与低温，2023，29（2）：171-179.LI K H，LI C G，CHEN J L，et al.Temperature gradient measurement in vacuum cryogenic heat sink environment of distributedfiber optic sensing syst
9、em based on Raman scatteringJ.Vacuum and Cryogenics，2023，29（2）：171-179.真空与低温Vacuum and Cryogenics第29卷第2期2023年3月1710引言光纤传感技术自发明至今，备受国内外学者关注，并得到快速发展。分布式光纤传感技术作为光纤传感技术的一个方向，已经得到广泛应用，逐步渗透到电式温度传感器应用领域。分布式光纤测温技术以整条光纤作为敏感单元，将传感光纤铺设在被测环境中或者被测物体表面，实现其温度的分布测量。分布式光纤测温技术具有抗电磁干扰、灵敏度高、质量轻、体积小、测量对象广泛以及对被测物体影响小等优点，
10、广泛应用于长距离运输管道、仓库、发电站的温度监测1以及智慧电网实时监测2等方面。根据分布式光纤测温技术的特点可以总结出：分布式光纤测温技术多应用于长距离温度测量、异常报警和定位。由于光纤的化学性能稳定，国内外学者逐步将分布式光纤测温技术应用于极端环境下，例如：高温环境3-4、极低温环境5。分布式光纤温度传感器能够在模拟空间环境的环模设备中的真空低温环境热沉下正常工作6。因此，本文将分布式光纤测温技术应用于真空低温热沉环境，测量被测物体不同温度阶梯下的温度变化，与传统热电偶温度传感器测量结果进行对比，验证了分布式光纤温度测量系统可在真空低温环境中实现对被测物体的不同温度梯度。与传统热电偶温度传感
11、器相比，分布式光纤温度传感器可以实现分布式测量，即将传感光纤按照系统空间分辨率划分为多个温度传感器串联，利用一条光纤实现多点测量，因此可以将分布式光纤温度测量系统应用于长距离温度异常报警与定位；分布式光纤温度测量系统使用激光作为传感光并且光纤内芯性质稳定，适用于环境恶劣的应用场所；分布式光纤温度测量系统可以使用通信光缆中的多模光纤作为传感光纤，进一步扩展了应用前景。但分布式光纤温度测量系统成本较高且相关性能指标，如测温准确度、响应时间等，与传统电式温度传感器相比仍有一定的差距。1基于拉曼散射的分布式光纤温度测量系统温度测量原理1.1光时域反射原理1977 年，Barnoski 博士发明了光时域
12、反射技术7。该技术可应用于各种光通信网络的测试，包括测试光纤传输系统中的接头损耗、光纤的距离、链路损耗、光纤衰减，并建立事件与空间位置的对应关系。基本原理图如图1所示。图1光时域反射技术原理图Fig.1Optical time domain reflectometry technology schematic图1中，入射光在距离光源L处产生后向散射光，并返回到光纤入射端。假设光源发出激光，在L处产生后向散射光，后向散射光返回到光纤起始端的时间为t。根据路程与时间的关系，光纤某位置L与时间的关系为：L=0.5vt（1）式中：v为光在光纤中的传播速度，v=c/n2108m/s；c为光在真空中的光速
13、，c=3.0108m/s；n为石英光纤有效折射率，n1.5。记录激光发出时刻以及某位置处产生的后向散射光到达光纤入射端的时间，利用式（1）便可求得以光源为起点的定位距离L。1.2拉曼散射的温度效应拉曼散射是入射光波的一个光子与一个声子（光纤声子）进行能量交换。根据能量与频率之间的关系，最终形成两个频率的散射光，分别为斯托克斯（Stokes）散射光和反斯托克斯（Anti-Stokes）散射光7-8。两种散射光具体分布位置如图2所示。图2中横坐标为光的中心频率，纵坐标表示光的强度。将图2 中两种散射光的中心频率进一步表示为：真空与低温第 29 卷第 2 期172vs=v0-v（2）vas=v0+v
14、（3）式中：v0为入射光中心频率；vs及vas分别为Stokes散射光和Anti-Stokes散射光的中心频率；v为拉曼频移，拉曼频移由光纤内的功能性杂质决定，与入射光的中心频率无关9。图2拉曼散射波长图Fig.2Raman scattering wavelength diagram设入射光的光强为I0，中心频率为v0，入射到光纤中，在光纤始端接收到的斯托克斯光和反斯托克斯光的光强分别为Is和Ias：Is(T)=svs4I0exp-()0+sz|1-exp()-hvkT-1（4）Ias(T)=asvas4I0exp-()0+asz|exp()hvkT-1-1（5）式中：z为光纤内散射点离光纤始
15、端的距离；s和as分别代表Stokes光与Anti-stokes光的散射捕捉率；0、s和as分别为入射光、Stokes 散射光和 Anti-Stokes 散射光在光纤中的传输损耗；h为普朗克常量；k为玻尔兹曼常数；T为温度。通过式（4）（5）可以得出 Stokes散射光和 Anti-Stokes散射光的光强都与温度T有关。当环境温度发生改变时，相应的Stokes散射光与Anti-Stokes散射光的光强都会发生改变。1.3温度测量原理由于拉曼散射产生的 Stokes 散射光和 Anti-Stokes散射光对温度敏感，为了避免激光器光功率漂移等因素对测量结果的影响，提高系统的稳定性和可靠性，利用
16、Anti-Stokes散射光与Stokes散射光的光强之比来解调温度。通过比较两者可得：I()T=Ias()T,zIs()T,z=assvas4vs4exp()-hvkTexp-()as-sz（6）式中：Is()T,z与Ias()T,z分别表示距光纤始端z处产生的Stokes散射光和Anti-Stokes散射光返回到光纤始端处的光强值。在光纤始端，需将光强信息，通过光电转换为电压信号，进行后续的处理，因此将式（6）进一步变换得：R()T,z=VasVs=AasIas()TAsIs()TassAasAsvas4vs4exp()-hvkTexp-()as-sz（7）式中：R()T,z为光纤始端处 Stokes 散射光和 Anti-Stokes散射光的光强经光电转换后的电压值比值；Vas和Vs分别为 Anti-Stokes 散射光和 Stokes散射光的光强经光电转换后的电压；Aas和As分别为Anti-Stokes散射光和Stokes散射光的光电转换系数。结合光时域反射技术，便可建立光纤始端距离z处光纤内的Anti-Stokes散射光与Stokes散射光的光强与光电转换后电压值的关系，再通