在電力、交通、化工等眾多領(lǐng)域，溫度監(jiān)測(cè)對(duì)于保障設(shè)備安全、提高生產(chǎn)效率至關(guān)重要。光纖測(cè)溫技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，成為溫度監(jiān)測(cè)領(lǐng)域的重要手段。其中，拉曼散射與布里淵散射作為光纖測(cè)溫的核心技術(shù)，各自蘊(yùn)含著獨(dú)特的測(cè)溫奧秘。

拉曼散射測(cè)溫技術(shù)原理與特性

拉曼散射是一種光的散射現(xiàn)象，當(dāng)光在光纖中傳播時(shí)，會(huì)與光纖材料發(fā)生相互作用，產(chǎn)生拉曼散射光。拉曼散射光由斯托克斯拉曼散射光和反斯托克斯拉曼散射光組成，其中反斯托克斯拉曼散射光對(duì)溫度特別敏感，而斯托克斯拉曼散射光對(duì)溫度反應(yīng)不靈敏。在檢測(cè)系統(tǒng)中，傳輸介質(zhì)和傳感介質(zhì)均為光纖，反斯托克斯拉曼散射光的強(qiáng)度受到光纖所處空間溫度場(chǎng)的調(diào)制。通過信號(hào)處理儀表對(duì)反射回來的拉曼散射光進(jìn)行解調(diào)，就可以反演出傳感現(xiàn)場(chǎng)的溫度信息。與此同時(shí)，光時(shí)域反射技術(shù)被用來對(duì)傳感點(diǎn)進(jìn)行定位。

拉曼散射測(cè)溫技術(shù)具有諸多特性。從測(cè)溫范圍來看，它憑借更大的頻移量，可覆蓋-270℃至+900℃的寬溫區(qū)，能夠滿足不同環(huán)境下的溫度監(jiān)測(cè)需求。在測(cè)溫靈敏度方面，可達(dá)亞攝氏度級(jí)，可以精確地感知溫度的微小變化。不過，該技術(shù)也存在一些局限性。它需要更復(fù)雜的光譜解調(diào)算法來補(bǔ)償非線性誤差，增加了技術(shù)實(shí)現(xiàn)的難度和成本。而且，其硬件成本相對(duì)較高，常配置高功率激光器，如采用785 nm或532 nm波長(zhǎng)，以及分辨率優(yōu)于0.1 cm?1的光譜儀，單套設(shè)備成本通常超過10萬元。

在實(shí)際應(yīng)用中，拉曼散射測(cè)溫技術(shù)表現(xiàn)出了強(qiáng)大的實(shí)力。在核電反應(yīng)堆中，溫度高達(dá)600℃以上，傳統(tǒng)測(cè)溫技術(shù)難以滿足需求，而拉曼散射測(cè)溫技術(shù)憑借其寬溫區(qū)和高靈敏度的優(yōu)勢(shì)，配合光纖探頭可實(shí)現(xiàn)危險(xiǎn)環(huán)境遠(yuǎn)程測(cè)量，為核電設(shè)備的安全運(yùn)行提供了有力保障。在半導(dǎo)體晶圓退火爐等高溫場(chǎng)景中，拉曼散射測(cè)溫技術(shù)同樣發(fā)揮著不可替代的作用，能夠精確監(jiān)測(cè)晶圓退火過程中的溫度變化，確保產(chǎn)品質(zhì)量。

布里淵散射測(cè)溫技術(shù)原理與特性

布里淵散射是光波與聲波在光纖中傳播時(shí)相互作用而產(chǎn)生的光散射過程。散射光的頻率相對(duì)于入射光有一個(gè)頻移，該頻移通常稱為布里淵頻移，布里淵頻移大小與光纖材料聲波波速有直接關(guān)系。當(dāng)與散射光頻率相關(guān)的光纖材料特性受溫度和應(yīng)變的影響時(shí)，布里淵頻移大小將發(fā)生變化。因此，通過測(cè)定脈沖光的背向布里淵散射光的頻移，就可以實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)變測(cè)量。

布里淵散射測(cè)溫技術(shù)具有顯著的優(yōu)勢(shì)。在測(cè)溫精度方面，它具有±0.5℃量級(jí)的高精度，能夠滿足對(duì)溫度測(cè)量精度要求較高的應(yīng)用場(chǎng)景。在分布式光纖傳感領(lǐng)域，它優(yōu)勢(shì)顯著，在30 km傳感距離下可實(shí)現(xiàn)1 m空間分辨率，能夠精確地定位溫度變化的位置。其雙峰擬合算法可同時(shí)提取溫度和應(yīng)變信息，特別適合土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等需要同時(shí)監(jiān)測(cè)溫度和應(yīng)變的場(chǎng)景。然而，布里淵散射測(cè)溫技術(shù)也受到一定的限制，受限于聲學(xué)聲子的熱穩(wěn)定性，其有效測(cè)溫范圍通常在-200℃至+200℃之間，無法滿足一些極端高溫或低溫環(huán)境的測(cè)溫需求。

布里淵散射測(cè)溫技術(shù)在油氣管道泄漏監(jiān)測(cè)、高壓電纜溫度場(chǎng)重構(gòu)等工業(yè)場(chǎng)景中得到了廣泛應(yīng)用。在油氣管道泄漏監(jiān)測(cè)中，它可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)管道沿線的溫度變化，一旦發(fā)現(xiàn)溫度異常，就能夠及時(shí)發(fā)出警報(bào)，幫助工作人員快速定位泄漏位置，避免事故的擴(kuò)大。在高壓電纜溫度場(chǎng)重構(gòu)中，通過布里淵散射測(cè)溫技術(shù)可以獲取電纜全線的溫度分布信息，為電纜的運(yùn)行維護(hù)提供科學(xué)依據(jù)，保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行。

拉曼與布里淵散射技術(shù)的融合應(yīng)用

拉曼散射與布里淵散射技術(shù)各有優(yōu)劣，近年來呈現(xiàn)融合趨勢(shì)。布里淵-拉曼聯(lián)合傳感系統(tǒng)通過雙物理量檢測(cè)，可將溫度測(cè)量不確定度降低至0.1℃，大大提高了溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。在復(fù)合材料界面應(yīng)力分析等交叉學(xué)科領(lǐng)域，這種融合技術(shù)取得了突破。例如，在航空航天領(lǐng)域，復(fù)合材料的使用越來越廣泛，其界面應(yīng)力狀態(tài)對(duì)材料的性能和壽命有著重要影響。布里淵-拉曼聯(lián)合傳感系統(tǒng)可以同時(shí)測(cè)量復(fù)合材料界面的溫度和應(yīng)力，為材料的設(shè)計(jì)和優(yōu)化提供全面的數(shù)據(jù)支持。

光纖測(cè)溫技術(shù)的前景展望

隨著科技的不斷進(jìn)步，光纖測(cè)溫技術(shù)將迎來更廣闊的發(fā)展前景。在技術(shù)發(fā)展方向上，拉曼散射與布里淵散射技術(shù)將不斷優(yōu)化，提高測(cè)溫精度、擴(kuò)大測(cè)溫范圍、降低成本。例如，通過改進(jìn)光譜解調(diào)算法，可以進(jìn)一步提高拉曼散射測(cè)溫技術(shù)的精度和穩(wěn)定性;研發(fā)新型的光纖材料和器件，有望拓寬布里淵散射測(cè)溫技術(shù)的測(cè)溫范圍。

在應(yīng)用領(lǐng)域拓展方面，光纖測(cè)溫技術(shù)將在更多新興領(lǐng)域發(fā)揮作用。在新能源領(lǐng)域，如太陽能光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電等，光纖測(cè)溫技術(shù)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)設(shè)備的溫度變化，提高能源轉(zhuǎn)換效率和設(shè)備可靠性。在智能交通領(lǐng)域，光纖測(cè)溫技術(shù)可以應(yīng)用于橋梁、隧道等基礎(chǔ)設(shè)施的溫度監(jiān)測(cè)，保障交通安全。光纖測(cè)溫技術(shù)憑借其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和不斷發(fā)展的技術(shù)，將在各個(gè)領(lǐng)域發(fā)揮越來越重要的作用，為社會(huì)的安全和發(fā)展做出更大的貢獻(xiàn)。