1 引 言

光纤传感器与传统的电磁、声学传感器相比具有高分辨率、高精度、抗电磁干扰等优点,又因光纤自身的特点使其具有大的传输带宽,可实现多参量(温度和应变)指标的同时测量和综合分析；且传感器为光纤和光波导器件经熔接构成的实验装置,光纤熔接工艺简单易行,器件与光纤通信系统中的一些器件兼容,可实现光频信号的激励、传感、传输和接收。

当活性炭投加量为0.04和0.06g时，有NOM存在的溶液中DBP的去除率明显低于没有NOM存在的溶液，表明在低浓度活性炭存在的情况下，NOM分子的存在会大幅度影响活性炭对DBP分子的吸附，但随着活性炭浓度的上升，该影响不是很显著。

光纤温度传感器依据其结构不同一般可分成三类:光纤光栅温度传感器,光纤FP温度传感器,分布式光纤温度传感器。其中光纤光栅与光纤FP温度传感器结构类似，都需对光纤处理形成特殊结构完成温度测量,测温精度优于0.3 ℃[1],成熟产品精度为0.5 ℃[2-3]。

目前，加州代阿布洛峡谷核电厂拥有2台1100 MWe压水堆机组，发电量占加州总发电量的8.7%，占该州无碳排放发电量的16%。但是，该电厂业主太平洋燃气电力公司(PG&E)2016年宣布将分别于2024年和2025年关闭这2台机组。

分布式光纤温度传感器接收解调光纤中的后向散射光完成对温度的测量,光在光纤中传输会产生三种散射:瑞利、布里渊和拉曼散射。其中瑞利散射光特性对温度不敏感只能用于应变测量[4],布里渊光源于激励光与光纤介质声学声子相互作用,拉曼光的产生于激励光与光纤介质光学声子相互作用[5],二者均可以用作温度高灵敏度探测。又由于布里渊光信号强度比拉曼信号强1个数量级[6],使基于布里渊信号检测的温度传感器成为目前学术研究的热点[7-8],成熟的布里渊分布式光纤温度传感器精度可达0.5 ℃[9]。

评价指标包含臭氧浓度、产量、转化率及单位臭氧所需费用。其中，臭氧的产量为臭氧浓度与出气流量的乘积；臭氧转化率为臭氧产量与进气氧气质量之比；单位臭氧所需费用为运行总费用与臭氧产量之比。

2 实验方案

实验装置如图1所示,基本结构分为激励单元,测量单元和接收单元。激励单元由波长为1550 nm的窄线宽种子源激光器和掺铒光纤放大器组成；测量单元为一段单模光纤；接收单元由光电探测器、频谱仪和计算机三部分组成。

  

图1 瑞利与布里渊散射光拍频测量温度系统结构图Fig.1 Block diagram of measurement temperature using Brillouin and Rayleigh scattered light beat frequencies

实验系统的测量过程为种子源激光经EDFA放大,获得足够的激励功率,再经过环形器,直接输入传感光纤中,在光纤中产生出后向散射瑞利与受激布里渊光,它们经环形器3端输出,由宽带光电探测器接收,在频谱仪上显示受激布里渊光与瑞利光的拍频信号,最终将信号传输到电脑上进行数据处理。

大家慢慢对谁是小偷不关心了，但对甲洛洛来说，可不能不上心，他这一辈子，最大的愿望就是像父亲一样赢得大家的敬重，如今倒好，落得过如此不明不白的冤枉，说不清道不明，在这还没学会走路的塔公村里，到底是谁学会了偷呢？

3 工作原理

实验系统的工作机理是将高能量的激光注入到光纤中,基于光纤的非线性效应,激励出受激布里渊光,同时产生瑞利散射光。系统接收受激布里渊与光瑞利散射光的拍频信号,测量拍频的频移量,从中解算出温度变化。布里渊散射光的频率受到外界环境的影响产生频移,而瑞利散射光频率对温度不敏感,所以该拍频信号的中心频率就是布里渊散射光的频率[4]。布里渊频移量vB用下列公式描述[10-11]：

 

 

(1)

式中,n光纤折射率;v0为入射光频率;c为光在真空中传播的速度;u为泊松比;E为杨氏模量;ρ为光纤密度;v0入射频率;ε为光纤应变量;T为光纤温度。

当应变ε=ε0时,布里渊频移量vB随温度T的变化关系如式(2)所示:

 

 

(2)

影响系统测量精度的噪声:激光线宽不稳定噪声,光电接收器热噪声与散粒噪声,光纤内杂质的不均匀分布,瑞利散射光与布里渊散射光偏振态不匹配。

vB(ε0,T)≈vB(ε0,T0)[1+ΔT(ΔnT+ΔuT+

ΔET+ΔρT)]

(3)

ΔvB(ε0,T)≈Cv,TΔT

(4)

从式(4)中可见,微小的温度ΔT变化即可引起布里渊频移量的变化,其中Cv,T的意义是测量系统的刻度因数,其大小决定探测的敏感度,本文称之为布里渊温度频移系数,它取决于光纤测量系统的结构参数。

瑞利散射光与布里渊散射光波函数可写成如式(5)、(6):

Er=E1cos(2πv0t+φ1)

(5)

由公式(8)、(9)可知,激励光线宽与受激布里渊阈值成正比,光纤有效长度与受激布里渊阈值成反比。实验中选取的参数如下:传感光纤长度为7 km,计算得出受激布里渊阈值为7.45 mW。种子源激励激光器波长=1550 nm,线宽Δ=600 Hz,放大后激励单元输出光功率P=22 mW。

(6)

式中，E1,E2为瑞利散射光与布里渊散射光的幅值,φ1,φ2为初始相位。接收器接收的为布里渊光与瑞利散射光的拍频信号,并只能响应直流项与频率较低的差频项。则光电探测器接收到的光强为:

 

(7)

4 实验装置的结构参数的确定

光纤系统中,只有当激励激光的光功率超过受激布里渊阈值Pt时,才能激励出受激布里渊光,受激布里渊阈值Pt与激励激光参数和光纤参数的关系如公式(8)、(9)所示[12]：

 

(8)

 

(9)

式中,Δvp为入射光线宽;Δvb为布里渊散射谱线宽;Aeff为光纤有效截面积;gB为布里渊增益系数;Leff为光纤有效长度。

EB=E2cos(2π(v0-vB)t+φ2)

受激布里渊光频移量与光纤参数及激励激光的光波长的关系如式(10)所示[13]:

 

(10)

式中,分别为瑞利散射光和布里渊散射光线宽值内的所有取值集合为为0～35 MHz),δv0,δvb为其线宽不稳定度,则拍频中心频谱不稳定度为δv0+δvb,取典型值[14-15]代入式(4)可得,系统测量精度δT=2.4×105/(1.1×106)=0.2 ℃。

5 布里渊温度频移系数标定

对于每个温度测量点,当温度恒定后,多次测量温度值,读取频谱仪上每次测量的拍频信号峰值频率的数值,调整温度到每一个测量点,逐一完成一个温度段的测量。其结果由图2所示,在每个温度点上测量结果的区别即为多次测量的时间离散,由环境和器件噪声所影响,因此要使用不同的数据处理方法对频移数据进行处理,确定某温度下的频移值。

  

图2 温度与测量拍频峰值关系图Fig.2 Relationship between temperature and measured peak frequencies

使用频移平均值法,频移中值法和函数拟合法,三种数据处理方式确定某温度下的频移值。

频移平均值法:对某一温度下所有频移量取平均值,将该平均值作为这一温度的频移值。

频移中值法:对某一温度下所有频移量取中值,得到的值作为这一温度的频移值。

函数拟合法:使用频谱仪maxhold模式,经过一段时间,保留了某个温度下的所有拍频最大值图像,并对该图像做函数拟合,将该拟合函数的峰值频率作为该温度下的布里渊频移值。以28.5 ℃为例,如图3所示。

 

  

图3 使用sum of sine8 函数对数据拟合处理Fig.3 Fitting of beat frequencies at certain temperature by using function “sum of sine8”

尝试使用不同函数对拍频图像进行拟合,发现Matlab中sum of sine 8函数拟合效果最好,所以将该函数设定为拟合函数。

2)行内覆盖地布。地布覆盖具有增温、保墒、减少蒸发，改良土壤理化性状、增加土壤有机质含量、提高土壤肥力，防止杂草滋生，减少中耕次数的显著效果，能有效促进果实的生长发育。

为了讨论方便,不妨设|α|=min{|α|,|β|,|γ|,|δ|}。收到Charlie的信息后,Alice 和Bob合作并引进一个处理初始态|0〉C辅助粒子C,再对粒子3、4和粒子C施行一个基于计算基{|000〉,|001〉,|010〉,|011〉,|100〉,|101〉,|110〉,|111〉}34c的酉变换U1如下:

使用三种数据处理方式得到了各温度下确定的频移值,再对频移值做线性拟合。取T0=28.5℃,三种数据处理方法线性拟合结果如图4所示。

  

图4 三种不同方式拟合直线结果Fig.4 Three different methods of linear fitting

从图4中可见,三种方法拟合差别不大。表1中各项直线拟合评价指标可见,频移平均值法线性拟合结果最好。而频移中值法线性拟合最不好,原因应为取中值时受到了频谱仪分辨率的影响,如果采样点没有出现在理论曲线最大值上,取点时会出现偏差,影响拟合效果。第三种,函数拟合法可能由于选择拟合函数并不准确,导致拟合结果存在一定误差。最终,我们选择频移平均值法作为确定系统布里渊温度频移量的方法,其结果1.005×106 Hz/℃与一般实验结果1.1×106 Hz/℃[14]相近,所以将其作为该系统的布里渊温度频移系数。

该温度传感器的测温精确度,使用不确定度表示,根据前文的分析,可以得出该系统的布里渊温度频移方程为:

 

表1 三种不同方式拟合直线的对比Tab.1 Comparison of three different methods of linear fitting

  

频移平均值法频移中值法函数拟合法误差平方和4.425×10124.954×10124.617×1012标准差6.072×1056.425×1056.203×105决定系数0.99860.99840.9986斜率1.005×1061.001×1061.004×106

6 噪声与误差分析

对布里渊频移量在T0处对其进行泰勒展开,考虑到系统的测量精度,二阶以上可视为无穷小量,只保留一次项即可满足系统的误差要求。

激光线宽不稳定直接影响到拍频信号中心频率,而其他噪声则主要影响了拍频信号的幅值。若忽略其他噪声的情况下,考虑瑞利散射光与布里渊散射光线宽和激光线宽不稳定的影响,则根据式(7)拍频信号交流项可写成:

8.2 食品可追溯的特殊要求。食品原料应使用“上海市安全营养食品供应链平台”系统，确保食品原料来源正规，供应商资质齐全、索证索票资料齐全。应规范使用“上海市医院食品安全管理系统”报送食品追溯等食品安全相关信息。

服务于应用型人才培养目标，大学物理课程需要在各个环节进行改革，这项工作一直在进行中，同时也取得了一些成效。应该认识到改革是一个动态的、与时俱进的过程，有利于教学质量提高、有利于学生创新能力提升的方法和措施都是物理课程改革应该尝试的。

 

 

(11)

式中,激励光波长为1550 nm,取单模光纤折射率n=1.45,声波速度Va=5945 m/s,则布里渊光频移为11.12 GHz。瑞利散射光频率与入射光相同,光电接收器接收到的拍频信号频率为布里渊频移量,因此选择光电探测器的带宽必须大于11.12 GHz。

测量系统误差:7 km光纤层数较多,每层都存在温度梯度,如果温箱温度静置时间较短,各层间的温度梯度将不可忽略导致测量不准确。

环境误差:恒温箱中的光纤需与外界相连,不能完全固定,而温箱中存在风扇,在工作时会使的部分光纤抖动,引入应力的影响。

本实验装置是基于布里渊和瑞利散射光拍频的方法来测量温度,相比于分布式光纤传感器无需微波源扫频,也无需像光纤光栅与光纤FP传感器对其做特殊结构处理,基于光纤的非线性效应,在光纤中激励出受激布里渊光,使其与瑞利散射光拍频,测量拍频的频移量,从中解算出温度变化。

在摸清就诊等候时间之后，林茜主任和专责小组又把关注点放在取消等待的问题上。他们获得的基础数据显示：医院平均候药时间是34分钟；并且，从10点半到14点的时段，等候时间最长，大于40分钟。

在过去的一段时间里，数字技术需要利用电子信号完成数据传输。为实现数字技术创新，则需要利用光纤实现信号的传输，从而更好的工业电气自动化中应用数字技术。相较于电子信号，光纤传输具有良好的保密性和抗干扰能力，并且同时也具有传输距离长和频带宽等诸多优点。使用光纤进行电气自动化系统的连接，可以使信号传输效率得到有效提高。而在工业电气自动化生产中，信号传输将对系统正确识别和判断能力产生影响。因此，使用光纤进行系统数字化控制，能够更好的提高数字技术在工业电气自动化中应用的可操作性和可靠性。

vB(ε0,T)=1.005×106Δt+1.083×1010

(12)

令:

互信息是两个变量间相关性的度量，表示两个变量间共有信息量的程度，不同于协方差，互信息可以衡量各种关系的相关性。两个变量X和Y的互信息I（X；Y）如下：

“总之，”老贾试着给第一节的知识点做个小结，“小平钱直径一般是2.4厘米左右；折二钱2.8厘米左右；折三钱3.1厘米左右；折五钱3.5厘米左右；折十钱4.0厘米左右。古代人就是这么根据大小来区分钱币的面值的。”

P1=1.005×106,P2=1.083×1010

则的不确定度u(Δt)可表示为[16]:

4.5 TOFD对于表面及根部缺陷的发现相对困难，但相控阵相对容易发现。在沙特拉比格项目部，对近表面5mm的试块进行比较，TOFD成像相对模糊，相控阵较容易发现，但两者结合可实现焊缝 100%的扫查检测。国外知名厂家的检测仪器可以实现两者检测方法同时检测的功能。

u2(Δt)=u2(vB(ε0,T))+u2(P2)+

 

(13)

经计算最后可求得Δt的测量不确定度(取Ti=31 ℃):

u(Δt)

=0.6597

(14)

将不同温度测量的频移值代入上述计算可得,实际温度与测量的温度不确定度间的关系,如表2和图7所示。

最终系统通过测量频移值解算温度得到的测量结果的合成标准不确定度(取最大值)为0.6746 ℃。

 

表2 各温度测量的不确定度Tab.2 Uncertainty of temperature measurement at different levels

  

实际温度/℃28.53134.236.139.543.748.5测量温度不确定度/℃0.67070.65970.64830.64210.63510.63010.6257实际温度/℃52.556.659.463.267.172.175.1测量温度不确定度/℃0.62530.62770.63260.63970.65140.66840.6746

  

图5 各温度测量的不确定度Fig.5 Uncertainty of temperature measurement at different levels

7 结 论

设计并搭建了一个光纤温度传感实验结构,依据接收到的布里渊散射光与瑞利散射光拍频的频移数据求出待测点温度。文章重点讨论了不同数据处理方法得到布里渊频移值的效果,最终得出取频移平均值的结果最好,得出布里渊温度频移系数值Cv,T=1.005×106 Hz/℃。并分析了影响系统测量精度的噪声与误差,得出只考虑激光线宽不稳定条件下的理论精度为0.2 ℃。实验温度测量精度为0.7 ℃。

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