温度场测量技术的研究与应用

第４ｌ卷　第８期　２０１１年８月　激光与红外　ＬＡＳＥＲ　＆　ＩＮＦＲＡＲＥＤ　Ｖ０ｌ＿４１．Ｎｏ．８　Ａｕｇｕｓｔ，２０１　１　

文章编号：１００１—５０７８（２０１１）０８－０９１６－０４　

实时数字全息测量温度场研究　

周战荣　（第二炮兵工程学院物理教研室，陕西西安７１００２５）　・光电技术与系统・　

摘要：利用数字全息干涉术研究了气流温度场的分布，对实验中所采集的干涉条纹图像进行　

傅里叶变换，数字低通滤波和傅里叶逆变换处理以消除散斑噪声影响，确保了气流场干涉条纹　相位信息的高对比度和低噪声，并对其进行提取和展开；根据理论研究的相位与折射率的关系　求得气流场的温度分布，实验结果与热电测量的结果基本一致，表明了实时数字全息干涉术是　

一种测量温度场的有效方法，具有极好发展和应用前景。　关键词：数字全息；干涉计量；温度场；傅里叶变换　

中图分类号：ＴＮ２４７　文献标识码：Ａ　ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１—５０７８．２０１１．０８．０１９　

Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ｗｉｔｈ　ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　

ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ　

ＺＨＯＵ　Ｚｈａｎ－ｒｏｎｇ　（Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ　ｏｆ　Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｓｅｃｏｎｄ　Ａｒｔｉｌｌｅｒｙ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ　Ｃｏｌｌｅｇｅ，Ｘｉ　ａｎ　７１００２５，Ｃｈｉｎａ）　

Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｇｉｔａｌ　ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ　ｉｓ　ｕｓｅｄ　ｔｏ　ｍｅａｓｕｒｅ　ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｏｆ　ａｉｒｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ．Ａ　ｆａｓｔ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ｆｏｌｌｏｗｅｄ　ｂｙ　ａ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｌｏｗ－－ｐａｓｓ　ｆｉｈｅｒ　ａｎｄ　ａｎ　ｉｎｖｅｒｓｅ　Ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　ａｒｅ　ａｐｐｌｉｅｄ　ｔｏ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ　ｆｒｉｎ—　ｇｅｓ　ｆｏｒ　ｒｅｍｏｖｉｎｇ　ｓｐｅｃｋｌｅ　ｎｏｉｓｅ，ＳＯ　ｔｈａｔ　ａｉｒｆｌｏｗ　ｆｉｅｌｄ　ｐｈａｓｅ　ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ　ｉｓ　ｉｎ　ｈｉ【ｇｈ—ｃｏｎｔｒａｓｔ　ａｎｄ　ｌｏｗ　ｎｏｉｓｅ．Ｐｈａｓｅ　ｉｓ　ｕｎ—　ｗｒａｐｐｅｄ　ｔｏ　ｃａｌｃｕｌａｔｅ　ｐｈａｓｅ　ｄｉｆｆｅｒｅｎｃｅ．Ｔｈｅ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ　ｉｓ　ｏｂｔａｉｎｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅ　ｒｅｌａｔｉｏｎ　ｂｅｔｗｅｅｎ　ｐｈａｓｅ　ａｎｄ　ｒｅ—　ｆｒａｃｔｉｖｅ　ｉｎｄｅｘ．Ｔｈｅ　ｒｅｓｕｈｓ　ａｒｅ　ｃｏｎｓｉｓｔｅｎｔ　ｗｉｔｈ　ｔｈｅ　ｖａｌｕｅｓ　ｍｅａｓｕｒｅｄ　ｂｙ　ｔｈｅｒｍｏｃｏｕｐｌｅ．Ｉｔ　ｉｓ　ｓｈｏｗｎ　ｔｈａｔ　ｔｈｅ　ｄｉｇｉｔａｌ　ｈｏｌｏ—　ｇｒａｐｈｉｃ　ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ　ｉｓ　ａｎ　ｅｆｆｅｃｔｉｖｅ　ｍｅｔｈｏｄ　ｆｏｒ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ　ａｎｄ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ　ｃａｎ　ｂｅ　ｇｒｅａｔ—　ｌｙ　ｉｍｐｒｏｖｅｄ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ：ｄｉｇｉｔａｌ　ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ；ｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｒｙ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｆｉｅｌｄ；Ｆｏｕｒｉｅｒ　ｔｒａｎｓｆｏｒｍ　

２０１３正　Ｓｈａｎｄｏｎｇ　Ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ　Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ　山东工业技术　第１０期　基于拉曼散射的分布式光纤测温系统研究与应用　赵浩１Ｉ２肖恺２李平２黎载红　罗巧梅２　（１．平湖波汇通信科技有限公司，浙江平湖３１４２００；２．上海波汇通信科技有限公司，中国上海２００１２０）　【摘要】基于拉曼散射的分布式光纤测温系统是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场的光纤传感系统，可以对光纤沿线的温　度数据进行实时和定点监控，适合于电力系统、通信系统的温度参量测试以及油罐、海底隧道等不易获得温度数据的场所。综述了基于拉曼散　射的分布式光纤测温系统工作原理及系统功能、架构，并介绍了系统在某省玉贤至七里庙输电线路中探测电缆安装、系统安装和监测情况。监　测结果表明该系统能较好地获得被监控高压电缆的相关温度变化信息　【关键词】分布式光纤测温；拉曼散射；ＯＴＤＲ；温度；电缆　物联网是继计算机、互联网与移动通信网之后的第三次信息技术　革命．将成为下一个万亿级美元以上的产业．传感技术作为物联网中　的物理感知和数据采集层．为物联网提供最基础的物理信息数据．构　成物联网的基础和核心　基于拉曼散射的分布式光纤测温系统作为物　联网感知层设备，可以利用光纤作为温度信号的传导介质．测量沿光　纤走向的连续空间内温度场的分布情况　通过高速采集卡采集携带温　度信息的数据．并将采集到的数据进行同步累积．数字累加和小波变　换的处理．去除噪声的干扰．并通过ＯＴＤＲ解调准确地得出光纤沿线　上任一点被测量在时间和空间上的信息分布。具有抗电磁干扰强、灵　敏度高、耐腐蚀、本征安全、测量距离长、定位精度高、使用寿命长等优　势　１　分布式光纤测温系统工作原理　厂　基于拉曼散射的分布式光纤温度传感器是基于光纤内部的拉曼　散射现象的温度特性，利用光时域反射测量技术（ＯＴＤＲ）．将较高功率　带电光脉冲送人光纤．然后将返回的散射光强随时间的变化探测下　来。分布式光纤温度传感器基于背向散射或者前向散射机理．其中背　向散射具有温度测量的实际意义．若能测量出背向散射光的强度．就　可以计算出反射点的温度．这就是利用光纤测量温度的基本原理［１－２］。　人射光子与介质分子在光纤纤芯介质材料密度的成分起伏和微　观变化等因素的影响下．二者相互作用．入射光中光子与分子由于介　质的非线性效应而发生非线性碰撞　光子与分子之间在非弹性过程中　发生能量交换。光子不仅改变了运动的方向．同时光子的部分能量传　递给分子．或者分子振动和转动的部分能量传递给光子．从而改变了　光子的频率．这就是拉曼散射［Ｚｌ　因为光纤具有一定的长度．且拉曼散射是产生在光纤中的每一个　微观点的．所以如何确定我们探测到的拉曼散射在光纤中发生的位置　就需要用到光时域反射技术　光时域反射技术（ＯＴＤＲ）最初用于评价光学通信系统中光纤、光　连接器等的性能，是用于检验光纤损耗特性、光纤故障的有效手段。同　时也是分布式光纤传感器的基础　。光源发射出一系列的激光脉冲进　入光纤中，它们会在光纤中产生背向散射。在时域中．入射光经后向散　射返回到光纤入射端所需的时间为ｔ．激光脉冲在光纤中所走过的路　程为　，２Ｌ＝　ｔ，　＝Ｃ／ｎ，其中Ｖ为光在光纤中的传播速度、ｃ为真空　中的光速、ｎ为光纤折射率。在测得时刻ｔ时．就可求的距离光源　处　的距离　

3.3 温度场及速度场实验

3.3.1实验环境

本实验在西安交通大学流体机械国家专业PIV实验室完成。

3.3.2实验仪器仪表

本实验所使用的仪器经统计后列成下表：

表 实验器材

仪器仪表名称 型号 精确度 生产厂家 数量 用途

铜-康铜热电偶 —— 0.01℃ 自己焊接 对 测模型内部定点温度

热球式电风速仪 QDF-28 0.1m/s 北京市检测仪器厂 1个 测模型回风口和排风口的风速

UNI—T 数字钳式万用表 UT202 4%+40 优利德电子（上海）有限公司 1个 测量热源发热功率

FLUKE温湿度仪 FLUKE971 温度：±0.5℃（0℃～45℃）

相对湿度：±2.5%（10%～90%） FLUKE公司 1个 测量送回风相对湿度

二级标准温度计 —— 0.1℃ 上海医用仪器厂 1个 标定热电偶

型超级恒温器 501A 上海实验仪器厂有限公司󰀀 1个 标定热电偶

卷尺 —— 0.001m 上海杰义五金工具有限公司 1个 测量模型结构尺寸

数据采集卡及配套软件 ADAM4018 0.001℃ 研华科技 6个 采集热电偶测得的温度值

PIV及配套软件 —— 美国TSI公司 1套 拍摄、处理模型内部速度场

倾斜式微压计 YYT-2000 1.0（Pa） 上海宏宇环保应用研究所 1台 测量管道、静压箱内压力

流量计

3.3.3 实验系统

1.温度场测量系统

⑴ 测温元件

在本实验中，采用T型即铜-康铜热电偶作为测温元件采集模型内部各测点的温度值。T型热电偶是一种最佳的测量低温的廉金属热电偶并且在低温测量中具有很高的准确度。它的两极由铜和康铜组成，其中褐红色电极为正极（铜，100%），银白色电极为负极（铜：55%，镍：45%）。T型热电偶测温范围为-200～+300℃，，并且在此范围内具有线性度好，热电势大、灵敏度高、稳定性好和均匀性好的优点，还具有较好的抗氧化性和抗还原性。

第２４卷第１１期　

２０１０年ｌ１月　电子测量与仪器学报　

ＪＯＵＲＮＡＬ　ＯＦ　ＥＬＥＣＴＲｏＮＩＣ　ＭＥＡＳＵＲＥＭＥＮＴ　ＡＮＤ　ＩＮＳＴＲＵＭＥＮＴ　２４　Ｎｏ　

・１０３ｌ　

Ｄ０Ｉ：１０．３７２４／ＳＰ．Ｊ．１１８７．２Ｏ１０．０ｌＯ３１　

海底热液温度场声学测量系统的初步研究木　

张祝军　潘宏　蔡勇２樊炜　

（１．浙江工业大学机械工程学院，杭州３　１００１４；　

２．杭州电子科技大学机械电子工程研究所，杭州３１００１８　

３．浙江大学，杭州３１００２７）　２　

摘要：研制一套海底热液声学温度场测量系统．在测量平面周围布置多个水声换能器，分别测得每两个换能器之间的声　

波飞渡时间．根据海水中声速与海水温度之间的关系，使用最小二乘重建算法对测量平面内的温度场进行重建，论述了水声换能　

器声中心距离校正，广义互相关时延估计以及总体最小二乘重建算法等关键技术在系统中的应用．进行了水声换能器声中心距　

离校正和声学测温实验，给出结果并进行了误差分析．声学测温实验结果最大绝对误差３．２ｋ，最大相对误差１￣０２％，均方根误差　

０．４４％，温度场形态和实际温度分布基本吻合，验证了测量系统及其关键技术的可行性．　

关键词：声学测量；海底热液；二维温度场；重建精度。　

中图分类号：ＴＢ５２　文献标识码：Ａ　国家标准学科分类代码：５１０．６０　

Ｐｒｅｌｉｍｉｎａｒｙ　ｓｔｕｄｙ　ｏｆ　ａｎ　ａｃｏｕｓｔｉｃ　ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ　ｍｅａｓｕｒｉｎｇ　ｓｙｓｔｅｍ　ｆｏｒ　

ｓｅａｆｌｏｏｒ　ｈｙｄｒｏｔｈｅｒｍａｌ　ｖｅｎｔｓ　

Ｚｈａｎｇ　Ｚｈｕｊｕｎ　Ｐａｎ　Ｈｏｎｇ。Ｃａｉ　Ｙｏｎｇ　Ｆａｎ　Ｗｅｉ　

（１．Ｃｏｌｌｅｇｅ　ｏｆＭｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ　ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３１００１４，Ｃｈｉｎａ；　２．Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ　ｏｆ　Ｍｅｃｈａｔｒｏｎｉｃ　Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　Ｄｉａｎｚｉ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３　１００　１　８，Ｃｈｉｎａ；　３．Ｚｈｅｊｉａｎｇ　Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｈａｎｇｚｈｏｕ　３　１００２７，Ｃｈｉｎａ）