分布式光纖傳感技術(shù)

分布式光纖傳感

技術(shù)與應(yīng)用1內(nèi)容概要光纖傳感技術(shù)簡介光纖傳感器的分類光纖傳感技術(shù)的進(jìn)展分布式光纖傳感技術(shù)相位調(diào)制型分布式傳感器散射型分布式傳感器分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用2一光纖傳感技術(shù)簡介光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光纖作為傳遞敏感信息的媒質(zhì)。同時具有光纖及光學(xué)測量的特點(diǎn)：①電絕緣性能好。②抗電磁干擾力量強(qiáng)。③非侵入性。④高靈敏度。⑤簡潔實現(xiàn)對被測信號的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動、溫度、電流、電壓、磁場等物理量3二光纖傳感器的分類依據(jù)光纖在傳感器中的作用可分為功能型、非功能型和拾光型三大類依據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式可分為：強(qiáng)度調(diào)制型、相位調(diào)制型、偏振調(diào)制型、頻率調(diào)制型四大類依據(jù)光是否發(fā)生干預(yù)可分為干預(yù)型和非干預(yù)型依據(jù)是否能夠隨距離的增加連續(xù)地監(jiān)測被測量可分為分布式和點(diǎn)式41.依據(jù)光纖在傳感器中的作用分類功能型〔全光纖型〕光纖傳感器利用對外界信息具有敏感力量和檢測力量的光纖(或特殊光纖)作傳感元件，將“傳”和“感”合為一體。非功能型〔或稱傳光型〕光纖傳感器光纖僅起導(dǎo)光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“感覺”功能依靠其他物理性質(zhì)的功能元件完成。拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射式光纖溫度傳感器等。信號處理光受信器光發(fā)送器光纖耦合器被測對象52.依據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式分類光纖傳感是對光波的參量進(jìn)展調(diào)制→可調(diào)制參量：強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器是一種利用被測對象的變化引起敏感元件的折射率、吸取或反射等參數(shù)的變化，而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實現(xiàn)敏感測量的傳感器。相位調(diào)制傳感器其根本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，進(jìn)而使兩束單色光所產(chǎn)生的干預(yù)效果發(fā)生變化，通過檢測干預(yù)效果的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。6依據(jù)光受被測對象的調(diào)制形式分類頻率調(diào)制光纖傳感器是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進(jìn)展監(jiān)測的傳感器。偏振調(diào)制光纖傳感器是一種利用光偏振態(tài)變化來傳遞被測對象信息的傳感器。7傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測量光纖分類干涉型相位調(diào)制型彈光效應(yīng)Sagnac效應(yīng)電、磁致伸縮振動、壓力、加速度、位移角速度電場、電壓、電流、磁場SM、PMSM、PMSM、PMaaa非

干

涉

型強(qiáng)度調(diào)制型遮光板遮斷光路光纖微彎損耗氣體分子吸收位移振動、壓力、加速度、位移氣體濃度MMSMMMbbb偏振調(diào)制型法拉第效應(yīng)泡克爾斯效應(yīng)雙折射變化電流、磁場電場、電壓、溫度SMMMSMb,abb頻率調(diào)制型多普勒效應(yīng)拉曼散射布里淵散射速度、流速、振動、加速度溫度溫度、應(yīng)力MMMMMMcaa光纖傳感器的分類注：MM多模；SM單模；PM偏振保持；a,b,c：功能型、非功能型、拾光型8三光纖傳感技術(shù)的進(jìn)展1.進(jìn)入有用化階段，逐步形成傳感領(lǐng)域的一個新的分支。不少光纖傳感器以其特有的優(yōu)點(diǎn)，替代或更新了傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)，如光纖陀螺、光纖水聽器等；消失一些應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的新型測試系統(tǒng)，如分布式光纖測溫系統(tǒng)、以光纖光柵為主的光纖智能構(gòu)造；改造了傳統(tǒng)的測試系統(tǒng)，如利用電/光轉(zhuǎn)換和光/電轉(zhuǎn)換技術(shù)以及光纖傳輸技術(shù)，把傳統(tǒng)的電子式測量儀表改造成安全牢靠的先進(jìn)光纖式儀表等。很多特殊場合－核工業(yè)、化工和石油鉆探中也都應(yīng)用了光纖傳感系統(tǒng)。依據(jù)市場調(diào)查分析公司BusinessCommunicationsCompany公布的關(guān)于光纖傳感器的市場報告，從2023年到2023年，全球光纖傳感器〔FOS〕的整體市場將保持適度增長態(tài)勢，估計平均年復(fù)合增長率為4.1%，至2023年，全球產(chǎn)值將達(dá)為3.72億美元。9光纖傳感技術(shù)的進(jìn)展2.新的傳感技術(shù)不斷消失，促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的進(jìn)展。例如，光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的消失，促進(jìn)了智能材料和智能構(gòu)造的進(jìn)展；光子晶體光纖用于傳感的可能性促進(jìn)了光子晶體的進(jìn)展等。智能材料是指將敏感元件嵌入被測構(gòu)件機(jī)體和材料中，從而在構(gòu)件或材料常規(guī)工作的同時實現(xiàn)對其安全運(yùn)轉(zhuǎn)、故障等的實時監(jiān)控。其中，光纖和電導(dǎo)線與多種材料的有效結(jié)合是關(guān)鍵問題之一。10光纖傳感技術(shù)的進(jìn)展智能背心這是一件嵌入了光纖和電導(dǎo)線的背心，能夠感知環(huán)境溫度及化學(xué)成分的變化，用于醫(yī)學(xué)和軍事應(yīng)用。11埋入了六根光纖的紡織品光纖傳感技術(shù)的進(jìn)展3原理性爭論仍處于重要位置由于很多光纖傳感器的開發(fā)是以取代當(dāng)前已被廣泛承受的傳統(tǒng)機(jī)電傳感系統(tǒng)為目的，所以盡管光纖傳感器具有諸多優(yōu)勢，其市場滲透所面臨的困難和挑戰(zhàn)仍很巨大。而那些具有前所未有全新功能的光纖傳感器則在競爭中占有明顯優(yōu)勢。4相關(guān)的應(yīng)用開發(fā)也還任重道遠(yuǎn)在很多領(lǐng)域，光纖傳感技術(shù)尚未實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，很多關(guān)鍵技術(shù)仍舊停留在試驗室樣機(jī)階段，距商業(yè)化還有肯定的距離。12四分布式光纖傳感技術(shù)利用光波在光纖中傳輸?shù)奶匦裕裳毓饫w長度方向連續(xù)的傳感被測量〔如溫度、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變等〕光纖既是傳感介質(zhì)，又是被測量的傳輸介質(zhì)。優(yōu)點(diǎn)：可在很大的空間范圍內(nèi)連續(xù)的進(jìn)展傳感，是其突出優(yōu)點(diǎn)。傳感和傳光為同一根光纖，傳感局部構(gòu)造簡潔，使用便利。與點(diǎn)式傳感器相比，單位長度內(nèi)信息獵取本錢大大降低，性價比高。13分布式光纖傳感器的特征參量空間區(qū)分率指分布式光纖傳感器對沿光纖長度分布的被測量進(jìn)展測量時所能區(qū)分的最小空間距離。時間區(qū)分率指分布式光纖傳感器對被測量監(jiān)測時，到達(dá)被測量的區(qū)分率所需的時間。被測量區(qū)分率指分布式光纖傳感器對被測量能正確測量的程度。以上三個區(qū)分率之間有相互制約的關(guān)系。14典型的分布式光纖傳感器4-1相位調(diào)制型傳感器Mach-Zehnder干預(yù)式傳感器Sagnac干預(yù)式傳感器4-2散射型傳感器布里淵散射型光纖傳感器拉曼散射型光纖傳感器15相位調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制當(dāng)光纖受到機(jī)械應(yīng)力作用時，光纖的長度、芯徑、纖芯折射率都將發(fā)生變化，這些變化將導(dǎo)致光波的相位變化.是光在光纖中的傳播常數(shù)由于相位變化很難直接檢測，所以實際中通常使光發(fā)生干預(yù)，將相位的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)的變化進(jìn)展檢測，之后再解調(diào)獲得相位變化光的干預(yù)光的干預(yù)條件：

相干光源S1、S2發(fā)出的光波在空間P點(diǎn)相遇，兩列波在P點(diǎn)的干預(yù)本質(zhì)上是兩個同方向、同頻率的電磁簡諧振動的疊加。相干條件：①頻率一樣②振動方向一樣③相位差恒定(1)M-Z干預(yù)型光纖傳感器用作分布式振動傳感隨機(jī)干擾干預(yù)臂相位的隨機(jī)變化干預(yù)儀輸出功率的隨機(jī)變化以M-Z干預(yù)儀作為周界監(jiān)控系統(tǒng)時，入侵大事消失將導(dǎo)致接收信號功率的變化18M-Z干預(yù)型光纖傳感器的信號處理信號處理的目標(biāo)——1).對干擾大事進(jìn)展定性通過解調(diào)獲得干擾臂的相位變化，進(jìn)而依據(jù)相位變化狀況分析干擾產(chǎn)生緣由。19利用3*3耦合器解調(diào)原理圖M-Z干預(yù)型光纖傳感器的信號處理通過順時針和逆時針傳輸?shù)南辔皇芨蓴_光信號到達(dá)A點(diǎn)和B點(diǎn)的時延差可計算出產(chǎn)生干擾的位置。A點(diǎn)和B點(diǎn)分別對應(yīng)M-Z干預(yù)儀兩個耦合器的位置。P點(diǎn)是干擾發(fā)生的位置使用時使干預(yù)儀兩臂中同時存在順時針和逆時針傳輸?shù)墓?0信號處理的目標(biāo)——2).對干擾大事進(jìn)展定位〔適用于周界監(jiān)控及管道監(jiān)控等應(yīng)用〕耦合器C2和C3構(gòu)成M-Z干預(yù)儀在計算機(jī)中對PD1和PD2接收到的光信號進(jìn)展相互關(guān)計算，就可以獲得干擾消失的時延差，繼而實現(xiàn)干擾定位利用M-Z干預(yù)儀進(jìn)展分布式傳感的系統(tǒng)構(gòu)造圖21(2)光纖SAGNAC干預(yù)型分布式傳感器激光器發(fā)出的光經(jīng)耦合器分為兩束分別耦合進(jìn)由同一光纖構(gòu)成的光纖環(huán)中，沿相反方向傳輸，并于耦合器處再次發(fā)生干預(yù)。當(dāng)傳感光纖沒有受到干擾時，干預(yù)現(xiàn)象趨于穩(wěn)定；受到外界干擾時，正反向兩光束會產(chǎn)生不同的相移，并于耦合器處發(fā)生干預(yù)，干預(yù)信號的光強(qiáng)與干擾發(fā)生位置具有肯定關(guān)系。R1R2

Sagnac干預(yù)儀的另一個典型應(yīng)用是光纖陀螺，即當(dāng)環(huán)形光路有轉(zhuǎn)動時，順逆時針的光會有非互易性的光程差，可用于轉(zhuǎn)動傳感22光纖SAGNAC干預(yù)型分布式傳感器定位原理當(dāng)干擾源信號是正弦信號〔或形如正弦信號〕時，接收信號的功率幅值為零點(diǎn)頻率發(fā)生在

干擾源位置R1與第N個零頻之間的關(guān)系為通過分析接收光信號的零頻點(diǎn)位置即可獲得干擾源的位置〔上〕有干擾時間強(qiáng)信號的理論計算值〔下〕試驗值234-2散射型光纖傳感器利用背向瑞利散射——OTDR利用布里淵散射——B-OTDR、B-OTDA利用拉曼散射——R-OTDR24(1)光纖中的背向散射光分析布里淵散射和拉曼散射在散射前后有頻移，是非彈性散射斯托克斯光反斯托克斯光25〔2〕光時域反射(OTDR)技術(shù)光時域反射(OTDR：OpitcalTime-DomainReflectometry)技術(shù)最初被用于檢驗光纖線路的損耗特性以及故障分析。當(dāng)光脈沖在光纖中傳輸?shù)臅r候，由于光纖本身的性質(zhì)、連接器、接頭、彎曲或其他類似大事而產(chǎn)生散射、反射，其中背向瑞利散射光和菲涅爾反射光將返回輸入端〔主要是瑞利散射光，瑞利散射是光波在光纖中傳輸時由于光纖纖芯折射率在微觀上的起伏而引起的線性散射，是光纖的固有特性〕。光時域反射計將通過對返回光功率與返回時間的關(guān)系獲得光纖線路沿線的損耗狀況。26光時域反射(OTDR)技術(shù)散射型分布式傳感技術(shù)對被測量的空間定位多基于光時域反射技術(shù)，即向光纖中注入一個脈沖，通過反射信號和入射脈沖之間的時間差來確定空間位置。d為大事點(diǎn)距離系統(tǒng)終端的距離，c為真空光速，n為光纖有效折射率脈沖的重復(fù)頻率打算了可監(jiān)測的光纖長度，而脈沖的寬度打算了空間定位精度〔10ns寬度對應(yīng)空間區(qū)分率1m〕。27利用OTDR技術(shù)測量光纖沿線背向反射光功率的結(jié)果29(3)BOTDR——光時域布里淵散射光纖傳感器布里淵散射產(chǎn)生氣理是入射光與聲波或傳播的壓力波相互作用的結(jié)果，這個傳播的壓力波等效于一個以肯定速度移動的密度光柵。因此布里淵散射可以看成是入射光在移動光柵上的散射。多普勒效應(yīng)使散射光頻率不同于入射光。BOTDR——布里淵散射量子光學(xué)描述：入射光波〔泵浦〕與介質(zhì)內(nèi)彈性聲波場作用中，一泵浦光子湮滅產(chǎn)生一聲學(xué)聲子和散射(Stokes)光子。散射光與泵浦波的傳播方向相反，與入射波的頻移〔在1.55mm處〕約為：fB=11.1GHZ。分為自公布里淵散射和受激布里淵散射兩種30BOTDR——傳感原理布里淵散射斯托克斯光相對于入射光的頻移為：介質(zhì)折射率入射光頻率介質(zhì)中聲速介質(zhì)的楊氏模量介質(zhì)密度泊松比溫度應(yīng)力熱光效應(yīng)彈光效應(yīng)折射率變化聲速變化調(diào)制介質(zhì)的E、k、密度布里淵頻移變化31BOTDR——傳感原理布里淵散射光頻移會隨著溫度和光纖應(yīng)變的上升而線性增加：

fB=fB0+fTT(℃)+fεε(με)布里淵散射光功率會隨溫度的上升而線性增加,隨應(yīng)變增加而線性下降：

PB=PB0+PTT(℃)+Pεε(με)通過測量布里淵散射光頻移和光功率，就可以求得被測量點(diǎn)的溫度和應(yīng)力的大小。通過測量布里淵散射光頻移和光功率，就可以求得被測量點(diǎn)的溫度和應(yīng)力的大小。32BOTDR——布里淵頻移系數(shù)對于溫度的布里淵頻移系數(shù)是1.22M/度〔@1310nm〕，1M/度〔@1550nm〕對于應(yīng)力的布里淵頻移系數(shù)是581M/%〔@1310nm〕，493M/%〔@1550nm〕溫度的影響較小。33BOTDR與BOTDA(BRILLOUINOPTICALTIMEDOMAINANALYSIS)BOTDR系統(tǒng)從一端輸入泵浦脈沖，在同一端檢測返回信號的中心波長和功率。使用便利，但自公布里淵散射信號很微弱，檢測困難。在BOTDA中，處于光纖兩端的可調(diào)諧激光器分別將一脈沖光〔泵浦光〕與一連續(xù)光〔探測光〕注入傳感光纖。利用受激布里淵散射效應(yīng)，散射光強(qiáng)度更強(qiáng)34BOTDR——定位原理對肯定頻譜范圍連續(xù)不斷的進(jìn)展循環(huán)掃描，獲得各個時間段上的光譜，并將時間與位置相對應(yīng)，即可獲得沿光纖各位置處的布里淵頻譜圖，并獲得特別的布里淵頻移量和散射光功率。35BOTDR——優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：1.連續(xù)分布式測量溫度和應(yīng)變

2.高溫度和應(yīng)變區(qū)分率

4.高空間區(qū)分率

5.超長傳感范圍(超過80公里)

6.同一根光纖既可用于傳感，也可用于通信缺點(diǎn)：需要激光器的輸出穩(wěn)定、線寬窄，對光源和掌握系統(tǒng)的要求很高；由于自公布里淵散射相當(dāng)微弱〔比瑞利散射約小兩個數(shù)量級〕，檢測比較困難，要求信號處理系統(tǒng)具有較高的信噪比;由于在檢測過程中需進(jìn)展大量的信號加法平均、頻率的掃描等處理,因而實現(xiàn)一次完整的測量需較長的時間,實時性不夠好。36檢測30km光纖沿線的應(yīng)變，空間區(qū)分力可達(dá)1m。應(yīng)變精度:20μe(0.002%)溫度精度:1°C取樣時間:20s至5min(典型值：2min)37〔3〕ROTDR——光時域拉曼散射光纖傳感器拉曼散射產(chǎn)生氣理：在任何分子介質(zhì)中，光通過介質(zhì)時由于入射光與分子運(yùn)動相互作用會引起的頻率發(fā)生變化的散射，此過程為拉曼散射量子力學(xué)描述：分子吸取頻率為V0的光子，放射V0-Vi的光子，同時分子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)〔對應(yīng)斯托克斯光〕；分子吸取頻率為V0的光子，放射V0+Vi的光子，同時分子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)〔反斯托克斯光〕。38ROTDR——傳感原理拉曼散射由分子熱運(yùn)動引起，所以拉曼散射光可以攜帶散射點(diǎn)的溫度信息。反斯托克斯光的幅度猛烈依靠于溫度，而斯托克斯光則不是。則通過測量斯托克斯光與反斯托克斯光的功率比，可以探測到溫度的變化。由于自發(fā)拉曼散射光一般很弱，比自公布里淵散射光還弱10dB，所以必需承受高輸入功率，且需對探測到的后向散射光信號取較長時間內(nèi)的平均值。此方法上世紀(jì)80年月就已被提出，并商用化。39ROTDR——傳感原理基于自發(fā)拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器原理光纖中自發(fā)拉曼散射的反斯托克斯光與溫度嚴(yán)密相關(guān)。常溫下(T=300K)其溫敏系數(shù)為8‰/℃。承受反斯托克斯與斯托克斯比值的分布式光纖溫度測量，其結(jié)果消退了光源波動、光纖彎曲等因素的影響，只與沿光