光纖傳感器的原理課件

光纖傳感器的原理光纖傳感技術(shù)是用光纖對某些物理量的敏感特性,將外界物理量轉(zhuǎn)換成可以直接測量的信號技術(shù)。由于光纖不僅作為光波的傳播媒質(zhì);而且光纖中傳播光波時,光波的特征參量(振幅、相位、偏振態(tài)、波長等)會因外界因素(溫度、壓力、應(yīng)變、磁場、電場、位移、轉(zhuǎn)動等)間接或直接地發(fā)生變化,從而可將光纖用作傳感元件探測物理量,其原理如下圖。光纖傳感器的分類光纖傳感器按工作方式可分點(diǎn)式、準(zhǔn)分布式和分布式三類。根據(jù)光纖在傳感器中的作用，光纖傳感器可分為功能型、非功能型、拾光型三類。傳感技術(shù)的發(fā)展經(jīng)歷了三個階段，即結(jié)構(gòu)型傳感器、物性型傳感器和智能型傳感器。按光在光纖中被調(diào)制的原理不同，光纖傳感器可分為：強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)、頻率和波長調(diào)制型等。迄今為止，光纖傳感器能夠測定的物理量已達(dá)七十多種。準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)一般包括光纖傳感器陣列和多個復(fù)用光纖傳感器等

下圖為典型的串聯(lián)式準(zhǔn)分布式光纖傳感系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)分布式光纖傳感技術(shù)中，光纖既是傳輸介質(zhì)又是傳感元件，如下圖準(zhǔn)分布式系統(tǒng)測量精度高、可測量參數(shù)多、信號處理較簡單、實(shí)時性強(qiáng)；而分布式系統(tǒng)空間分辨率高、能夠?qū)崿F(xiàn)空間上連續(xù)檢測、系統(tǒng)利用率高。功能型光纖傳感器光纖不僅作為導(dǎo)光媒質(zhì)也是敏感元件,光在光纖內(nèi)受被測量調(diào)制;它的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊、靈敏度高,但它須用特殊光纖和先進(jìn)的檢測技術(shù),因此成本高。典型例子,如光纖陀螺等。拾光型光纖傳感器采用光纖作為探頭,接收由被測對象輻射的光或被其反射、散射的光。典型例子,如光纖激光多普勒速度計(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等。分布式光纖傳感器分布式光纖傳感器是將傳感光纖沿場分布，并采用獨(dú)特的探測技術(shù)，去感知光纖傳輸路徑上待測場(如溫度、壓力)的空間分布和隨時間變化的信息。分布式光纖傳感技術(shù)是應(yīng)用光纖幾何上的一維特性進(jìn)行測量的技術(shù)，它把被測量作為光纖位置長度的函數(shù)，可以在整個光纖長度上對沿光纖幾何路徑分布的外部物理參量進(jìn)行連續(xù)的測量。分布式光纖傳感技術(shù)具有同時獲取在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時間和空間變化的被測量分布信息的能力。分布式光纖傳感技術(shù)是基于光纖工程中廣泛應(yīng)用的光時域反射(OTDR)技術(shù)發(fā)展起來的一種新型傳感技術(shù)，由于它具有其它傳感技術(shù)所無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，因此成為目前傳感技術(shù)研究領(lǐng)域的熱點(diǎn)。并主要在以下四個方面發(fā)展突破：(1)基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)(2)基于拉曼散射的分布式光纖傳感技術(shù)(3)基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)(4)基于前向傳輸模耦合的分布式光纖傳感技術(shù)研究發(fā)現(xiàn)，當(dāng)激發(fā)光進(jìn)入光纖中，會產(chǎn)生相關(guān)的光散射。光纖中的光散射主要包括瑞利散射(RayleighScattering)，喇曼散射(RamanScattering)和布里淵散射(BrillouinScattering)三種類型的光散射。當(dāng)外界環(huán)境發(fā)生變化時，這些散射光的中心頻率或散射強(qiáng)度會隨外界相應(yīng)的參數(shù)發(fā)生改變，通過對散射光的檢測可以實(shí)現(xiàn)對外界環(huán)境相關(guān)參數(shù)的測量。由于信號光在光纖中任意處都會產(chǎn)生散射，所以光纖的任意一段都可以看作是傳感單元，通過對散射光的連續(xù)測量，從而實(shí)現(xiàn)正真意義上的分布式傳感。1基于后向瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)由于光纖中存在成分和密度的不均勻，使得折射率的微觀呈現(xiàn)不均勻性，當(dāng)激光脈沖在光纖中傳輸時會產(chǎn)生瑞利(Rayleigh)散射。利用光時域反射計(jì)(OTDR)技術(shù)，在入射端就可測到光纖中的后向瑞利散射光強(qiáng)度隨時間變化，由此產(chǎn)生了基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)。該技術(shù)的發(fā)展初期，主要是通過記錄沿傳感光纖后向瑞利散射光的強(qiáng)度，用于檢查光纖的衰減和連續(xù)性，確定光纖各處的損耗，光纖故障點(diǎn)、斷點(diǎn)的位置。2基于喇曼散射的分布式光纖傳感技術(shù)激光注入傳感光纖后，光子和光纖中熱運(yùn)動的分子發(fā)生非彈性碰撞，產(chǎn)生自發(fā)喇曼(Raman)散射光。Raman散射產(chǎn)生了頻率下移的Stokes喇曼散射光和頻率上移的反Stokes喇曼散射光。其中反斯托克斯光強(qiáng)度隨溫度變化顯著,在入射端測到的反斯托克斯光強(qiáng)度隨時間變化反應(yīng)了沿傳感光纖上溫度的調(diào)制信息。由此產(chǎn)生了溫度分布式光纖傳感技術(shù)。3基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)在布里淵散射中，散射光的頻率相對于泵浦光有一個頻移，該頻移通常稱為布里淵頻移。其中，散射光布里淵頻移大小與光纖材料聲子的特性有直接關(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，布里淵頻移大小將發(fā)生變化。因此，通過測定脈沖光的后向布里淵散射光的頻移就可實(shí)現(xiàn)分布式溫度、應(yīng)變測量，這樣就產(chǎn)生了基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)(BOTDR)。5干涉型分布式傳感技術(shù)此類傳感技術(shù)是采用雙光源進(jìn)入傳感光纖進(jìn)行干涉，探測外界參數(shù)，雖然靈敏度較高，但是系統(tǒng)對光源要求高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、信號處理復(fù)雜、在長距離的情況下定位精度不高等缺點(diǎn)?；诤笙蛏⑸浞植际焦饫w傳感系統(tǒng)后向散射分布式傳感技術(shù)都是基于OTDR技術(shù)發(fā)展起來的，基本原理比較近似，最大的區(qū)別在于測量的后向散射光的頻率不同。OTDR的原理是測量后向瑞利散射光信號，利用OTDR可以方便地從單端對光纖進(jìn)行非破壞性的測量，它能連續(xù)顯示整個光纖線路的損耗相對于距離的變化，其基本結(jié)構(gòu)如下圖所示。OTDR測試是通過將光脈沖注入到光纖中，當(dāng)光脈沖在光纖內(nèi)傳輸時，會由于光纖本身的性質(zhì)、連接器、接頭、彎曲或其它類似的事件而產(chǎn)生散射、反射，其中一部分的散射光和反射光經(jīng)過同樣的路徑延時返回到OTDR中。相位敏感的光時域反射技術(shù)基于前面的研究成果，相位敏感的光時域反射分布式光