分布式光纖傳感技術(shù)課件

2021/3/151分布式光纖傳感

技術(shù)與應(yīng)用2021/3/151分布式光纖傳感

技術(shù)與應(yīng)用2021/3/152內(nèi)容概要光纖傳感技術(shù)簡(jiǎn)介光纖傳感器的分類光纖傳感技術(shù)的發(fā)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2021/3/152內(nèi)容概要光纖傳感技術(shù)簡(jiǎn)介2021/3/153一光纖傳感技術(shù)簡(jiǎn)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(shí)具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn):①電絕緣性能好。②抗電磁干擾能力強(qiáng)。③非侵入性。④高靈敏度。⑤容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。光纖傳感器可測(cè)量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動(dòng)、溫度、電流、電壓、磁場(chǎng)等物理量2021/3/153一光纖傳感技術(shù)簡(jiǎn)介光纖傳感器用光作為敏2021/3/154二光纖傳感器的分類根據(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根據(jù)光受被測(cè)對(duì)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)制型四大類根據(jù)光是否發(fā)生干涉可分為干涉型和非干涉型根據(jù)是否能夠隨距離的增加連續(xù)地監(jiān)測(cè)被測(cè)量可分為分布式和點(diǎn)式2021/3/154二光纖傳感器的分類根據(jù)光纖在傳感器中的2021/3/1551.根據(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(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的光纖(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(duì)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(cè)對(duì)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(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等。

信號(hào)處理光受信器光發(fā)送器光纖耦合器被測(cè)對(duì)象2021/3/1551.根據(jù)光纖在傳感器中的作用分類功能型（2021/3/1562.根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式分類光纖傳感是對(duì)光波的參量進(jìn)行調(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(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化,而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感器。相位調(diào)制傳感器其基本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)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)生的干涉效果發(fā)生變化,通過檢測(cè)干涉效果的變化量來確定光的相位變化量,從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。2021/3/1562.根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式分類光纖傳2021/3/157根據(jù)光受被測(cè)對(duì)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(cè)物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(cè)對(duì)象信息的傳感器。2021/3/157根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式分類頻率調(diào)制光2021/3/158傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)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(dòng)、壓力、加速度、位移角速度電場(chǎng)、電壓、電流、磁場(chǎng)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(dòng)、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(chǎng)電場(chǎng)、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(dòng)、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2021/3/158傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量光纖分類干相位調(diào)制型2021/3/159三光纖傳感技術(shù)的發(fā)展1.進(jìn)入實(shí)用化階段,逐步形成傳感領(lǐng)域的一個(gè)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(cè)試系統(tǒng),如光纖陀螺、光纖水聽器等;出現(xiàn)一些應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的新型測(cè)試系統(tǒng),如分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)、以光纖光柵為主的光纖智能結(jié)構(gòu);改造了傳統(tǒng)的測(cè)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(cè)量?jī)x表改造成安全可靠的先進(jìn)光纖式儀表等。許多特殊場(chǎng)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)。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查分析公司BusinessCommunicationsCompany發(fā)布的關(guān)于光纖傳感器的市場(chǎng)報(bào)告,從2005年到2011年,全球光纖傳感器（FOS）的整體市場(chǎng)將保持適度增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),預(yù)計(jì)平均年復(fù)合增長(zhǎng)率為4.1%,至2011年,全球產(chǎn)值將達(dá)為3.72億美元。2021/3/159三光纖傳感技術(shù)的發(fā)展1.進(jìn)入實(shí)用化階2021/3/1510光纖傳感技術(shù)的發(fā)展2.新的傳感技術(shù)不斷出現(xiàn),促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。例如,光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn),促進(jìn)了智能材料和智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展;光子晶體光纖用于傳感的可能性促進(jìn)了光子晶體的發(fā)展等。智能材料是指將敏感元件嵌入被測(cè)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(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)其安全運(yùn)轉(zhuǎn)、故障等的實(shí)時(shí)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。2021/3/1510光纖傳感技術(shù)的發(fā)展2.新的傳感技術(shù)不斷2021/3/1511光纖傳感技術(shù)的發(fā)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。埋入了六根光纖的紡織品2021/3/1511光纖傳感技術(shù)的發(fā)展智能背心這是一件嵌入2021/3/1512光纖傳感技術(shù)的發(fā)展3原理性研究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)前已被廣泛采用的傳統(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(shì),其市場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)中占有明顯優(yōu)勢(shì)。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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,許多關(guān)鍵技術(shù)仍然停留在實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段,距商業(yè)化還有一定的距離。2021/3/1512光纖傳感技術(shù)的發(fā)展3原理性研究仍處于2021/3/1513四分布式光纖傳感技術(shù)利用光波在光纖中傳輸?shù)奶匦?可沿光纖長(zhǎng)度方向連續(xù)的傳感被測(cè)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(cè)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)行傳感,是其突出優(yōu)點(diǎn)。傳感和傳光為同一根光纖,傳感部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便。與點(diǎn)式傳感器相比,單位長(zhǎng)度內(nèi)信息獲取成本大大降低,性價(jià)比高。2021/3/1513四分布式光纖傳感技術(shù)利用光波在光纖中2021/3/1514分布式光纖傳感器的特征參量空間分辨率指分布式光纖傳感器對(duì)沿光纖長(zhǎng)度分布的被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量時(shí)所能分辨的最小空間距離。時(shí)間分辨率指分布式光纖傳感器對(duì)被測(cè)量監(jiān)測(cè)時(shí),達(dá)到被測(cè)量的分辨率所需的時(shí)間。被測(cè)量分辨率指分布式光纖傳感器對(duì)被測(cè)量能正確測(cè)量的程度。以上三個(gè)分辨率之間有相互制約的關(guān)系。2021/3/1514分布式光纖傳感器的特征參量空間分辨率2021/3/1515典型的分布式光纖傳感器4-1相位調(diào)制型傳感器Mach-Zehnder干涉式傳感器Sagnac干涉式傳感器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2021/3/1515典型的分布式光纖傳感器4-1相位調(diào)制2021/3/1516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(shí),光纖的長(zhǎng)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(cè),所以實(shí)際中通常使光發(fā)生干涉,將相位的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)的變化進(jìn)行檢測(cè),之后再解調(diào)獲得相位變化2021/3/1516相位調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制是光在光纖2021/3/1517光的干涉光的干涉條件:

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)的干涉本質(zhì)上是兩個(gè)同方向、同頻率的電磁簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加。相干條件:①頻率相同②振動(dòng)方向相同③相位差恒定2021/3/1517光的干涉光的干涉條件:相干條件:2021/3/1518(1)M-Z干涉型光纖傳感器用作分布式振動(dòng)傳感隨機(jī)干擾干涉臂相位的隨機(jī)變化干涉儀輸出功率的隨機(jī)變化以M-Z干涉儀作為周界監(jiān)控系統(tǒng)時(shí),入侵事件出現(xiàn)將導(dǎo)致接收信號(hào)功率的變化2021/3/1518(1)M-Z干涉型光纖傳感器用作分布式2021/3/1519M-Z干涉型光纖傳感器的信號(hào)處理信號(hào)處理的目標(biāo)——1).對(duì)干擾事件進(jìn)行定性通過解調(diào)獲得干擾臂的相位變化,進(jìn)而根據(jù)相位變化情況分析干擾產(chǎn)生原因。利用3*3耦合器解調(diào)原理圖2021/3/1519M-Z干涉型光纖傳感器的信號(hào)處理信號(hào)處2021/3/1520M-Z干涉型光纖傳感器的信號(hào)處理通過順時(shí)針和逆時(shí)針傳輸?shù)南辔皇芨蓴_光信號(hào)到達(dá)A點(diǎn)和B點(diǎn)的時(shí)延差可計(jì)算出產(chǎn)生干擾的位置。A點(diǎn)和B點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)M-Z干涉儀兩個(gè)耦合器的位置。P點(diǎn)是干擾發(fā)生的位置使用時(shí)使干涉儀兩臂中同時(shí)存在順時(shí)針和逆時(shí)針傳輸?shù)墓庑盘?hào)處理的目標(biāo)——2).對(duì)干擾事件進(jìn)行定位（適用于周界監(jiān)控及管道監(jiān)控等應(yīng)用）2021/3/1520M-Z干涉型光纖傳感器的信號(hào)處理通過順2021/3/1521耦合器C2和C3構(gòu)成M-Z干涉儀在計(jì)算機(jī)中對(duì)PD1和PD2接收到的光信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算,就可以獲得干擾出現(xiàn)的時(shí)延差,繼而實(shí)現(xiàn)干擾定位利用M-Z干涉儀進(jìn)行分布式傳感的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2021/3/1521耦合器C2和C3構(gòu)成M-Z干涉儀在計(jì)算2021/3/1522(2)光纖SAGNAC干涉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)生干涉。當(dāng)傳感光纖沒有受到干擾時(shí),干涉現(xiàn)象趨于穩(wěn)定;受到外界干擾時(shí),正反向兩光束會(huì)產(chǎn)生不同的相移,并于耦合器處發(fā)生干涉,干涉信號(hào)的光強(qiáng)與干擾發(fā)生位置具有一定關(guān)系。R1R2

Sagnac干涉儀的另一個(gè)典型應(yīng)用是光纖陀螺,即當(dāng)環(huán)形光路有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),順逆時(shí)針的光會(huì)有非互易性的光程差,可用于轉(zhuǎn)動(dòng)傳感2021/3/1522(2)光纖SAGNAC干涉型分布式傳2021/3/1523光纖SAGNAC干涉型分布式傳感器定位原理當(dāng)干擾源信號(hào)是正弦信號(hào)（或形如正弦信號(hào)）時(shí),接收信號(hào)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(gè)零頻之間的關(guān)系為通過分析接收光信號(hào)的零頻點(diǎn)位置即可獲得干擾源的位置（上）有干擾時(shí)光強(qiáng)信號(hào)的理論計(jì)算值（下）實(shí)驗(yàn)值2021/3/1523光纖SAGNAC干涉型分布式傳感器定位2021/3/15244-2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-OTDR2021/3/15244-2散射型光纖傳感器利用背向瑞利散2021/3/1525(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2021/3/1525(1)光纖中的背向散射光分析布里淵散射2021/3/1526（2）光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)光時(shí)域反射(OTDR:OpitcalTime-DomainReflectometry)技術(shù)最初被用于檢驗(yàn)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(shí)候,由于光纖本身的性質(zhì)、連接器、接頭、彎曲或其他類似事件而產(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(shí)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(shí)域反射計(jì)將通過對(duì)返回光功率與返回時(shí)間的關(guān)系獲得光纖線路沿線的損耗情況。2021/3/1526（2）光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)光時(shí)2021/3/1527光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)散射型分布式傳感技術(shù)對(duì)被測(cè)量的空間定位多基于光時(shí)域反射技術(shù),即向光纖中注入一個(gè)脈沖,通過反射信號(hào)和入射脈沖之間的時(shí)間差來確定空間位置。d為事件點(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)頻率決定了可監(jiān)測(cè)的光纖長(zhǎng)度,而脈沖的寬度決定了空間定位精度（10ns寬度對(duì)應(yīng)空間分辨率1m）。2021/3/1527光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)散射型分布2021/3/1528利用OTDR技術(shù)測(cè)量光纖沿線背向反射光功率的結(jié)果2021/3/1528利用OTDR技術(shù)測(cè)量光纖沿線背向反射光2021/3/1529(3)BOTDR——光時(shí)域布里淵散射光纖傳感器布里淵散射產(chǎn)生機(jī)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(gè)傳播的壓力波等效于一個(gè)以一定速度移動(dòng)的密度光柵。因此布里淵散射可以看成是入射光在移動(dòng)光柵上的散射。多普勒效應(yīng)使散射光頻率不同于入射光。2021/3/1529(3)BOTDR——光時(shí)域布里淵散射光2021/3/1530BOTDR——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(chǎng)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。分為自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射兩種2021/3/1530BOTDR——布里淵散射量子光學(xué)描述:2021/3/1531BOTDR——傳感原理布里淵散射斯托克斯光相對(duì)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2021/3/1531BOTDR——傳感原理布里淵散射斯托克2021/3/1532BOTDR——傳感原理布里淵散射光頻移會(huì)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(huì)隨溫度的上升而線性增加,隨應(yīng)變?cè)黾佣€性下降:

PB=PB0+PTT(℃)+Pεε(με)通過測(cè)量布里淵散射光頻移和光功率,就可以求得被測(cè)量點(diǎn)的溫度和應(yīng)力的大小。通過測(cè)量布里淵散射光頻移和光功率,就可以求得被測(cè)量點(diǎn)的溫度和應(yīng)力的大小。2021/3/1532BOTDR——傳感原理布里淵散射光頻移2021/3/1533BOTDR——布里淵頻移系數(shù)對(duì)于溫度的布里淵頻移系數(shù)是1.22M/度（@1310nm）,1M/度（@1550nm）對(duì)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。2021/3/1533BOTDR——布里淵頻移系數(shù)對(duì)于溫度的2021/3/1534BOTDR與BOTDA(BRILLOUINOPTICALTIMEDOMAINANALYSIS)BOTDR系統(tǒng)從一端輸入泵浦脈沖,在同一端檢測(cè)返回信號(hào)的中心波長(zhǎng)和功率。使用方便,但自發(fā)布里淵散射信號(hào)很微弱,檢測(cè)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(cè)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)2021/3/1534BOTDR與BOTDA(BRILLO2021/3/1535BOTDR——定位原理對(duì)一定頻譜范圍連續(xù)不斷的進(jìn)行循環(huán)掃描,獲得各個(gè)時(shí)間段上的光譜,并將時(shí)間與位置相對(duì)應(yīng),即可獲得沿光纖各位置處的布里淵頻譜圖,并獲得異常的布里淵頻移量和散射光功率。2021/3/1535BOTDR——定位原理對(duì)一定頻譜范圍連2021/3/1536BOTDR——優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):1.連續(xù)分布式測(cè)量溫度和應(yīng)變

2.高溫度和應(yīng)變分辨率

4.高空間分辨率

5.超長(zhǎng)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(duì)光源和控制系統(tǒng)的要求很高;由于自發(fā)布里淵散射相當(dāng)微弱（比瑞利散射約小兩個(gè)數(shù)量級(jí)）,檢測(cè)比較困難,要求信號(hào)處理系統(tǒng)具有較高的信噪比;由于在檢測(cè)過程中需進(jìn)行大量的信號(hào)加法平均、頻率的掃描等處理,因而實(shí)現(xiàn)一次完整的測(cè)量需較長(zhǎng)的時(shí)間,實(shí)時(shí)性不夠好。2021/3/1536BOTDR——優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):2021/3/1537檢測(cè)30km光纖沿線的應(yīng)變,空間分辨力可達(dá)1m。應(yīng)變精度:20μe(0.002%)溫度精度:1°C取樣時(shí)間:20s至5min(典型值:2min)2021/3/1537檢測(cè)30km光纖沿線的應(yīng)變,2021/3/1538（3）ROTDR——光時(shí)域拉曼散射光纖傳感器拉曼散射產(chǎn)生機(jī)理:在任何分子介質(zhì)中,光通過介質(zhì)時(shí)由于入射光與分子運(yùn)動(dòng)相互作用會(huì)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:分子吸收頻率為V0的光子,發(fā)射V0-Vi的光子,同時(shí)分子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)（對(duì)應(yīng)斯托克斯光）;分子吸收頻率為V0的光子,發(fā)射V0+Vi的光子,同時(shí)分子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)（反斯托克斯光）。2021/3/1538（3）ROTDR——光時(shí)域拉曼散射光纖2021/3/1539ROTDR——傳感原理拉曼散射由分子熱運(yùn)動(dòng)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強(qiáng)烈依賴于溫度,而斯托克斯光則不是。則通過測(cè)量斯托克斯光與反斯托克斯光的功率比,可以探測(cè)到溫度的變化。由于自發(fā)拉曼散射光一般很弱,比自發(fā)布里淵散射光還弱10dB,所以必須采用高輸入功率,且需對(duì)探測(cè)到的后向散射光信號(hào)取較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的平均值。此方法上世紀(jì)80年代就已被提出,并商用化。2021/3/1539ROTDR——傳感原理拉曼散射由分子熱2021/3/1540ROTDR——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緊密相關(guān)。常溫下(T=300K)其溫敏系數(shù)為8‰/℃。采用反斯托克斯與斯托克斯比值的分布式光纖溫度測(cè)量,其結(jié)果消除了光源波動(dòng)、光纖彎曲等因素的影響,只與沿光纖的溫度場(chǎng)有關(guān),因此可長(zhǎng)時(shí)間保證測(cè)溫精度。2021/3/1540ROTDR——傳感原理基于自發(fā)拉曼散射2021/3/1541幾種散射式傳感技術(shù)的比較應(yīng)用場(chǎng)合優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)OTDR斷點(diǎn)、損傷檢測(cè)連續(xù)顯示衰減情況有盲區(qū)BOTDR應(yīng)力、溫度測(cè)量精度和分辨率高要求極窄線寬、可調(diào)線寬激光器;交叉干擾;功率低BOTDA應(yīng)力、溫度測(cè)量精度和分辨率高,大動(dòng)態(tài)范圍系統(tǒng)復(fù)雜;兩端測(cè)量;不能檢測(cè)斷點(diǎn);交叉干擾ROTDR溫度較高測(cè)溫精度返回的信號(hào)弱,大功率光源2021/3/1541幾種散射式傳感技術(shù)的比較應(yīng)用場(chǎng)合優(yōu)點(diǎn)缺2021/3/1542(5)分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用2021/3/1542(5)分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用2021/3/1543分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用——周界防護(hù)光纜傳感監(jiān)控系統(tǒng)工程施工實(shí)例根據(jù)防范的不同場(chǎng)合和要求,光纖可以構(gòu)成各種形狀,環(huán)置于需要防范的周界處的適當(dāng)位置,當(dāng)入侵者侵入時(shí),系統(tǒng)都會(huì)發(fā)出告警信號(hào)2021/3/1543分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用——周界防護(hù)光2021/3/1544光波所為國(guó)慶60周年通州閱兵村提供的光纜預(yù)警系統(tǒng)采用的就是分布式光纖傳感技術(shù)2021/3/1544光波所為國(guó)慶60周年通州閱兵村提供的光2021/3/1545分布式光纖傳感技術(shù)用于航空領(lǐng)域的多參量監(jiān)測(cè)太空飛船X-38的再入式實(shí)驗(yàn)飛行器（NASA圖片）傳感器布測(cè)區(qū)域a.分布式溫度傳感方案b.分布式應(yīng)力傳感方案輸出信號(hào)沿光纖傳輸光的背向散射分量光纖溫度傳感元平面溫度場(chǎng)分布輸入信號(hào)埋入光纖應(yīng)力傳感元輸入信號(hào)輸出信號(hào)光纖監(jiān)測(cè)網(wǎng)損傷探測(cè)光纖蒙皮2021/3/1545分布式光纖傳感技術(shù)用于航空領(lǐng)域的多參量2021/3/1546分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用——管道泄露監(jiān)測(cè)2021/3/1546分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用——管道泄露監(jiān)2021/3/1547各種分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用傳感原理傳感監(jiān)測(cè)量應(yīng)用領(lǐng)域B-OTDR應(yīng)力,溫度管道泄露監(jiān)測(cè),結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)等R-OTDR溫度油氣油井里溫度分布監(jiān)測(cè)、管道泄露監(jiān)測(cè)等M-Z微振動(dòng)周界防護(hù)等Sagnac較有規(guī)律的微振動(dòng)氣體管道泄露監(jiān)測(cè)、周界防護(hù)等2021/3/1547各種分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用傳感原理傳2021/3/1548分布式光纖傳感

技術(shù)與應(yīng)用2021/3/151分布式光纖傳感

技術(shù)與應(yīng)用2021/3/1549內(nèi)容概要光纖傳感技術(shù)簡(jiǎn)介光纖傳感器的分類光纖傳感技術(shù)的發(fā)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2021/3/152內(nèi)容概要光纖傳感技術(shù)簡(jiǎn)介2021/3/1550一光纖傳感技術(shù)簡(jiǎn)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(shí)具有光纖及光學(xué)測(cè)量的特點(diǎn):①電絕緣性能好。②抗電磁干擾能力強(qiáng)。③非侵入性。④高靈敏度。⑤容易實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的遠(yuǎn)距離監(jiān)控。光纖傳感器可測(cè)量位移、速度、加速度、液位、應(yīng)變、壓力、流量、振動(dòng)、溫度、電流、電壓、磁場(chǎng)等物理量2021/3/153一光纖傳感技術(shù)簡(jiǎn)介光纖傳感器用光作為敏2021/3/1551二光纖傳感器的分類根據(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根據(jù)光受被測(cè)對(duì)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)制型四大類根據(jù)光是否發(fā)生干涉可分為干涉型和非干涉型根據(jù)是否能夠隨距離的增加連續(xù)地監(jiān)測(cè)被測(cè)量可分為分布式和點(diǎn)式2021/3/154二光纖傳感器的分類根據(jù)光纖在傳感器中的2021/3/15521.根據(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(duì)外界信息具有敏感能力和檢測(cè)能力的光纖(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(duì)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(cè)對(duì)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(jì)、輻射式光纖溫度傳感器等。

信號(hào)處理光受信器光發(fā)送器光纖耦合器被測(cè)對(duì)象2021/3/1551.根據(jù)光纖在傳感器中的作用分類功能型（2021/3/15532.根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式分類光纖傳感是對(duì)光波的參量進(jìn)行調(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(cè)對(duì)象的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反射等參數(shù)的變化,而導(dǎo)致光強(qiáng)度變化來實(shí)現(xiàn)敏感測(cè)量的傳感器。相位調(diào)制傳感器其基本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)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)生的干涉效果發(fā)生變化,通過檢測(cè)干涉效果的變化量來確定光的相位變化量,從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。2021/3/1562.根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式分類光纖傳2021/3/1554根據(jù)光受被測(cè)對(duì)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(cè)物體上反射回來的光的頻率發(fā)生變化來進(jìn)行監(jiān)測(cè)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(cè)對(duì)象信息的傳感器。2021/3/157根據(jù)光受被測(cè)對(duì)象的調(diào)制形式分類頻率調(diào)制光2021/3/1555傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)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(dòng)、壓力、加速度、位移角速度電場(chǎng)、電壓、電流、磁場(chǎng)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(dòng)、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(chǎng)電場(chǎng)、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(dòng)、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2021/3/158傳感器光學(xué)現(xiàn)象被測(cè)量光纖分類干相位調(diào)制型2021/3/1556三光纖傳感技術(shù)的發(fā)展1.進(jìn)入實(shí)用化階段,逐步形成傳感領(lǐng)域的一個(gè)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(cè)試系統(tǒng),如光纖陀螺、光纖水聽器等;出現(xiàn)一些應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的新型測(cè)試系統(tǒng),如分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng)、以光纖光柵為主的光纖智能結(jié)構(gòu);改造了傳統(tǒng)的測(cè)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(cè)量?jī)x表改造成安全可靠的先進(jìn)光纖式儀表等。許多特殊場(chǎng)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)。根據(jù)市場(chǎng)調(diào)查分析公司BusinessCommunicationsCompany發(fā)布的關(guān)于光纖傳感器的市場(chǎng)報(bào)告,從2005年到2011年,全球光纖傳感器（FOS）的整體市場(chǎng)將保持適度增長(zhǎng)態(tài)勢(shì),預(yù)計(jì)平均年復(fù)合增長(zhǎng)率為4.1%,至2011年,全球產(chǎn)值將達(dá)為3.72億美元。2021/3/159三光纖傳感技術(shù)的發(fā)展1.進(jìn)入實(shí)用化階2021/3/1557光纖傳感技術(shù)的發(fā)展2.新的傳感技術(shù)不斷出現(xiàn),促進(jìn)了相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)的發(fā)展。例如,光纖傳感網(wǎng)絡(luò)的出現(xiàn),促進(jìn)了智能材料和智能結(jié)構(gòu)的發(fā)展;光子晶體光纖用于傳感的可能性促進(jìn)了光子晶體的發(fā)展等。智能材料是指將敏感元件嵌入被測(cè)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(shí)實(shí)現(xiàn)對(duì)其安全運(yùn)轉(zhuǎn)、故障等的實(shí)時(shí)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。2021/3/1510光纖傳感技術(shù)的發(fā)展2.新的傳感技術(shù)不斷2021/3/1558光纖傳感技術(shù)的發(fā)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。埋入了六根光纖的紡織品2021/3/1511光纖傳感技術(shù)的發(fā)展智能背心這是一件嵌入2021/3/1559光纖傳感技術(shù)的發(fā)展3原理性研究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)前已被廣泛采用的傳統(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(shì),其市場(chǎng)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(jìng)爭(zhēng)中占有明顯優(yōu)勢(shì)。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(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化,許多關(guān)鍵技術(shù)仍然停留在實(shí)驗(yàn)室樣機(jī)階段,距商業(yè)化還有一定的距離。2021/3/1512光纖傳感技術(shù)的發(fā)展3原理性研究仍處于2021/3/1560四分布式光纖傳感技術(shù)利用光波在光纖中傳輸?shù)奶匦?可沿光纖長(zhǎng)度方向連續(xù)的傳感被測(cè)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(cè)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)行傳感,是其突出優(yōu)點(diǎn)。傳感和傳光為同一根光纖,傳感部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用方便。與點(diǎn)式傳感器相比,單位長(zhǎng)度內(nèi)信息獲取成本大大降低,性價(jià)比高。2021/3/1513四分布式光纖傳感技術(shù)利用光波在光纖中2021/3/1561分布式光纖傳感器的特征參量空間分辨率指分布式光纖傳感器對(duì)沿光纖長(zhǎng)度分布的被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量時(shí)所能分辨的最小空間距離。時(shí)間分辨率指分布式光纖傳感器對(duì)被測(cè)量監(jiān)測(cè)時(shí),達(dá)到被測(cè)量的分辨率所需的時(shí)間。被測(cè)量分辨率指分布式光纖傳感器對(duì)被測(cè)量能正確測(cè)量的程度。以上三個(gè)分辨率之間有相互制約的關(guān)系。2021/3/1514分布式光纖傳感器的特征參量空間分辨率2021/3/1562典型的分布式光纖傳感器4-1相位調(diào)制型傳感器Mach-Zehnder干涉式傳感器Sagnac干涉式傳感器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2021/3/1515典型的分布式光纖傳感器4-1相位調(diào)制2021/3/1563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(shí),光纖的長(zhǎng)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(cè),所以實(shí)際中通常使光發(fā)生干涉,將相位的變化轉(zhuǎn)變?yōu)楣鈴?qiáng)的變化進(jìn)行檢測(cè),之后再解調(diào)獲得相位變化2021/3/1516相位調(diào)制型光纖傳感器相位調(diào)制是光在光纖2021/3/1564光的干涉光的干涉條件:

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)的干涉本質(zhì)上是兩個(gè)同方向、同頻率的電磁簡(jiǎn)諧振動(dòng)的疊加。相干條件:①頻率相同②振動(dòng)方向相同③相位差恒定2021/3/1517光的干涉光的干涉條件:相干條件:2021/3/1565(1)M-Z干涉型光纖傳感器用作分布式振動(dòng)傳感隨機(jī)干擾干涉臂相位的隨機(jī)變化干涉儀輸出功率的隨機(jī)變化以M-Z干涉儀作為周界監(jiān)控系統(tǒng)時(shí),入侵事件出現(xiàn)將導(dǎo)致接收信號(hào)功率的變化2021/3/1518(1)M-Z干涉型光纖傳感器用作分布式2021/3/1566M-Z干涉型光纖傳感器的信號(hào)處理信號(hào)處理的目標(biāo)——1).對(duì)干擾事件進(jìn)行定性通過解調(diào)獲得干擾臂的相位變化,進(jìn)而根據(jù)相位變化情況分析干擾產(chǎn)生原因。利用3*3耦合器解調(diào)原理圖2021/3/1519M-Z干涉型光纖傳感器的信號(hào)處理信號(hào)處2021/3/1567M-Z干涉型光纖傳感器的信號(hào)處理通過順時(shí)針和逆時(shí)針傳輸?shù)南辔皇芨蓴_光信號(hào)到達(dá)A點(diǎn)和B點(diǎn)的時(shí)延差可計(jì)算出產(chǎn)生干擾的位置。A點(diǎn)和B點(diǎn)分別對(duì)應(yīng)M-Z干涉儀兩個(gè)耦合器的位置。P點(diǎn)是干擾發(fā)生的位置使用時(shí)使干涉儀兩臂中同時(shí)存在順時(shí)針和逆時(shí)針傳輸?shù)墓庑盘?hào)處理的目標(biāo)——2).對(duì)干擾事件進(jìn)行定位（適用于周界監(jiān)控及管道監(jiān)控等應(yīng)用）2021/3/1520M-Z干涉型光纖傳感器的信號(hào)處理通過順2021/3/1568耦合器C2和C3構(gòu)成M-Z干涉儀在計(jì)算機(jī)中對(duì)PD1和PD2接收到的光信號(hào)進(jìn)行互相關(guān)計(jì)算,就可以獲得干擾出現(xiàn)的時(shí)延差,繼而實(shí)現(xiàn)干擾定位利用M-Z干涉儀進(jìn)行分布式傳感的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2021/3/1521耦合器C2和C3構(gòu)成M-Z干涉儀在計(jì)算2021/3/1569(2)光纖SAGNAC干涉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)生干涉。當(dāng)傳感光纖沒有受到干擾時(shí),干涉現(xiàn)象趨于穩(wěn)定;受到外界干擾時(shí),正反向兩光束會(huì)產(chǎn)生不同的相移,并于耦合器處發(fā)生干涉,干涉信號(hào)的光強(qiáng)與干擾發(fā)生位置具有一定關(guān)系。R1R2

Sagnac干涉儀的另一個(gè)典型應(yīng)用是光纖陀螺,即當(dāng)環(huán)形光路有轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí),順逆時(shí)針的光會(huì)有非互易性的光程差,可用于轉(zhuǎn)動(dòng)傳感2021/3/1522(2)光纖SAGNAC干涉型分布式傳2021/3/1570光纖SAGNAC干涉型分布式傳感器定位原理當(dāng)干擾源信號(hào)是正弦信號(hào)（或形如正弦信號(hào)）時(shí),接收信號(hào)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(gè)零頻之間的關(guān)系為通過分析接收光信號(hào)的零頻點(diǎn)位置即可獲得干擾源的位置（上）有干擾時(shí)光強(qiáng)信號(hào)的理論計(jì)算值（下）實(shí)驗(yàn)值2021/3/1523光纖SAGNAC干涉型分布式傳感器定位2021/3/15714-2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-OTDR2021/3/15244-2散射型光纖傳感器利用背向瑞利散2021/3/1572(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2021/3/1525(1)光纖中的背向散射光分析布里淵散射2021/3/1573（2）光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)光時(shí)域反射(OTDR:OpitcalTime-DomainReflectometry)技術(shù)最初被用于檢驗(yàn)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(shí)候,由于光纖本身的性質(zhì)、連接器、接頭、彎曲或其他類似事件而產(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(shí)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(shí)域反射計(jì)將通過對(duì)返回光功率與返回時(shí)間的關(guān)系獲得光纖線路沿線的損耗情況。2021/3/1526（2）光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)光時(shí)2021/3/1574光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)散射型分布式傳感技術(shù)對(duì)被測(cè)量的空間定位多基于光時(shí)域反射技術(shù),即向光纖中注入一個(gè)脈沖,通過反射信號(hào)和入射脈沖之間的時(shí)間差來確定空間位置。d為事件點(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)頻率決定了可監(jiān)測(cè)的光纖長(zhǎng)度,而脈沖的寬度決定了空間定位精度（10ns寬度對(duì)應(yīng)空間分辨率1m）。2021/3/1527光時(shí)域反射(OTDR)技術(shù)散射型分布2021/3/1575利用OTDR技術(shù)測(cè)量光纖沿線背向反射光功率的結(jié)果2021/3/1528利用OTDR技術(shù)測(cè)量光纖沿線背向反射光2021/3/1576(3)BOTDR——光時(shí)域布里淵散射光纖傳感器布里淵散射產(chǎn)生機(jī)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(gè)傳播的壓力波等效于一個(gè)以一定速度移動(dòng)的密度光柵。因此布里淵散射可以看成是入射光在移動(dòng)光柵上的散射。多普勒效應(yīng)使散射光頻率不同于入射光。2021/3/1529(3)BOTDR——光時(shí)域布里淵散射光2021/3/1577BOTDR——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(chǎng)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。分為自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射兩種2021/3/1530BOTDR——布里淵散射量子光學(xué)描述:2021/3/1578BOTDR——傳感原理布里淵散射斯托克斯光相對(duì)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2021/3/1531BOTDR——傳感原理布里淵散射斯托克2021/3/1579BOTDR——傳感原理布里淵散射光頻移會(huì)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(huì)隨溫度的上升而線性增加,隨應(yīng)變?cè)黾佣€性下降:

PB=PB0+PTT(℃)+Pεε(με)通過測(cè)量布里淵散射光頻移和光功率,就可以求得被測(cè)量點(diǎn)的溫度和應(yīng)力的大小。通過測(cè)量布里淵散射光頻移和光功率,就可以求得被測(cè)量點(diǎn)的溫度和應(yīng)力的大小。2021/3/1532BOTDR——傳感原理布里淵散射光頻移2021/3/1580BOTDR——布里淵頻移系數(shù)對(duì)于溫度的布里淵頻移系數(shù)是1.22M/度（@1310nm）,1M/度（@1550nm）對(duì)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。2021/3/1533BOTDR——布里淵頻移系數(shù)對(duì)于溫度的2021/3/1581BOTDR與BOTDA(BRILLOUINOPTICALTIMEDOMAINANALYSIS)BOTDR系統(tǒng)從一端輸入泵浦脈沖,在同一端檢測(cè)返回信號(hào)的中心波長(zhǎng)和功率。使用方便,但自發(fā)布里淵散射信號(hào)很微弱,檢測(cè)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(cè)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)2021/3/1534BOTDR與BOTDA(BRILLO2021/3/1582BOTDR——定位原理對(duì)一定頻譜范圍連續(xù)不斷的進(jìn)行循環(huán)掃描,獲得各個(gè)時(shí)間段上的光譜,并將時(shí)間與位置相對(duì)應(yīng),即可獲得沿光纖各位置處的布里淵頻譜圖,并獲得異常的布里淵頻移量和散射光功率。2021/3/1535BOTDR——定位原理對(duì)一定頻譜范圍連2021/3/1583BOTDR——優(yōu)缺點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):1.連續(xù)分布式測(cè)量溫度和應(yīng)變

2.高溫度和應(yīng)變分辨率

4.高空間分辨率

5.超長(zhǎng)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(duì)光源和控制系統(tǒng)的要求很高;由于自發(fā)布里淵散射相當(dāng)微弱（比瑞利散射約小兩個(gè)數(shù)量級(jí)）,檢測(cè)比較困難,要求信號(hào)處理系統(tǒng)具有較高的信噪比;由于在檢測(cè)過程中需進(jìn)行大量的信號(hào)加法平均、頻率的掃描等處理,因而實(shí)現(xiàn)一次完整的測(cè)量需較長(zhǎng)的時(shí)間,實(shí)時(shí)性不夠好。2021/3/1536BOTDR——優(yōu)缺