干涉型光纖相位傳感器綜述課件

2023/7/231分布式光纖相位傳感器2023/7/2322023/7/2332023/7/2342023/7/2352023/7/236傳統(tǒng)的解決方法人工巡查不能及時發(fā)現(xiàn)泄漏而且需要大量的人力和物力。在線泄漏檢測法（瞬變流模型法、壓力點(diǎn)分析法）檢測泄漏靈敏度不高、反應(yīng)不及時、定位準(zhǔn)確度不高,容易誤報(bào)警OTDR(光時域反射)功率低,信噪比不高,不能實(shí)時檢測(斷點(diǎn)檢測),響應(yīng)速度低

2023/7/237分布式光纖相位傳感器LightSourceDataProcessionFiber應(yīng)變效應(yīng)光隙效應(yīng)泊松效應(yīng)2023/7/238光纖線路敷設(shè)傳感光纖和管道埋于同一水平位置,這樣既可以確保光纖及時發(fā)現(xiàn)破壞行為,又能保證其不受人類正?；顒铀绊?023/7/239干涉儀的種類麥克爾遜(Michlson)光纖干涉儀馬赫-澤德(Mach一Zehnder)光纖干涉儀薩格納克(sagnac)光纖干涉儀法布里-珀羅(Fabry一Perot)光纖干涉儀2023/7/2310麥克爾遜馬赫-澤德薩格納克法布里-珀羅2023/7/23xxxxxx系11MZ干涉技術(shù)[1]由1端發(fā)出的窄帶激光,在R處受擾動信號的調(diào)制而發(fā)生相位改變,經(jīng)過時間后,到達(dá)2端.同理,由2端發(fā)出的窄帶激光,在經(jīng)過后到達(dá)1端所以信號時延為通過測量信號時延,即可以確定擾動位置2023/7/23xxxxxx系12MZ特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn):解調(diào)技術(shù)相對簡單.可以簡單地采用光電檢測器直接進(jìn)行光功率測量對光源的相干度要求不高可以對多點(diǎn)擾動進(jìn)行分析、定位 缺點(diǎn)溫度等環(huán)境的變化作用于光纖上,同樣會改變光相位,從而使系統(tǒng)的信噪比降低加強(qiáng)光功率,可以適當(dāng)提高信噪比,但同樣會增加其他非線性效應(yīng)降低信噪比2023/7/2313基于Sagnac干涉儀光纖傳感器干擾檢測定位技術(shù)研究2023/7/23xxxxxx系14設(shè)有振幅分別為和的兩個相干光束，干涉場中各點(diǎn)的光強(qiáng)為當(dāng)傳感光纖沒有受到干擾時，干涉現(xiàn)象趨于穩(wěn)定，光強(qiáng)度變化率為零當(dāng)這兩束光在外界因素干擾下，會產(chǎn)生不同的相移，設(shè)受擾動作用的光纖長度為，則其產(chǎn)生的相位變化為:2023/7/2315

是由光源產(chǎn)生波的時間相位偏移(與時間的變化有關(guān))，分別為兩束光沿光纖干涉環(huán)長度為和傳播的時間，表示除聲音主干擾源外其他因素對系統(tǒng)產(chǎn)生的常相位偏移2023/7/23xxxxxx系16設(shè)干擾源信號是正弦信號(或形如正弦信號)的情況下，即(為干擾信號所產(chǎn)生的相位變化的幅度)光強(qiáng)的交流部分為

所以干擾信號的幅度為

2023/7/23xxxxxx系17所以零點(diǎn)頻率發(fā)生在推導(dǎo)出干擾源位置與零頻之間的關(guān)系為故2023/7/23xxxxxx系18Sagnac光纖干涉儀在用于時變信號的測量時，這些干擾源的時變信號應(yīng)是連續(xù)且較平坦的寬頻信號，類似正弦信號特性。sagnac干涉儀可對這些干擾源進(jìn)行定位。對于具體的情況有不同的理論公式推導(dǎo)，可以得出類似的零頻-距離之間準(zhǔn)確關(guān)系2023/7/23xxxxxx系19sagnac特點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)零光程差，因此不存在兩傳感臂長度不一致引起的噪音,對偏振控制要求不是很高結(jié)構(gòu)具有互易性特點(diǎn)，能清除環(huán)境溫度所造成的不穩(wěn)定因素的影響對光源要求低，可使用高功率的寬帶光源，更適合長距離管道檢測靈敏度相對于其他干涉儀要高2023/7/2320缺點(diǎn)定位方法嚴(yán)重依賴于外界作用的頻率特性光纖須構(gòu)成環(huán)狀,這樣其中一路光纖需要做屏蔽需要確定零頻點(diǎn),對于解調(diào)電路的要求很高,時域解調(diào)易于實(shí)現(xiàn)2023/7/23xxxxxx系21一種新的直線型Sagnac光纖干涉儀[2]1)A-B-D-FRM-D-B-A2)A-C-D-FRM-D-B-A經(jīng)過泄漏點(diǎn)時間不同,但是走過的路徑長度是一樣的3)A-B-D-FRM-D-B-A4)A-C-D-FRM-D-C-A這兩束光不能產(chǎn)生干涉且與1)2)兩束光也不能發(fā)生干涉Faraday旋轉(zhuǎn)鏡可消除光纖固有的雙折射,還可消除其他如溫度等引起的互易雙折射效應(yīng)2023/7/23xxxxxx系22在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了管道泄漏模擬實(shí)驗(yàn).管道長700mm,外徑74mm,壁厚6mm,距管道左端A為150mm處開有一直徑為3.5mm的泄漏孔,水壓0.4Mpa.使用康寧單模光纖作為傳感光纖,線芯折射率為n=1.5,泄漏點(diǎn)距法拉第旋轉(zhuǎn)鏡4.020km,延遲線圈長4km,函數(shù)發(fā)生器施加于相位調(diào)制器的載波信號頻率為92kHZ,幅值為2V.寬帶光源中心波長為1550nm,帶寬為30nm,功率為20mw.利用NI的數(shù)據(jù)采集卡和LabVIEW軟件對檢測信號進(jìn)行采集和分析2023/7/23xxxxxx系23信號分析泄漏信號零點(diǎn)頻率圖在12.5kHZ附近有明顯的波谷,此波谷對應(yīng)的最低點(diǎn)即為所求的零點(diǎn)頻率.利用前述公式可得泄漏點(diǎn)距離為3.9768km,絕對誤差為-43.2m.2023/7/23xxxxxx系24為了驗(yàn)證此傳感器定位精度,重復(fù)做了15次實(shí)驗(yàn)由表計(jì)算可得,測量數(shù)據(jù)均值為3978.0m,與實(shí)際值(4020.0m)絕對誤差為42.0m,相對誤差為1%.這說明研制的傳感器系統(tǒng)誤差較小,滿足測試要求分別對3.5mm/3.0mm/2.5mm/2.0mm/1.0mm的泄漏孔徑的管道進(jìn)行實(shí)驗(yàn),發(fā)現(xiàn)2.0mm以上的泄漏點(diǎn)可以較為準(zhǔn)確的定位,1.0mm時,信號太弱,從零頻圖中不能確定泄漏點(diǎn)的位置2023/7/23xxxxxx系25直線型的改進(jìn)型[3]消除環(huán)狀結(jié)構(gòu)中擾動的互易性噪聲同時采用一個2×2耦合器實(shí)現(xiàn)光路循環(huán),克服了光纖鍍膜極易磨損,封裝隔離的麻煩.合理的選擇延遲光纖的長度,能消除由于光路和電路中各種噪聲、光源功率漂移引起的傳感死區(qū)現(xiàn)象2023/7/23xxxxxx系26信號處理Matlab進(jìn)行FFT變換,小波去噪,曲線平滑,最小二乘法擬合確定零頻點(diǎn)2023/7/23xxxxxx系27實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析最大誤差68m,最小誤差3m,平均誤差19.3m2023/7/23xxxxxx系28sagnac干涉儀在實(shí)際中的應(yīng)用管道泄露檢測和定位應(yīng)用

基于sagnac干涉儀原理的分布式光纖管道泄漏檢測技術(shù)可實(shí)現(xiàn)長距離、小泄漏管道檢測。因此，不久將來分布式光纖傳感技術(shù)將成為長距離管道泄漏檢測的主要技術(shù)手段2023/7/23xxxxxx系29光纖圍欄報(bào)警系統(tǒng)自動識別引起干擾信號的類型，如動物、人、車等所對傳感系統(tǒng)所產(chǎn)生的干擾。(對信號進(jìn)行通過合適的算法進(jìn)行模/數(shù)轉(zhuǎn)換以及數(shù)字信號處理，重建干擾源所產(chǎn)生的擾動函數(shù)，然后與數(shù)據(jù)庫中存儲的不同干擾源信號圖形進(jìn)行相關(guān)度分析，設(shè)定相關(guān)度大小，然后分析出干擾源類型，實(shí)現(xiàn)自動識別功能)在飛機(jī)場、邊境線、核電站、監(jiān)獄、軍事基地、變電站、高級別墅等地方的應(yīng)用

2023/7/23xxxxxx系30參考文獻(xiàn)[1]劉波,楊亦飛,牛文成,et.al.光纖圍欄技術(shù)特點(diǎn)及研究現(xiàn)狀[J].光子技術(shù),2004,4:208-213.[2]杭利軍