分布式光纤传感技术

分布式光纤传感 技术与应用 1 内容概要 光纤传感技术简介 光纤传感器的分类 光纤传感技术的发展 分布式光纤传感技术 相位调制型分布式传感器 散射型分布式传感器 分布式光纤传感技术的应用 2 一 光纤传感技术简介 光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光 纤作为传递敏感信息的媒质。 同时具有光纤及光学测量的特点： 电绝缘性能好。 抗电磁干扰能力强。 非侵入性。 高灵敏度。 容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液 位、应变、压力、流量、振动、温度、电流 、电压、磁场等物理量 3 二 光纤传感器的分类 根据光纤在传感器中的作用 可分为功能型、非功能型和拾光型三大类 根据光受被测对象的调制形式 可分为：强度调制型、 相位调制型、 偏振调制 型 、 频率调制 型四大类 根据光是否发生干涉 可分为干涉型和非干涉型 根据是否能够随距离的增加连续地监测被测量 可分为分布式和点式 4 1.根据光纤在传感器中的作用分类 功能型 （ 全光纤型 ） 光纤传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤 (或特殊光 纤 )作传感元件 ， 将 “ 传 ” 和 “ 感 ” 合为一体 。 非功能型 （ 或称传光型 ） 光纤传感器 光纤仅起导光作用，只 “ 传 ” 不 “ 感 ” ，对外界信息的 “ 感觉 ” 功能依靠其他物理性质的功能元件完成。 拾光型光纤传感器 用光纤作为探头 ， 接收由被测对象辐射的光或被其反射 、 散射的光 。 其典型例子如光纤激光多普勒速度计 、 辐射式 光纤温度传感器等 。 信号 处理 光受 信器 光发送器 光纤 耦合器 被测对象 5 2.根据光受被测对象的调制形式分类 光纤传感是对光波的参量进行调制 可调制参量： 强度调制型光纤传感器 是一种 利用被测对象的变化引起 敏感元件的折射率 、 吸收或反 射等参数的变化 ， 而导致 光强度变化 来实现敏感测量的传感器 。 相位调制传感器 其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用 ， 使敏感元件的 折射率或传播常数发生变化 ， 而 导致光的相位变化 ， 进而 使两 束单色光所产生的干涉效果发生变化 ， 通过检测干涉效果的变 化量来确定光的相位变化量 ， 从而得到被测对象的信息 。 ）（ kztEE c o s0 kztkE ,0 6 根据光受被测对象的调制形式分类 频率调制光纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光 的频率发生变化来进行监测的传感器。 偏振调制光纤传感器 是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的 传感器 。 7 传感器 光学现象 被测量 光纤 分类 干 涉 型 相位 调制 型 弹光效应 Sagnac效应 电、磁致伸缩 振动、压力、加速度、位移 角速度 电场、电压、电流、磁场 SM、 PM SM、 PM SM、 PM a a a 非 干 涉 型 强度 调制 型 遮光板遮断光路 光纤微弯损耗 气体分子吸收 位移 振动、压力、加速度、位移 气体浓度 MM SM MM b b b 偏振 调制 型 法拉第效应 泡克尔斯效应 双折射变化 电流、磁场 电场、电压、 温度 SM MM SM b,a b b 频率 调制 型 多普勒效应 拉曼散射 布里渊散射 速度、流速、振动、加速度 温度 温度、应力 MM MM MM c a a 光纤传感器的分类 注： MM多模； SM单模； PM偏振保持； a,b,c：功能型、非功能型、拾光型 8 三 光纤传感技术的发展 1. 进入实用化阶段，逐步形成传感领域的一个新的 分支。 不少光纤传感器以其特有的优点，替代或更新了传统的 测试系统， 如光纤陀螺、光纤水听器等； 出现一些应用光纤传感技术的新型测试系统 ，如分布式 光纤测温系统、以光纤光栅为主的光纤智能结构； 改造了传统的测试系统 ，如利用电 /光转换和光 /电转换 技术以及光纤传输技术，把传统的电子式测量仪表改造 成安全可靠的先进光纤式仪表等。许多特殊场合核工 业、化工和石油钻探中也都应用了光纤传感系统。 根据市场调查分析公司 BusinessCommunicationsCompany 发布的关于光纤传感器的市场报告，从 2005年到 2011年 ，全球光纤传感器（ FOS）的整体市场将保持适度增长 态势，预计平均年复合增长率为 4.1%，至 2011年，全球 产值将达为 3.72亿美元。 9 光纤传感技术的发展 2.新的传感技术不断出现，促进了相关领域技术的 发展。 例如，光纤传感网络的出现，促进了 智能材料和智能结 构的发展 ；光子晶体光纤用于传感的可能性促进了光子 晶体的发展等。 智能材料是指将敏感元件嵌入被测构件机体和材料中， 从而在构件或材料常规工作的同时实现对其安全运转、 故障等的实时监控。其中，光纤和电导线与多种材料的 有效结合是关键问题之一。 10 光纤传感技术的发展 智能背心 这是一件嵌入了光 纤和电导线的背心 ， 能够感知环境温度 及化学成分的变化 ， 用于医学和军事应 用 。 11 埋入了六根光 纤的纺织品 光纤传感技术的发展 3 原理性研究仍处于重要位臵 由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已被广泛采用 的传统机电传感系统为目的，所以尽管光纤传感器具有 诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战仍很巨大。 而 那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中 占有明显优势 。 4 相关的应用开发也还任重道远 在很多领域，光纤传感技术尚未实现产业化，许多关键 技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化还有一定的 距离。 12 四 分布式光纤传感技术 利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度 方向连续的传感被测量（如温度、压力、应力 和应变等） 光纤既是传感介质，又是被测量的传输介质。 优点： 可在很大的空间范围内连续的进行传感，是其突出 优点。 传感和传光为同一根光纤，传感部分结构简单，使 用方便。 与点式传感器相比，单位长度内信息获取成本大大 降低，性价比高。 13 分布式光纤传感器的特征参量 空间分辨率 指分布式光纤传感器对沿光纤长度分布的被测量进 行测量时所能分辨的最小空间距离。 时间分辨率 指分布式光纤传感器对被测量监测时，达到被测量 的分辨率所需的时间。 被测量分辨率 指分布式光纤传感器对被测量能正确测量的程度。 以上三个分辨率之间有相互制约的关系。 14 典型的分布式光纤传感器 4-1 相位调制型传感器 Mach-Zehnder干涉式传感器 Sagnac干涉式传感器 4-2 散射型传感器 布里渊散射型光纤传感器 拉曼散射型光纤传感器 15 相位调制型光纤传感器 相位调制 当光纤受到机械应力作用时，光纤的长度、芯径、 纤芯折射率都将发生变化，这些变化将导致光波 的相位变化 . LLn e f f 2 /2 e ffn 是光在光纤中的传播常数 由于相位变化很难直接检测 ， 所以实 际中通常使光发生干涉 ， 将相位的变 化转变为光强的变化进行检测 ， 之后 再解调获得相位变化 光的干涉 P 1S 2S 1r 2r 光的干涉条件： 相干光源 S1、 S2发出的光 波在空间 P点相遇，两列波 在 P点的干涉本质上是两个 同方向、同频率的电磁简 谐振动的叠加。 相干条件： 频率相同 振动方向相同 相位差恒定 )c o s ( )c o s ( 222 111 tkraE tkraE (1)M-Z干涉型光纤传感器用作分布式振动传感 2 12 c r os s ()c o s 2 LLT 随机干扰 干涉臂相位的随机变化 干涉仪输出功率的随机变化 以 M-Z干涉仪作为周界监 控系统时 ， 入侵事件出 现将导致接收信号功率 的变化 18 M-Z干涉型光纤传感器的信号处理 信号处理的目标 1).对干扰事件进行定性 通过解调获得干扰臂的相位变化，进而根据相 位变化情况分析干扰产生原因。 19 利用 3*3耦合器解调原理图 M-Z干涉型光纤传感器的信号处理 通过顺时针和逆时针传输的相位受干扰光 信号到达 A点和 B点的时延差可计算出产 生干扰的位臵 。 A点和 B点分别对应 M-Z干 涉仪两个耦合器的位臵 。 P点是干扰发生的位臵 使用时使干涉仪 两臂中同时存在 顺时针和逆时针 传输的光 ( 2 ) /T L Z V 20 信号处理的目标 2).对干扰事件进行定位 （适用于周界监控及管道监控等应用） 耦合器 C2和 C3构成 M-Z干涉仪 在计算机中对 PD1和 PD2接 收到的光信号进行互相关计 算 ， 就可以获得干扰出现的 时延差 ， 继而实现干扰定位 利用 M-Z干涉仪进行分布式传感的系统结构图 21 (2) 光纤 SAGNAC干涉型分布式传感器 激光器发出的光经耦合器分为两束分别耦合进由同一光 纤构成的光纤环中，沿相反方向传输，并于耦合器处再 次发生干涉。 当传感光纤没有受到干扰时，干涉现象趋于稳定；受到 外界干扰时，正反向两光束会产生不同的相移，并于耦 合器处发生干涉，干涉信号的光强与干扰发生位臵具有 一定关系。 R1 R2 Sagnac干涉仪的另一个典型应用是 光纤陀螺 ， 即当环形光路有转动时 ， 顺逆时针的光会有非互易性的光程 差 ， 可用于转动传感 22 光纤 SAGNAC干涉型分布式传感器定位原理 当干扰源信号是正弦信号（或形如正弦信号）时，接 收信号的功率幅值为 00 sin ( )2s sPP 零点频率发生在 0 , , . . . .2 s N , , 12 ( 2 ) s n u ll s n u ll Ncf n L R 干扰源位臵 R1与第 N个零频之间的关系为 通过分析接收光 信号的零频点位 臵即可获得干扰 源的位臵 2 1 1 2( ) /n R R c （上）有干扰时光强信号的理论计算值（下）实验值 23 4-2 散射型光纤传感器 利用背向瑞利散射 OTDR 利用布里渊散射 B-OTDR、 B-OTDA 利用拉曼散射 R-OTDR 24 (1)光纤中的背向散射光分析 布里渊散射和拉曼散射 在散射前后有频移 ， 是 非弹性散射 斯托克斯光 反斯托克斯光 25 （ 2）光时域反射 (OTDR)技术 光时域反射 (OTDR： Opitcal Time-Domain Reflectometry)技术最初被用于检验光纤线路的损耗 特性以及故障分析。 当光脉冲在光纤中传输的时候 ，由于光纤本身的 性质、连接器、接头、弯曲或其他类似事件而产 生散射、反射，其中 背向瑞利散射光和菲涅尔反 射光将返回输入端 （主要是瑞利散射光， 瑞利散 射 是光波在光纤中传输时由于光纤纤芯折射率在 微观上的起伏而引起的线性散射，是光纤的固有 特性）。 光时域反射计将通过对返回光功率与返回时间的 关系获得光纤线路沿线的损耗情况。 26 光时域反射 (OTDR)技术 散射型分布式传感技术对被测量的空间定位多基于光时域 反射 技术，即向光纤中注入一个脉冲，通过反射信号和入 射脉冲之间的时间差来确定空间位臵。 d为事件点距离系统终端的距离， c为真空光速， n为光纤有效折射率 脉冲的重复频率决定了可监测的光纤长度，而脉冲的宽度 决定了空间定位精度（ 10ns宽度对应空间分辨率 1m）。 n cd 2 27 利用 OTDR技术测量光纤沿线背向反射光功率的结果 29 (3)BOTDR 光时域布里渊散射光纤传感器 布里渊散射产生机理 是入射光与声波或传播的压力波相互作用的结果，这个传 播的压力波等效于一个以一定速度移动的密度光栅。因此 布里渊散射可以看成是入射光在移动光栅上的散射。 多普勒效应使散射光频率不同于入射光。 BOTDR 布里渊散射 量子光学描述：入射光波（泵浦）与介质内弹性声波 场作用中，一泵浦光子湮灭产生一声学声子和散射 (Stokes)光子。 散射光与泵浦波的传播方向相反，与入射波的频移（ 在 1.55mm处）约为： fB=11.1GHZ。 分为自发布里渊散射和受激布里渊散射两种 30 BOTDR 传感原理 布里渊散射斯托克斯光相对于入射光的频移为： c nvvv s B 02 介质折射率 入射光频率 介质中声速 )21)(1( )1( kk Ekv s 介质的杨氏模量 介质密度 泊松比 温度 应力 热光效应 弹光效应 折射率 变化 声速 变化 调制介质的 E、 k、密度 布里渊频 移变化 31 BOTDR 传感原理 布里渊散射光频移会随着温度和光纤应变的上升而 线性增加： fB=fB0+ f TT( )+ f () 布里渊散射光功率会随温度的上升而线性增加 ,随 应变增加而线性下降： PB=PB0+ P TT( )+ P () 通过测量布里渊散射光频移 和光功率 ， 就可以求得被测 量点的温度和应力的大小 。 通过测量布里渊散射光频移 ， 就可以求得被测 量点的温度和应力的大小 。 32 BOTDR 布里渊频移系数 对于温度的布里渊频移系数是 1.22M/度 （ 1310nm） ， 1M/度 （ 1550nm） 对于应力的布里渊频移系数是 581M/%（ 1310nm） ， 493M/%（ 1550nm） 温度的影响较小 。 33 BOTDR与 BOTDA( BRILLOUIN OPTICAL TIME DOMAIN ANALYSIS) BOTDR系统从一端输入泵浦脉 冲 ， 在同一端检测返回信号的 中心波长和功率 。 使用方便 ， 但自发布里渊散射信号很微弱 ， 检测困难 。 在 BOTDA中 ， 处于光纤两端的 可调谐激光器分别将一脉冲光 （ 泵浦光 ） 与一连续光 （ 探测光 ） 注入传感光纤 。 利用受激布里渊 散射效应 ， 散射光强度更强 34 BOTDR 定位原理 对一定频谱范围连续不断的进行循环扫描 ， 获得各个时间段上的光谱 ， 并将时间与位 臵相对应 ， 即可获得沿光纤各位臵处的布 里渊频谱图 ， 并获得异常的布里渊频移量 和散射光功率 。 35 BOTDR 优缺点 优点： 1. 连续分布式测量温度和应变 2. 高温度和应变分辨率 4. 高空间分辨率 5. 超长传感范围 (超过 80公里 ) 6. 同一根光纤既可用于传感，也可用于通信 缺点： 需要 激光器的输出稳定、线宽窄，对光源和控制系统 的要求很高； 由于自发布里渊散射相当微弱（比瑞利散射约小两个 数量级），检测比较困难，要求信号处理系统具有较 高的信噪比 ; 由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率 的扫描等处理 ,因而实现一次完整的测量需较长的时间 , 实时性不够好。 36 检测 30km 光纤沿线的应变， 空间 分辨力可达 1m。 应变 精度 : 20 e (0.002%) 温度 精度 : 1 C 取样 时间 : 20 s 至 5 min (典型值： 2 min) 37 （ 3） ROTDR 光时域拉曼散射光纤传感器 拉曼散射产生机理： 在任何分子介质中， 光通过介质时由于入射光与分子运 动相互作用会引起的频率发生变化的散射 ，此过程为拉 曼散射 量子力学描述：分子吸收频率为 V0的光子，发射 V0-Vi 的光子，同时分子从低能态跃迁到高能态（对应斯托克 斯光）；分子吸收频率为 V0的光子，发射 V0+Vi的光子 ，同时分子从高能态跃迁到低能态（反斯托克斯光）。 38 ROTDR 传感原理 拉曼散射由分子热运动引起，所以拉曼散射光 可以携带散射点的温度信息。 反斯托克斯光的幅度强烈依赖于温度，而斯托 克斯光则不是。 则通过测量斯托克斯光与反斯 托克斯光的功率比，可以探测到温度的变化。 由于自发拉曼散射光一般很弱，比自发布里渊 散射光还弱 10dB，所以必须采用高输入功率， 且需对探测到的后向散射光信号取较长时间内 的平均值。 此方法上世纪 80年代就已被提出，并商用化。 39 ROTDR 传感原理 基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感器原理 光纤中自发拉曼散射的反斯托克斯光与温度紧密 相关 。 常温下 (T=300K)其温敏系数为 8 / 。 采用反斯托 克斯与斯托克斯比值的分布式光纤温度测量 ， 其结果消除 了光源波动 、 光纤弯曲等因素的影响 ， 只与沿光纤的温度 场有关 ， 因此可长时间保证测温精度 。 40 几种散射式传感技术的比较 应用场合 优点 缺点 OTDR 断点、损 伤检测 连续显示衰减情 况 有盲区 BOTDR 应力、温 度 测量精度和分辨 率高 要求极窄线宽 、 可调线 宽激光器；交叉干扰； 功率低 BOTDA 应力、温 度 测量精度和分辨 率高，大动态范 围 系统复杂；两端测量； 不能检测断点；交叉干 扰 ROTDR 温度 较高测温精度 返回的信号弱 ， 大功率光源 41 (5)分布式光纤传感技术的应用 42 分布式光纤传感技术的应用 周界防护 光缆传感监控系统工程施工实例 根据防范的不同场合和要求 ， 光纤可以构成各种形状 ， 环 臵于需要防范的周界处的适 当位臵 ， 当入侵者侵入时 ， 系统都会发出告警信号 43 光波所为国庆 60周年通州阅兵村提供的光缆 预警系统采用的就是分布式光纤传感技术 分布式光纤传感技术用于航空领域的多参量监测 太空飞船 X-38的再入式实验飞行器 （ NASA图片 ） 传感器布测区域 a.分布式温 度传感方案 b.分布式应力传感方案 输出信号 沿光纤传输光的 背向散射分量 光纤温度传 感元平面 温度场分布 输入信号 埋入光纤 应力传感 元 输入信号 输出信号 光纤监测网 损伤探测 光纤蒙皮 45 分布式光纤传感技术的应用 管道泄露监测 46 各种分布式光纤传感技术的应用 传感原理 传感监测量 应用领域 B-OTDR 应力，温度 管道泄露监测，结构健 康监测等 R-OTDR 温度 油气油井里温度分布监 测、 管道泄露监测等 M-Z 微振动 周界防护 等 Sagnac 较有规律 的微振动 气体管道泄露 监测 、 周 界防护等 47