分布式光纤传感原理

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,分布式光纤传感,准分布式光纤传感原理,将呈一定空间分布的相同类型的光纤传感器耦合到一根或多根光纤总线上，通过寻址、解调，检测出被测量的大小及空间分布，光纤总线仅起传光作用。,寻址方式,时分复用（,TDM-Time Division Multiplex),波分复用（,WDM-Wavelength Division Multiplex),偏分复用（,PDM-Polarization Division Multiplex),空分复用（,SDM-Space Division Multiplex),频分复用（,FDM-Frequency Division Multiplex),时分复用（,TDM,）,光纤对光波的延迟效应来寻址,脉宽小于光纤总线上相邻传感器的传输时间,光纤总线输入端注入，各传感器距光脉冲发射端距离不同。,接收到每个脉冲对应一个传感器，延时对应地址,光脉冲变化量反映该点被测量的大小,时分复用示意图,光时域反射（,OTDR,）技术,Optical Time Domain,Reflectometry,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,利用拉曼散射,R-OTDR,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,7,光学声子,利用,OTDR,技术测量光纤沿线背向反射光功率的结果,衰减系数,基于瑞利散射的传感系统,后向散射,入射光脉冲,光源,检测器,基于拉曼散射的分布式光纤传感技术,斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比和温度关系：,Anti-stokes,光强会随温度变化。,Stokes,光强与温度无关,其中,a,为与温度,相关的系数,优点：两个光强之比，与光源强度无关，因此光纤老化，,损耗，仍可保证测温精度。,传感器系统,测温区域,Raman,散射光,两个滤波器,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。,基于,布里渊,散射的分布式光纤传感技术,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,14,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，并将时间与位置相对应，即可获得沿光纤各位置处的布里渊频谱图，并获得异常的布里渊频移量和散射光功率。,15,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,16,波分复用（,WDM,）,通过光纤总线上各传感器的调制信号的特征波长来寻址。,宽带光束注入光纤，各个传感器的特征波长不同，通过滤波系统求出被测信号的大小和位置,波分复用示意图,FBG,传感器在隧道锚杆支护结构监测的应用研究,频分复用和空分复用,将多个光源调制在不同的频率上，经过各分立的传感器后汇集在光纤总线上，每个传感器的信息包含在总线信号中的对应频率上。,空分复用是将各个传感器的接受光纤的终端按空间位置编码，通过扫描机构控制选通光开光选址。,分布式光纤传感技术的应用,22,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，环置于需要防范的周界处的适当位置，当入侵者侵入时，系统都会发出告警信号,23,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,24,光纤蒙皮,分布式光纤传感技术的应用,管道泄露监测,25,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,26,