分布式光纤传感技术

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,*,*,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,*,*,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,*,*,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,*,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,*,*,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,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,光纤传感技术的进展,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。,抗电磁干扰力量强。,非侵入性。,高灵敏度。,简洁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,依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,依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,依据光是否发生干预,可分为干预型和非干预型,依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.依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力量和检测力量的光纤(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.依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展调制,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、吸取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,其根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预效果发生变化，通过检测干预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。,6,依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展监测的传感器。,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 光纤传感技术的进展,1.进入有用化阶段，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；,消失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构造；,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牢靠的先进光纤式仪表等。很多特殊场合核工业、化工和石油钻探中也都应用了光纤传感系统。,依据市场调查分析公司BusinessCommunicationsCompany公布的关于光纤传感器的市场报告，从2023年到2023年，全球光纤传感器FOS的整体市场将保持适度增长态势，估计平均年复合增长率为4.1%，至2023年，全球产值将达为3.72亿美元。,9,光纤传感技术的进展,2.新的传感技术不断消失，促进了相关领域技术的进展。,例如，光纤传感网络的消失，促进了智能材料和智能构造的进展；光子晶体光纤用于传感的可能性促进了光子晶体的进展等。,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,光纤传感技术的进展,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,光纤传感技术的进展,3 原理性争论仍处于重要位置,由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已被广泛承受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，很多关键技术仍旧停留在试验室样机阶段，距商业化还有肯定的距离。,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展传感，是其突出优点。,传感和传光为同一根光纤，传感局部构造简洁，使用便利。,与点式传感器相比，单位长度内信息猎取本钱大大降低，性价比高。,13,分布式光纤传感器的特征参量,空间区分率,指分布式光纤传感器对沿光纤长度分布的被测量进展测量时所能区分的最小空间距离。,时间区分率,指分布式光纤传感器对被测量监测时，到达被测量的区分率所需的时间。,被测量区分率,指分布式光纤传感器对被测量能正确测量的程度。,以上三个区分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干预式传感器,Sagnac干预式传感器,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,.,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预，将相位的变化转变为光强的变化进展检测，之后再解调获得相位变化,光的干预,光的干预条件：,相干光源S1、S2发出的光波在空间P点相遇，两列波在P点的干预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：,频率一样 振动方向一样 相位差恒定,(1)M-Z干预型光纤传感器用作分布式振动传感,随机干扰,干预臂相位的随机变化,干预仪输出功率的随机变化,以M-Z干预仪作为周界监控系统时，入侵大事消失将导致接收信号功率的变化,18,M-Z干预型光纤传感器的信号处理,信号处理的目标1).对干扰大事进展定性,通过解调获得干扰臂的相位变化，进而依据相位变化状况分析干扰产生缘由。,19,利用,3*3,耦合器解调原理图,M-Z干预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置。,A点和B点分别对应M-Z干预仪两个耦合器的位置。P点是干扰发生的位置,使用时使干预仪两臂中同时存在顺时针和逆时针传输的光,20,信号处理的目标2).对干扰大事进展定位,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干预仪,在计算机中对PD1和PD2接收到的光信号进展相互关计算，就可以获得干扰消失的时延差，继而实现干扰定位,利用M-Z干预仪进展分布式传感的系统构造图,21,(2)光纤SAGNAC干预型分布式传感器,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预。,当传感光纤没有受到干扰时，干预现象趋于稳定；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预，干预信号的光强与干扰发生位置具有肯定关系。,R,1,R,2,Sagnac干预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干预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,零点频率发生在,干扰源位置,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置即可获得干扰源的位置,上有干扰时间强信号的理论计算值下试验值,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、弯曲或其他类似大事而产生散射、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状况。,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置。,d为大事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,脉冲的重复频率打算了可监测的光纤长度，而脉冲的宽度打算了空间定位精度10ns宽度对应空间区分率1m。,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,布里渊散射产生气理,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肯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。,分为自公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：,介质折射率,入射光频率,介质中声速,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：,f,B,=f,B0,+f,T,T()+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：,P,B,=P,B0,+P,T,T()+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,频移和光功率，就可