常识光纤传感技术ppt下载

xubin · 发表于 2023-8-18 11:33:18

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　　分布式光纤传感技术与应用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。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。典型的分布式光纤传感器相位调制型传感器 Mach-Zehnder干涉式传感器 Sagnac干涉式传感器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. (1)M-Z干涉型光纤传感器用作分布式振动传感 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。 M-Z干涉型光纤传感器的信号处理 (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置具有一定关系。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 (1)光纤中的背向散射光分析（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。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）。利用OTDR技术测量光纤沿线背向反射光功率的结果 (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 BOTDR——传感原理 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 εε(με) 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 εε(με) 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 BOTDR与BOTDA( Brillouin Optical Time Domain Analysis) BOTDR——定位原理 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。检测30km 光纤沿线的应变，空间分辨力可达1m。应变精度: 20 μe (0.002%) 温度精度 : 1°C 取样时间 : 20 s 至 5 min (典型值：2 min) （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）。 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。 ROTDR——传感原理几种散射式传感技术的比较 (5)分布式光纤传感技术的应用分布式光纤传感技术的应用——周界防护分布式光纤传感技术用于航空领域的多参量监测分布式光纤传感技术的应用——管道泄露监测温度测量原理各种分布式光纤传感技术的应用k9c红软基地

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