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分布式光纖傳感技術與應用 內容概要 光纖傳感技術簡介 光纖傳感器的分類 光纖傳感技術的發(fā)展 分布式光纖傳感技術 相位調制型分布式傳感器 散射型分布式傳感器 分布式光纖傳感技術的應用 分布式光纖傳感技術 利用光波在光纖中傳輸的特性，可沿光纖長度方向連續(xù)的傳感被測量（如溫度、壓力、應力和應變等） 光纖既是傳感介質，又是被測量的傳輸介質。 優(yōu)點： 可在很大的空間范圍內連續(xù)的進行傳感，是其突出優(yōu)點。 傳感和傳光為同一根光纖，傳感部分結構簡單，使用方便。 與點式傳感器相比，單位長度內信息獲取成本大大降低，性價比高。 分布式光纖傳感器的特征參量 空間分辨率 指分布式光纖傳感器對沿光纖長度分布的被測量進行測量時所能分辨的最小空間距離。 時間分辨率 指分布式光纖傳感器對被測量監(jiān)測時，達到被測量的分辨率所需的時間。 被測量分辨率 指分布式光纖傳感器對被測量能正確測量的程度。 以上三個分辨率之間有相互制約的關系。 典型的分布式光纖傳感器 相位調制型傳感器 Mach-Zehnder干涉式傳感器 Sagnac干涉式傳感器 散射型傳感器 布里淵散射型光纖傳感器 拉曼散射型光纖傳感器 相位調制型光纖傳感器 相位調制 當光纖受到機械應力作用時，光纖的長度、芯徑、纖芯折射率都將發(fā)生變化，這些變化將導致光波的相位變化. (1)M-Z干涉型光纖傳感器用作分布式振動傳感 M-Z干涉型光纖傳感器的信號處理 信號處理的目標——1).對干擾事件進行定性 通過解調獲得干擾臂的相位變化，進而根據相位變化情況分析干擾產生原因。 M-Z干涉型光纖傳感器的信號處理 (2) 光纖Sagnac干涉型分布式傳感器 激光器發(fā)出的光經耦合器分為兩束分別耦合進由同一光纖構成的光纖環(huán)中，沿相反方向傳輸，并于耦合器處再次發(fā)生干涉。 當傳感光纖沒有受到干擾時，干涉現象趨于穩(wěn)定；受到外界干擾時，正反向兩光束會產生不同的相移，并于耦合器處發(fā)生干涉，干涉信號的光強與干擾發(fā)生位置具有一定關系。 散射型光纖傳感器 利用背向瑞利散射——OTDR 利用布里淵散射——B-OTDR、 B-OTDA 利用拉曼散射——R-OTDR (1)光纖中的背向散射光分析 （2）光時域反射 (OTDR)技術 光時域反射 (OTDR：Opitcal Time-Domain Reflectometry)技術最初被用于檢驗光纖線路的損耗特性以及故障分析。 當光脈沖在光纖中傳輸的時候，由于光纖本身的性質、連接器、接頭、彎曲或其他類似事件而產生散射、反射，其中背向瑞利散射光和菲涅爾反射光將返回輸入端（主要是瑞利散射光，瑞利散射是光波在光纖中傳輸時由于光纖纖芯折射率在微觀上的起伏而引起的線性散射，是光纖的固有特性）。 光時域反射計將通過對返回光功率與返回時間的關系獲得光纖線路沿線的損耗情況。 光時域反射 (OTDR)技術 散射型分布式傳感技術對被測量的空間定位多基于光時域反射 技術，即向光纖中注入一個脈沖，通過反射信號和入射脈沖之間的時間差來確定空間位置。 d為事件點距離系統(tǒng)終端的距離，c為真空光速，n為光纖有效折射率 脈沖的重復頻率決定了可監(jiān)測的光纖長度，而脈沖的寬度決定了空間定位精度（10ns寬度對應空間分辨率1m）。 利用OTDR技術測量光纖沿線背向反射光功率的結果 (3)BOTDR——光時域布里淵散射光纖傳感器 布里淵散射產生機理 是入射光與聲波或傳播的壓力波相互作用的結果，這個傳播的壓力波等效于一個以一定速度移動的密度光柵。因此布里淵散射可以看成是入射光在移動光柵上的散射。 多普勒效應使散射光頻率不同于入射光。 BOTDR——布里淵散射 量子光學描述：入射光波（泵浦）與介質內彈性聲波場作用中，一泵浦光子湮滅產生一聲學聲子和散射(Stokes)光子。 散射光與泵浦波的傳播方向相反，與入射波的頻移（在1.55mm處）約為：fB=11.1GHZ。 分為自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射兩種 BOTDR——傳感原理 BOTDR——傳感原理 布里淵散射光頻移會隨著溫度和光纖應變的上升而線性增加： fB=fB0+ f TT(℃)+ f εε(με) 布里淵散射光功率會隨溫度的上升而線性增加，隨應變增加而線性下降： PB=PB0+ P TT(℃)+ P εε(με) BOTDR——布里淵頻移系數 對于溫度的布里淵頻移系數是1.22M/度（@1310nm），1M/度（@1550nm） 對于應力的布里淵頻移系數是581M/%（@1310nm），493M/%（@1550nm） 溫度的影響較小 BOTDR與BOTDA( Brillouin Optical Time Domain Analysis) BOTDR——定位原理 BOTDR——優(yōu)缺點 優(yōu)點： 1. 連續(xù)分布式測量溫度和應變2. 高溫度和應變分辨率4. 高空間分辨率5. 超長傳感范圍(超過80公里)6. 同一根光纖既可用于傳感，也可用于通信 缺點： 需要激光器的輸出穩(wěn)定、線寬窄，對光源和控制系統(tǒng)的要求很高； 由于自發(fā)布里淵散射相當微弱（比瑞利散射約小兩個數量級），檢測比較困難，要求信號處理系統(tǒng)具有較高的信噪比; 由于在檢測過程中需進行大量的信號加法平均、頻率的掃描等處理，因而實現一次完整的測量需較長的時間，實時性不夠好。 檢測30km 光纖沿線的應變， 空間分辨力可達1m。 應變精度: 20 μe (0.002%) 溫度精度 : 1°C 取樣時間 : 20 s 至 5 min (典型值：2 min) （3）ROTDR——光時域拉曼散射光纖傳感器 拉曼散射產生機理： 在任何分子介質中，光通過介質時由于入射光與分子運動相互作用會引起的頻率發(fā)生變化的散射，此過程為拉曼散射 量子力學描述：分子吸收頻率為 V0的光子，發(fā)射V0-Vi的光子，同時分子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)（對應斯托克斯光）；分子吸收頻率為V0的光子，發(fā)射V0+Vi的光子，同時分子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)（反斯托克斯光）。 ROTDR——傳感原理 拉曼散射由分子熱運動引起，所以拉曼散射光可以攜帶散射點的溫度信息。 反斯托克斯光的幅度強烈依賴于溫度，而斯托克斯光則不是。則通過測量斯托克斯光與反斯托克斯光的功率比，可以探測到溫度的變化。 由于自發(fā)拉曼散射光一般很弱，比自發(fā)布里淵散射光還弱10dB，所以必須采用高輸入功率，且需對探測到的后向散射光信號取較長時間內的平均值。 此方法上世紀80年代就已被提出，并商用化。 ROTDR——傳感原理 幾種散射式傳感技術的比較 (5)分布式光纖傳感技術的應用 分布式光纖傳感技術的應用——周界防護 分布式光纖傳感技術用于航空領域的多參量監(jiān)測 分布式光纖傳感技術的應用——管道泄露監(jiān)測 溫度測量原理 各種分布式光纖傳感技術的應用gAe紅軟基地

光纖傳感技術測量應變PPT課件：這是一個關于光纖傳感技術測量應變PPT課件，包括了前言，強度調制型光纖傳感器，相位調制型光纖傳感器，頻率調制型光纖傳感器，波長調制型光纖傳感器，偏振態(tài)調制，特種光纖簡介，光纖傳感器的發(fā)展趨勢等內容，第八章內容提要 ●8.1前言 ●8.2強度調制型光纖傳感器 ●8.3相位調制型光纖傳感器 ●8.4頻率調制型光纖傳感器 ●8.5波長調制型光纖傳感器 ●8.6偏振態(tài)調制 ●8.7特種光纖簡介 ●8.8光纖傳感器的發(fā)展趨勢 ●光纖傳感器的原理 ●光纖傳感器的特點 ●光纖傳感器的分類 ●光纖傳感器的應用 表征光波的特征參量因外界因素的作用而間接或直接地發(fā)生變化，從而可將光纖用作傳感元件來探測各種物理量。圖1 光纖傳感原理示意圖 ★ 光纖傳感器的特點 與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器的主要特點： ◎抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，本質安全 ◎重量輕、體積小、外形可變 ◎對被測介質影響較小,靈敏度高 ◎便于復用，便于成網 ◎測量對象廣泛,成本低 ★ 光纖傳感器的分類 一般分為兩大類： ◎功能性傳感器 利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件 又稱傳感型光纖傳感器，采用單模光纖 ◎非功能性傳感器 光纖僅作為傳光介質，需借助其它敏感元件 又稱傳光型光纖傳感器，常用多模光纖 根據光調制手段的不同，光纖傳感器 又可分為： ◎強度調制型 ◎相位調制型 ◎偏振態(tài)調制型 ◎頻率調制型 ◎波長調制型 ★ 光纖傳感器的應用 光纖傳感器可以探測的物理量很多，可以探測位移、壓力、溫度、流量、速度、加速度、振動、轉動、彎曲、應變、磁場、電壓、電流以及化學量、生物醫(yī)學量等等，其中有的傳感器已形成商品，可供實際應用，歡迎點擊下載光纖傳感技術測量應變PPT課件哦。