分布式光纤传感器的特性研究

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1、第1苹绪论动和损伤等信息，从而可以实现长距离连续测控，并由此形成具备一定规模的监测网，提高监测水平。(6)传输容量大：由于光纤可以传输大容量信息，因此以光纤为母线，收集各传感点的信息，来代替笨重的多芯水下电缆。并且通过复用技术，还可以实现准分布式的光纤监测。(7)使用寿命长：光纤的主要材料是石英玻璃(塑料光纤一般比较少见)，外裹高分子材料的包层，这使得它具有相对于金属传感器更大的耐久性。尤其是在土木工程中，地下水是一个不可回避的重要问题，光纤的这种特性减弱了地下水对传感器的腐蚀影响，从而提高使用寿命。(8)轻细柔韧便于安装埋设

2、：光纤的这一特性，使它在埋入混凝土的过程中，避免了匹配的问题，便于安装埋设。此外，光纤损耗小、频带宽，具有高的数据传输率，并且具有几何形状灵活，易于远距离监控和多功能传感等优点，使得它在建筑桥梁、电力工程、煤炭化工、地质探矿、石油勘探、地震波检测、医疗卫生、军事制导等领域【2】有着极为重要的应用。1．2．3分布式光纤传感的主要内容从20世纪70年代末提出到现在短短几十年里，分布式光纤传感技术得到了很快发展，主要有以下四个方面的内容：(1)基于瑞利散射的分布式光纤传感技术在注入光功率不高的情况下，光纤材料分子的布朗运动将产生声学

3、噪声，当这种声学噪声在光纤中传播时，压力差将引起光纤材料折射率的变化，从而对传输光产生自发散射作用，光纤中的光散射主要包括瑞利散射(RayleighScattering)、拉曼散射(RamanScattering)和布里渊散射(BrillouinScattering)三种类型的光散射。光纤中最强的散射过程是瑞利散射，但它也大约只是入射光的．45dB。从物理上来讲，瑞利散射是由光纤中非传播局域密度的不均匀和成分的不均匀所致。在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射(OTDR)结构来实现被测量的空间定位。基于后向瑞利

4、散射的传感技术是现代分布式光纤传感技术的基础，它在80年代初期得到了广泛的发展，然而由于该技术测量精度低、传感距离短，目前关于这方面的研究报道越来越少。(2)基于拉曼散射的分布式光纤传感技术当光波通过光纤时，光纤中的光学光子和光学声子产生非弹性碰撞，产生拉曼散射过程，在光谱图上拉曼散射频谱具有两条谱线，分别分布在入射光谱线的两侧。其中，波长大于入射光为斯托克斯光(Stokes)，波长小于入射光为反斯托北京工业大学理学硕士论文克斯光(anti．Stokes)。自发拉曼散射中，斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比和温度存在一定的关系，

5、二者之比仅是介质所处温度的函数，而与注入光源的光功率等其它条件无关。因此，拉曼散射光的传感系统大多用来测量温度。目前，该类传感器的一些产品已出现在国际、国内市场，其空间分辨率和温度分辨率已分别达到1m、1oC，测量范围4～10km。(3)布里渊散射的分布式光纤传感技术在光纤中传播的光波，其大部分是前向传播的，但由于光纤的非结晶材料在微观空间存在不均匀结构，有一小部分光会发生散射。布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，在不同的条件下，布里渊散射又分别以自发散射和受激散射两种形式表现出来。自从Hodguc

6、hi和Culvethouse等人首次分别提出利用布里渊散射频移特性作为分布式应变和温度传感以来，在世界范围内，众多研究人员展开了基于布里渊散射的传感系统的研究，取得了可喜的成绩。目前，基于布里渊散射的温度和应变传感技术的研究主要集中在三个方面：基于布里渊光时域反射(BOTDR)技术的分布式光纤传感技术；基于布里渊光时域分析(BOTDA)技术的分布式光纤传感技术；基于布里渊光频域分析技术(BOFDA)的分布式光纤传感技术。(4)基于前向传输模耦合的分布式光纤传感技术该传感器的一般形式是，光的入射与探测分别处于光纤的两端。如果传感

7、光纤支持不同传播速度的两种传输模，那么在一定外界条件的作用下，光纤本征传输模的部分能量就会耦合到另一传输模中去。因此在光纤另一端输出的耦合模强度就能反映出被测量的大小，两传输模之间的延迟时间则反映出耦合点的位置。1．2．4国内外研究现状及发展方向由于分布式光纤传感技术能够实现大范围测量场中分布信息的提取，因而它可解决目前测量领域的众多难题，如：分布式温度传感器可用于大、中型变压器、发电机组和油井的温度分布测量，大型仓库、油库、高层建筑、矿井和隧道的火灾防护及报警系统等领域；分布式应力传感器可用于桥梁、堤坝等设施的安全检测，航空

8、、航天飞行器等大型设备老化程度的检测，智能材料制备等领域【3】。在分布式光纤传感技术发展的短短几十年里，产生了一系列分布式光纤传感机理和测量系统，并在多个领域得以逐步应用，图1-2展示了光纤传感的部分应用。目前，这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。国卜2光纤传感的