分布式光纤传感技术课件.ppt

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1、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。3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

2、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。4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5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涉，将相位

3、的变化转变为光强的变化进行检测，之后再解调获得相位变化光的干涉光的干涉条件：相干光源S1、S2发出的光波在空间P点相遇，两列波在P点的干涉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：①频率相同②振动方向相同③相位差恒定(1)M-Z干涉型光纤传感器用作分布式振动传感随机干扰干涉臂相位的随机变化干涉仪输出功率的随机变化以M-Z干涉仪作为周界监控系统时，入侵事件出现将导致接收信号功率的变化8M-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。利用3*3耦合器解

4、调原理图9M-Z干涉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干涉仪两个耦合器的位置。P点是干扰发生的位置使用时使干涉仪两臂中同时存在顺时针和逆时针传输的光信号处理的目标——2).对干扰事件进行定位（适用于周界监控及管道监控等应用）10耦合器C2和C3构成M-Z干涉仪在计算机中对PD1和PD2接收到的光信号进行互相关计算，就可以获得干扰出现的时延差，继而实现干扰定位利用M-Z干涉仪进行分布式传感的系统结构图11(2)光纤SAGNAC干涉型分布式传感器激光器发出的光经耦

5、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。R1R2Sagnac干涉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12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-OTDR13(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

6、弹性散射斯托克斯光反斯托克斯光14（2）光时域反射(OTDR)技术光时域反射(OTDR：OpitcalTime-DomainReflectometry)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。15光时域反射(OTDR)

7、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）。16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

8、射。多普勒效应使散射光频率不同于入射光。18BOTDR——布里渊散