分布式光纤传感器简介共35页
分布式光纤传感系统介绍
分布式光纤传感系统的关键技术’2
•
光纤传感技术及传感器封装技术
通过光纤传感光路的设计，实现光信号的稳定性 和信号解调的可靠性，并设计合理的封装结构保 证光纤传感不受环境变化的影响，提高传感系统 的可靠性，要解决以下问题：
―
选择合理搭配的光学器件，降低光学损耗和色散。
―
―
设计合理的光路结构，实现合理的光学解调方案，并 保证光学系统工作的可靠性。
• 分组计划
按工作任务分成四个小组 – 激光光源驱动电路设计组：光源设计 – 光纤传感链路及传感器封装设计组：光路设计 – 光电转换与信号采集电路设计组，含A/D转换 与数据存储：信号采集 – 数字信号处理与信号解调组：信号处理 – 系统主机结构设计：信号采集组负责
分布式光纤传感系统的研究计划’2
• 任务计划（光源设计组与信号采集组）
– 完成设计指标分析 – 完成电路设计原理分析与成本核算 – 完成电路原理图设计与分析 – 完成电路PCB和系统机械结构的设计与分析 – 完成PCBA和系统机械件的加工 – 完成PCBA的调试 – 参与系统调试与系统优化
分布式光纤传感系统的研究计划’3
• 任务计划’2（光路设计组）
分布式光纤传感系统的关键技术’5
― A/D转换的精度； ― A/D转换的参考电源的稳定性； ― 采集数据的存储与传输速率。
1、每完成一次完整的测试，要对5千个点做2 个（stokes和 anti-stokes）采样，每个点要采样20万次，因此，一次测试 完成后的数据量为： N＝2 ×5 ×103 ×2 × 105=2G(字节）＝16G（比特） 2、数据传输要求在20s的时间内完成数据传输和处理，则 要求的数据传输 为： V=N/20=16G/20=800 (Mbps)
布里渊散射分布式光纤传感器综述
基于布里渊散射的分布式光纤传感器综述一引言光纤传感器具有无辐射干扰、抗电磁干扰性好、化学稳定性好等优点，受到越来越多的重视。
其中分布式光纤传感器（DOFS）不仅具有一般光纤传感器的优点，而且可以在沿光纤的路径上同时得到被测量场在时间和空间上的连续分布信息。
能做到对大型基础工程设施的每一个部位都象人的神经系统一样进行远程监控。
因此具有广范的应用前景，在民用和国防诸如城市煤气管道、城市输电/通信缆线、海底输油气管道、海底电缆、水库水坝、桥梁、隧道、高速公路、大型设施等建筑物的应力温度检测方面有独特的优势，因此受到越来越多的重视。
由于分布式光纤传感器具有其它传感技术无法比拟的优点，因此成为目前传感技术研究领域的热点之一。
目前对它的研究主要集中在以下三个方面：（1） 基于瑞利散射的分布式光纤传感技术；（2） 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术；（3） 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。
瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的，散射光的频率与入射光的频率相同．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，基于瑞利散射的研究已经趋于成熟, 并逐步走向实用化。
基于后向瑞利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．然而由于该技术难以克服测量精度低、传感距离短的缺陷，目前在这方面的研究已鲜有报道．拉曼散射DOFS利用的是光纤中的自发拉曼散射光，信号微弱，较自发布里渊散射信号约低一个数量级，因此传感性能较低且难以实现几十公里以上的长距离传感；另外拉曼散射只对温度敏感，难以用于地质、建筑结构等的健康检测。
而光纤的布里渊散射对温度和应变都敏感，通过检测来自传感光纤的布里渊散射光的频移和强度，布里渊散射DOFS得到沿光纤分布的温度或应变信息；并且工作于1.55μm波长附近的布里渊散射DOFS，光信号受到的衰减和色散较小，从而使得布里渊散射DOFS适合于长距离（大于几十千米）分布式传感。
《分布式光纤传感器》课件
03Leabharlann 交通用于监测高速公路、 铁路和桥梁的结构健 康，确保交通安全。
04
环保
用于监测土壤、水和 空气的质量，以及污 染源的定位。
分布式光纤传感器的优势与局限性
优势 同时测量沿光纤分布的温度和应变等物理量； 高精度、高灵敏度和高分辨率；
分布式光纤传感器的优势与局限性
测量距离长，可实现连续监测； 耐腐蚀、抗电磁干扰和本征安全。
分布式光纤传感器的成本和稳定性问题也需要得到解决，以便更好地推广和应用。
分布式光纤传感器与其他传感器的集成和协同工作需要进一步研究，以提高监测系 统的整体性能和稳定性。
对未来研究和应用的建议
鼓励产学研合作，加强分布式 光纤传感器技术的研发和应用 研究，推动技术进步和产业发
展。
加强国际合作与交流，借鉴 国外先进技术和发展经验， 提高我国分布式光纤传感器
技术的国际竞争力。
鼓励企业加大投入，推动分布 式光纤传感器技术的商业化应 用，拓展应用领域和市场空间
。
THANKS
感谢观看
开发新型分布式光纤传感器技术
新材料
探索新型的光纤材料和光学器件，以 提高分布式光纤传感器的性能和功能 。
新原理
研究新的分布式光纤传感原理和技术 ，以拓展其应用领域和解决现有技术 的局限性。
05
结论
Chapter
分布式光纤传感器的重要性和应用前景
分布式光纤传感器在长距离、大范围监测中具 有明显优势，可广泛应用于石油、天然气、电 力等行业的安全监测和预警系统。
预警系统
利用分布式光纤传感器监测建筑物周围的环境变化，如地震、风力和 温度等，及时发出预警，预防潜在的自然灾害和人为破坏。
04
分布式光纤温度传感器
1研究背景（执笔人：）温度是度量物体冷热程度的物理量，许多物理现象和化学过程都是在一定温度下进行，人们的日常生活也和温度密切相关。
随着科学技术的迅猛发展，对温度的测量也提出了更多更高的要求。
以电信号为工作基础的传统的温度传感器，如热电偶、热敏电阻、热释电探测器等温度传感器的发展已经非常成熟，但在有强电磁干扰或易燃易爆的场合下，基于电信号测量的传统温度传感器便受到很大的限制。
光纤温度传感与测量技术是仪器仪表领域重要的发展方向之一。
由于光纤具有体积小、重量轻、可挠、电绝缘性好、柔性弯曲、耐腐蚀、测量范围大、灵敏度高等特点，对传统的传感器特别是温度传感器能起到扩展提高的作用，完成前者很难完成甚至不能完成的任务。
光纤传感技术用于温度测量，除了具有以上特点外，与传统的温度测量仪器相比，还具有响应快、频带宽、防爆、防燃、抗电磁干扰等特点。
在科研和工程技术中，有许多场合需要确定温度的分布，例如长距离输油管道、通信电缆或电力电缆等管道的沿线温度场分布，大型电力变压器内部的温度场分布等。
传统的电温度传感器不能工作在强电磁环境中，也不宜在易燃、易爆环境或腐蚀性环境中工作，对于采用点式温度传感器实现温度的分布测量还存在难于安装、难于布线、难于维护的问题。
分布式光纤温度传感器可实现沿光纤连续分布的温度场的分布式测量，测试用光纤的跨距可达几十千米，空间分辨率高、误差小，与单点、多点准分布测量相比具有较高的性格比。
与传统的传感器相比，分布式光纤温度传感器具有诸多优点：集传感与传输于一体，可实现远距离测量与监控；一次测定就可以获取整个光纤区域的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被设区域的二维和三维分布情况；能在一条长达数千米的传感器光纤环路上获得几十、几百甚至几千条信息，因此单位信息成本显著降低；测量范围宽，具有高空间分辨率和高精度；在具有强电磁干扰或易燃易爆以及其他传感器无法接近的恶劣环境下，分布式光纤温度传感器具有无可比拟的优点。
分布式光纤传感器ppt课件
1
k
ln a
ln
Ias Is
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h: 普朗克常数 c: 真空光速 v0: 入射光频率 k: 波尔兹曼常数 T: 绝对温度
18
ROTDR温度传感器结构
➢ 实际中可用滤波器滤出拉曼光的斯托克斯部分与 反斯托克斯部分，然后处理所得数据得到温度。 其基本结构如下：
图10 ROTDR温度传感结构
图13 B完O整T编D辑Rpp结t 构图
22
BOTDR的周界入侵报警系统
➢报警方式。 先测量没有入侵事件时整条光缆的应变分布情况， 将应变曲线作为参考值。在入侵报警探测时，每一 次扫频测量完毕，都将测得的应变曲线与参考应变 曲线相减，观察得到的应变差值曲线，若其中的应 变值超出了设定的警戒值，即触发报警。
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17
ROTDR传感原理
➢拉曼散射光中斯托克斯光的光强与温度无光，而
反斯托克斯光的光强会随温度变化。反斯托克斯光
光强Ias和斯托克斯光光强Is之比与温度的关系可表示
为：
I as
hc 0
a e kT
Is
a为与温度相关的系数。
➢于是通过实测斯托克斯-反斯托克斯光强之比可计
算出温度：
T hc0
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布里渊散射分布式传感器（BOTDR）
➢ 布里渊散射的频移分量由声波产生的移动光栅引 起，光栅以声速在光纤中传播，且声速与光纤温 度和应力有关，两个布里渊频移分量均携带光纤 局部温度与应力信息。
➢ 散射光的布里渊频移随温度和应力的变化见图1的 散射图谱。点击进入散射光谱图
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图14完整光编缆辑p的pt 固定
23
谢谢！
光纤分布式应变和温度传感器(DSTS)
<=80 km
0.2 °C/4 με
<=90 km
0.4 °C/8 με
<=100 km
0.4 °C/8 με 0.2 °C/4 με
BOTDA典型测量精度（所有采样时间小于100秒）
空间分辨率
光纤长度
1m
2.5 m
1 km ± 0.8 °C / ± 16με
2 km ± 1.2 °C / ± 24με
OZ光学公司提供完整的光纤传感器探头、组件、封装和培训服务。自从1985年以来，OZ光学公司的标准光纤产品已被广 泛地应用于高性能传感器和通信产品中。OZ光学公司也提供特殊的光纤传感器探头，客户也可定制在高温和其它恶劣及腐 蚀环境下使用的光纤光缆。在结构和油气管道监测方面有经验的系统集成商将会发现OZ光学公司提供了一整套安装和维护 光纤系统的极佳产品和服务。如果你正在筹划油气管线或结构监测项目，请接洽OZ光学公司以便了解更多的光纤解决方案。
DSTS BOTDA 测量时间从1秒到10分钟不等，取决于应用需求。下面的表格提供了部分在常用精度要求：优于±0.5°C和±10με 下的数据指标。所有测量时间均小于1分40秒。
这个表格并不能完全反映设备可以达到的优异性能。四个参数进行微调可以得到更好的结果。比如，对50km长度光纤的温 度/应变测量，2米空间分辨率下，可以实现精度0.2°C/4με，但是需要延长测量时间到3分45秒。另外一个例子是：对100km长 光纤，6米空间分辨率可以达到0.4°C/8με，但是需要延长测量时间到4分38秒，而同样的100km光纤，精度达到0.1°C/2με，可 以通过增加空间分辨率到50m，而时间则可以缩短到3分48秒。
动态范围
30dB
>15dB
分布式光纤传感技器
（1）衰减死区 从反射点开始到接收机恢复到后向散射电平约0.5dB的范围内的这段距离。 也就是OTDR能再次测试损耗和衰减的点。 （2）事件死区 从OTDR接收到的反射点开始，到OTDR恢复到最高反射点1.5dB以下这段 距离。在这以后才能发现是否还有地二个反射点，但还不能测试损耗和衰 减。
由光源、传感、信号处理和显示三部分组成。
光源
光纤耦合器
光探测器
光放大器
被测光纤 示波器 信号处理
关键技术：① 大功率、窄脉冲输出，② 低噪声、高灵敏度光探测，
5
③ 高速率信号处理
6 分布式光纤传感器的特征参量
① 空间分辨率 对沿传感光纤的长度分布的被测量进行测量时所能分辨的最小空间距离
。影响因素： 脉冲的持续时间，探测器的响应时间。
▪ 30 km的FGC-30拉曼测温系统，其空间分辨率为3m、
温度分辨率为0.1℃、测温范围为0～+100℃
测温原理
斯托克斯光：波长大于入射光 反斯托克斯光：波长小于入射光
Is 斯托克斯光光强 Ias 反斯托克斯光光强
温度变化
测温原理：Ias/Is＝ae-kcv/kT
Is不变 Ias变化
光源
耦合器
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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。
② 时间分辨率 传感器对被测量进行测量时，达到被测量的分辨率所需的时间。表征传
分布式光纤传感器 分类
分布式光纤传感器1. 简介分布式光纤传感器（Distributed Fiber Optic Sensor，简称DFOS）是一种利用光纤作为传感器的传感技术。
光纤传感器将光纤作为传感元件，通过测量光纤中的光信号的改变，实现对物理量的测量和监测。
相比传统传感器，分布式光纤传感器具有全光电传输、大范围、高灵敏度、抗电磁干扰等优点，被广泛应用于工业、军事、交通、环境监测等领域。
2. 工作原理分布式光纤传感器的工作原理基于光纤中的光信号的改变。
一般来说，光纤传感器可以通过两种方式实现对物理量的测量：基于光纤的干涉原理和基于光纤的散射原理。
2.1 基于光纤的干涉原理基于光纤的干涉原理是利用光纤中的光信号的干涉现象来测量物理量。
光纤传感器一般采用光纤的两个光束进行干涉，通过测量干涉光信号的强度或相位变化，来获得物理量的信息。
2.2 基于光纤的散射原理基于光纤的散射原理是利用光纤中的光信号的散射现象来测量物理量。
光纤传感器通过测量散射光信号的强度、频谱或时间延迟等参数的变化，来获得物理量的信息。
3. 分类根据传感原理、传感方式和应用领域的不同，分布式光纤传感器可以分为多个分类。
下面将介绍几种常见的分类方式。
3.1 基于传感原理的分类根据传感原理的不同，可以将分布式光纤传感器分为基于干涉原理和基于散射原理的两类。
3.1.1 基于干涉原理的分布式光纤传感器基于干涉原理的分布式光纤传感器主要包括光纤干涉仪、光纤布拉格光栅传感器等。
这类传感器通过测量光纤中的干涉光信号的强度或相位变化，实现对物理量的测量。
3.1.2 基于散射原理的分布式光纤传感器基于散射原理的分布式光纤传感器主要包括光纤布里渊散射传感器、光纤拉曼散射传感器等。
这类传感器通过测量光纤中的散射光信号的强度、频谱或时间延迟等参数的变化，实现对物理量的测量。
3.2 基于传感方式的分类根据传感方式的不同，可以将分布式光纤传感器分为连续式和离散式两类。
3.2.1 连续式分布式光纤传感器连续式分布式光纤传感器是指将光纤作为连续的传感元件，沿着被测量对象的长度方向进行布置，实现对整个长度范围内物理量的测量。
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Measuring temperature principle use Raman Effect
Stokes Raman back-scattering photon flux:
s K S S S 4e e x p 0 s L R s T
Anti-Stokes Raman back-scattering photon flux:
电缆隧道(井道)、复合电缆
油库、油料地井测温消防
原油和成品油的燃烧 初期最显著特征是释 放能量使环境温度升 高，因此油库火灾信 号探测主要采用温度 检测作为火灾探测对 象
油井中的应用
反应釜立体空间温度分布监测
生态环境温度检测
日立公司路面结冰检测
分布式火灾探测系统的优势
事前预测 事后报警 防范于未然
抗电磁干扰、灵活方便等。
可实现“传”、“感”一体
化。
井下环境温度探测及煤层自燃监测
沿井道敷设长距离的温度 探测光缆，可以监测煤矿 井下巷道及工作面的环境 温度梯度分布等作业条件
通过嵌入煤层敷设方式探 测岩煤温度，可以监测井 下煤层自燃症兆
具有矿井采空区火灾早期 测温光纤 预测预报和专家决策分析 功能
测温光纤
对井下大负荷电缆安全运行监控
井下大功率采矿机械设备的大负荷电 缆，处于高温高湿频繁拖移的工作状 态,将有利于企业安全生产
2008年03月05日，黑龙江省鹤岗
市泰源煤矿，由井下电缆破损引发火 灾，井下的13名矿工 遇难 探测电缆的长期超负荷过热运行及老 化、破损而引起的燃爆和突发热故障 提供预警与火灾报警，为矿井的安全 运行提供了有力保证 探测光缆又是矿井电缆故障的温度记 录器，它能在大负荷电缆故障之前发 出报警及检修建议。 在一条探测缆上可分别设定100个以 上的监测区间
39、没有不老的誓言，没有不变的承 诺，踏 上旅途 ，义无 反顾。 40、对时间的价值没有没有深切认识 的人， 决不会 坚韧勤 勉。
温度探测及火灾探测系统进化 ---连续分布式光纤温度探测器
测温技术的进化
第一代：铂电阻、热电偶、集成测温芯片光纤光栅等点式温度传感器， 当需要大范围检测时，需要组网，布线复杂，系统可靠性差，维 护工作量大
连续分布式光纤温度探测器原理示意图 “探测光缆＝探测器”
沿着整条光缆进行测量: 10km 光缆 = 10,000 探测器
背向散射光 每隔1m即提供一个测量点
1m 脉冲光
T9,995
T9,996 T9,997
T9,998
T9,999
Scattering in Optic-Fiber
Molecular energy level diagram
探测光缆可探测电力变压器箱体 上下左右前后的各区域温度变化， 给出±0.5℃的温度探测误差。
通过计算机数据处理，还可三维 彩比较，给出变压 器的老化、故障等火灾前期预报。
测温光纤
在发电与电网应用
用于发电厂的锅炉、变压器、冷水塔、电 缆廊道的温度探测及消防报警
及时发现电网线路上的发热点 实施监测全网缆线完好性(是否被毁坏?) 实时监测电网（包括分支网络）的热负荷
变化，优化电力资源配置 提供全程全网的环境温度分布（包括直埋
电缆周边回填土热阻变化），为动态负荷 测定系统提供温度数据 为电缆燃爆和突发热故障提供预警 随着环保意识的增强，储煤仓由露天堆放 改为半封闭堆放，煤的自燃需要监测
测温技术的进化
1. 第二代：感温电缆、红外测温仪、双波长火焰探测器等线形温度传 感器：探测范围200米以内，这类传感器的缺点不能定位，感温电 缆报警后即失效，需要更换。
测温技术的进化
第三代：分布式光纤温度传感器： 用一根数公里长的光纤替代数千
甚至上万个点式温度传感器，而且 抗电磁干扰，本证安全，测温不用 电，可用于油污、粉尘等恶劣环境、 施工简单，系统调校方便。
R s 1ex p h /kT 1
R aT ex ph /kT 1 1
温度曲线
分区探测（电缆上敷设感温光缆）
分区探测
感温介质
光纤通信技术为信息网络化 传输提供了高速宽带的信息 高速公路。
涂覆层 护套
光纤传感具有特点：
包层
本质防爆、抗电磁干扰、抗 纤芯 腐蚀、耐高温、本质防爆、
分布式光纤传感器简介
36、“不可能”这个字(法语是一个字 )，只 在愚人 的字典 中找得 到。--拿 破仑。 37、不要生气要争气，不要看破要突 破，不 要嫉妒 要欣赏 ，不要 托延要 积极， 不要心 动要行 动。 38、勤奋，机会，乐观是成功的三要 素。(注 意：传 统观念 认为勤 奋和机 会是成 功的要 素，但 是经过 统计学 和成功 人士的 分析得 出，乐 观是成 功的第 三要素 。
皮带输送机全线热点探测与火灾报警
由于所传送的粉（块）状物 料会造成滚筒打滑或托辊卡 住引起超温燃烧
电气短路、人为明火等外部 火源引燃火灾
2008年03月02日，山西朔 州冯家岭煤矿井下发生皮带 燃烧事故，9人不幸遇难
通过沿皮带机全线敷设温度 探测光缆，实时监测长距离 皮带输送机全线的热点与火 灾报警
a K a Sa 4ee x p 0 a L R a T
The population of lower and upper molecular energy level, it is dependent on the local domain temperature of optical fiber:
市场与机遇
在国外已有十几年的应用：大坝浇注、电力电缆运行温 度（负荷）检测、管路泄露
测温光纤
电缆隧道、电缆夹层的火灾探测
－－光缆安装
电缆夹层测温： 将光缆埋入夹层中。 变事后报警为事前预测
电缆隧道测温： 将光缆悬挂安装于隧道顶部
电缆桥架上电缆温度测量： 将光缆沿桥架上 电缆正弦铺设
矿井变压器的故障探测与火灾报警
变压器内部发生严重过载、短路 等故障，不仅会烧毁变压器，而 且由于绝缘物和油在电弧的作用 下急剧汽化使变压器内部压力急 剧增加，轻则使变压器损坏，重 则起火爆炸，大量喷油还能将火 灾进一步扩大