分布式光纤传感系统及其在在在管道泄漏检测中的应用
分布式光纤传感系统及其在在在管道泄漏检测中的应用
摘要分布式光纤传感技术由于能够获得被测物理场沿空间和时间上的连续分布信息，非常适合用于非常适用于线形海底管道的健康监测。介绍了基于布里渊散射的分布式光纤传感技术在海底管道健康监测中的应用情况和面临的问题，对该技术在海底管道健康监测中的应用前景进行了展望。
关键词分布式光纤传感技术; 海底管道; 健康监测；受激布里渊散射
1 前言
海底管道作为海上油气集输系统的主要形式,在海上油气田开发过程中发挥着重的作用。由于工作环境条件恶劣,海底管道既要受到管外波流等环境荷载的作用,又要受到管内油气腐蚀、压力等作用以及海上坠落物撞击、渔网拖拉等意外荷载的作用,其失效概率高,运行风险大。海底管道失效后果严重,不仅直接影响到海上油气田的正常生产,而且管内原油若发生外泄还会严重污染海洋环境,带来相应的社会负面影响。为了避免因海底管道失效所造成的重大经济损失和不良社会影响,必须采取有效的措施防止发生海底管道失效问题。
引起海底管道失效的原因具有很大的随机性和偶然性,很多因素至今没有被认识,从设计角度来避免海底管道失效是很困难的或者是很不经济的;常规的检测方法,如射线法、漏磁法、超声波法、渗透法等,只能用于海底管道的定时和定点检测,期望用这些方法以有限次的检测来完全避免海底管道失效也是不现实的。近年来,随着传感技术的发展和健康监测概念的提出,利用传感技术对海底管道进行健康监测,为解决海底管道失效问题提供了新的途径。利用传感技术对海底管道进行健康监测,是指利用无损的传感监测方法获得海底管道结构的内部信息,分析包括海底管道结构反应在内的各种特征,了解海底管道因损伤或者退化而造成的改变。在各种传感元件中,光纤由于具有体积小、重量轻、几何形状适应性强、抗电磁干扰、电绝缘性好、化学稳定性好以及频带宽、灵敏度高、易于实现远距离遥测与控制等诸多优点,比其他传感元件更适用于工作条件恶劣的海底管道监测。利用设置在海底管道中的监测光纤及其光强、频率、偏振态等特性随海底管道温度、应变等状态参数变化的性质,通过对这些特性进行测量,就可得到海底管道状态参数,从而可以判断海底管道的安全性,在海底管道出现危险前及时采取措施避免管道发生失效。在各种光纤传感技术中,分布式光纤传感技术集传感与传输于一体,可以获得沿光纤分布被测量的连续信
息 ,适合长距离监测 ,因此 , 非常适合于线形海底管道的监测 ,在海底管道健康监测中应用前景极好。
分布式光纤传感器的主要技术方法有：基于光纤拉曼散射或布里渊散射的光时域反射( ROTDR/BOTDR ) 及频域反射技术( ROFDR/BOFDR) 基于光纤瑞利散射的偏振光时域反射技术( POTDR) 长距离光干涉技术以及准分布式光纤布拉格光栅复用技术等。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术利用光纤中的后向布里渊散射 ,由于它一般工作在 1. 55μm 或
1. 3 μm 的单模光纤 ,布里渊散射信号受到的衰减和色散较小 ,使得它在温度、 应变测量上所达到的测量精度和测量范围以及空间分辨率均高于其它分布式传感技术 。
2 布里渊散射的传感机理
布里渊散射是入射光与光纤中的热激励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(且具有一定频率)移动的密度光栅 ,因此布里渊散射可看作是入射光在移动的光栅上的散射 ,多普勒效应使得散射光相对于入射光产生一个频移 ,称为布里渊频移。其计算公式[1]为:
/V n 2 = V O a b λ (1)
V b 为布里渊频移; n 为光纤纤芯折射率;V a 为声波的速度;λ
0为入射光在真空中的波长。 光纤折射率和声速都与光纤的温度及所受的应力等因素有关 ,这使布里渊频移V b 随这些参数的变化而变化。实验发现布里渊功率与温度应变之间也存在着线性关系 ,根据实验结果 人们总结出了下面的方程[2 ]:
?????+=+=T TP P B
B T TV B
C C P P C C v δδδδδδεεεεν (2) 其中δν是布里渊频移变化量,ΔP B / P B 是布里渊功率相对变化量, δ ε及δT 分别是应变和温度变化量, ,C ε ν及C T ν分别是布里渊频移应变系数和频移温度系数, C εP 及C TP 分别是布里渊功率应变系数和功率温度系数,因此通过检测布里渊信号的频移和归一化的信号功率变化值就可获得沿光纤分布的温度及应变信息 ,实现分布式传感。
3 基于受激布里渊散射的分布式光纤温度/应变传感器
目前 ,基于布里渊散射的分布式光纤传感技术从整体上分主要有3种方案:基于布里渊光时域反射(BOTDR)的光纤传感技术、 基于布里渊光时域分析(BOTDA)的光纤传感技术、 基于布里渊光频域分析(BOFDA)的光纤传感技术。
(1)BOTDR 分布式光纤传感技术
基于BOTDR的分布式光纤传感系统与在光纤测量中广泛应用的光时域反射计(OTDR)相似。采用相干检测技术的BOTDR传感系统原理框图如图1所示[ 2 ]。
在OTDR中,从光纤的一端发射1个光脉冲,同时在发射端检测背向瑞利散射信号,发送脉冲与散射信号之间的时延结合光的传播速度可以提供散射点的位置信息,测量散射信号的强度可以得到光纤的衰减情况。在BOTDR中,被测信号是布里渊散射信号,由于布里渊频移和强度与光纤所受应力和温度有关,所以通过测量布里渊散射信号的频移和强度就可以得到沿光纤轴向分布的应变和温度信息。
图1 相干BOTDR传感系统原理
(2) BOTDA分布式光纤传感技术
基于BOTDA的分布式光纤传感技术利用受激布里渊放大效应,其原理框图如图2所示[ 3]。
图2 BOTDA传感系统原理
2个激光器分别置于传感光纤的两端,其中1个激光器在Z = 0端发射脉冲光,传播方向为+ Z方向,另一个激光器在Z =L处向- Z方向发射连续光。BOT DA可以工作于脉冲光
作为布里渊放大的泵浦和连续光作为布里渊放大的泵浦两种方式对于第1种情况,脉冲光在单模光纤中产生后向布里渊增益。布里渊增益谱的中心频率为斯托克斯频率V - VB , V为脉冲光频率。当连续光频率等于斯托克斯光频率时,连续光通过与脉冲光的受激布里渊作用而得到放大。被放大了的连续光通过分束器并由光滤波器取出,再经光电检测器检测得到沿光纤各点的布里渊频谱分布,从而得到待测量的信息。
对于第2种情况,连续光频率高于脉冲光频率,连续光的能量向脉冲光转移。由于这种方式不会出现因泵浦能量不断转移而出现的泵浦耗尽现象,所以传感距离比第一种方式大
大增加。
(3) BOFDA分布式光纤传感技术
基于BOFDA的分布式光纤传感技术最初是由德国的Dieter Garus等人于1996年提出的。不同于OTDR定位方法, BOFDA是基于测量光纤的传输函数实现对测量点定位的一种传感方法。这个传输函数把探测光和经过光纤传输的泵浦光的复振幅与光纤的几何长度相互关联起来,通过计算光纤的冲击响应函数确定沿光纤的应变和温度信息。BOFDA传感系统原理如图3所示[4]。
图3 BOFDA传感系统原理
一束窄线宽连续泵浦激光从一端入射进单模光纤,另一束窄线宽连续探测激光从光纤
的另一端入射。探测光的频率被调节到比泵浦光频率低,且二频率差近似等于光纤的布里渊频移。对于标准单模通信光纤,当光波长为1 . 3μm时,光纤的布里渊频移为13 GHz左右。探测光由一个频率 f m可变的正弦信号进行幅度调制,对每一个确定的信号频率值,由光电探测器分别检测探测光和泵浦光的光强,光电探测器的输出信号输入到网络分析仪,由网络分析仪计算出光纤的基带传输函数。网络分析仪输出信号经模/数转换后进行快速傅立叶反变换,其输出信号h(t)中即包含了沿光纤轴向的温度与应变分布信息。
4 分布式光纤传感技术在海底管道监测中的应用及其面临的问题
海底管道是海洋石油工程结构健康监测的重点。因为海底管道的线性结构非常适于用分布式光纤传感技术，采用该技术较其他海洋工程结构物有更大的技术支持优势，所以在现阶段海底管道式应用分布式光纤传感技术进行健康监测最多的海洋工程结构物。
虽然近年来对分布式光纤传感技术在海底管道健康监测中的应用研究取得很大进展，但是真正用于实际工程中的分布式光纤传感系统很少，这主要是由于目前人存在的一些技术问题制约了该技术实际应用到海底管道健康监测中。其中主要的技术问题如下：1）光纤传感系统保护和埋设问题。光纤传感的保护和埋设是利用分布式光纤传感技术对海底管道进行健康监测的一个关键问题，光纤埋设成功与否关涉到光纤传感系统在使用期间是否得到有效保护，其结果直接影响结构监测效果。解决光纤传感系统保护和埋设问题不仅要考虑如何保证光纤和光纤传感器不受损坏，还要考虑光纤保护岑不影响被监测量在结构域光纤之间变化一致性以及埋没难易，不影响海底管道正常施工问题。
2）恶劣海洋环境下光纤传感系统长期可靠性问题。对光纤和光纤传感器可靠性问题已有很多研究，这些研究[10]多是针对陆上环境的，而对恶劣的海洋环境条件下光纤和光纤传感器在海底管道长期使用期间的可靠性研究进行的非常少。光纤及光纤传感器的长期可靠性，包括制成光纤及光纤传感器的材料在海洋环境荷载长期作用下的可靠性问题，这与它们所受的保护是否有效密切相关。
3）监测信号处理算法问题。利用分布式光纤传感系统对海底管道运行状态进行实时监测，其信号采集量非常大。采集到的信号能否得到及时处理非常关键，这取决于信号吹算法速度和计算机运行速度。而目前常规的信号处理算法四度和计算机运行速度。而目前常规的信号处理算法速度并不快，在很多情况下现在的普通的计算机包括服务器都无法达到对采集信号进行及时处理所应达到的运行速度，因此需要寻找快速的信号哦处理算法，确保采集信号能够及时处理。
5 结论与展望
对海底管道进行健康监测室在目前无法对引起海底管道失效的各种因素进行有效控制的情况下，通过对海底管道运行状况进行监测来间接实现海底管道安全运行的有效方法。分布式光纤传感技术由于可以获得被测量咋空间和时间上的连续分布信息，在海底管道健康监测中较其他光纤传感技术具有更大的优势，被广泛用于研究海底管道健康监测的问题中；但受现阶段许多技术问题的制约，分布式光纤传感技术在海底管道健康监测中的应用还处于研究和试验阶段。可以预期，随着分布式光纤传感技术和海洋工程技术的进一步发展，这些制
约性的技术问题将被逐步解决，分布式光纤传感技术会被越来越多的用于海底管道健康监测中，为海洋油气田的安全开发提供可靠的保证。
参考文献
[1 ] Luc Thevenaz. Fiber distributed sensing for a more secure society[A] . Proceeding of the
Symposium on Photonics Technologies for 7th Framework Program[C] . 2006.
[ 2] T R Parker , M Farhadiroushan , V A Handerek , et al . The simultaneous measurement of the strain and temperature distributions from Brillouin backscatter [ A ] . Optical Techniques for Smart Structures and Structural Monitoring , IEE Colloquium on[C] . 1997.
[ 3]Horiguchi T, Tateda M. BOT DA2 Nondestructive Measure2ment of Single2 Mode Optical Fiber Attenuation Characteristics Using Brillouin Interaction [ J ] . Theory . J . Light wave Technol. , 1989, 7 (8) : 1 170 - 1 176 .
[4]Garus D, Gogolla T, Krebber K, et al . Brillouin OpticalFiber Frequency-Domain Analysis for
Distributed Temperature and Strain Measurements [ J ]. J . Lightwave Technol, 1997, 15 (4) : 654 - 662 .
光纤传感技术
光纤传感器技术的概况及其特点 常见光纤温度传感器基本原理 1. 荧光式温度光纤传感器 1.1 基本原理 荧光式温度传感探头具有抗电磁干扰、稳定可靠、微小尺寸、长寿命及绝缘性好等特点，光纤温度传感器是利用物质的荧光辐射现象设计的。通常设在光纤的一端固结着微量稀土磷化合物，受紫外光照射后，激励其发出荧光。此荧光强度或余辉时间长度会随温度变化而变化，成为温度的函数，从而计算出被测温度。 1.2荧光式温度传感原理 荧光式温度传感探头是由普通多模光纤和在其顶部安装的荧光物质体(膜)组成。荧光物质接受一定波长(受激谱)的光激励后，受激辐射出荧光能量。激励消失后，荧光发光的持续性取决于荧光物质特性、环境因素，以及激发状态的寿命。这种受激发荧光通常是按指数方式衰减的，称衰减的时间常数为荧光寿命或荧光衰落时间(ns)。因为在不同的环境温度下，荧光寿命也不同. 因此通过测量荧光寿命的长短，就可以得知当时的环境温度。 2. 光纤法布里-彼罗特（Fabry – Perot）传感器 2.1 法布里-彼罗特（Fabry – Perot）腔 法布里-彼罗特（Fabry –Perot）腔是一个常见的光学器件。它是光纤法布里-彼罗特传感器的核心，同时也被应用到光纤光栅传感器当中。了解它的原理和特点将有助于理解以上两种传感器的工作原理和不同应用。 在讨论技术细节之前，读者需要明确以下两点: 1.光在任何界面都会发生反射，在大多数情况下会发生折射。比如光会在水面反射，再比如当光线穿过一块玻璃的时候，会分别在一块玻璃的上下表面同时发生反射。 2.光具有波粒二象性。也就是说光拥有波长λ，相位θ等表征物理量。光在真空中所经过的路程叫做光程 L,当光经过介质，比如玻璃时，光程变为L=n*d。 n 为介质的折射率（均大于1）， d 为光线经历的几何长度。同一单一光源发出的两束光（具有同样起始相位，且频率相同）如果再相遇，将发生干涉。如果他们的光程差是波长的整数倍，意味着他们的相位相等，则干涉的结果是强度增大（最大值）。如果他们的光程差是波长的整数倍+半波长，则干涉的结果是强度减弱(最小值)。对于其余情况，干涉后的强度在最大值与最小值之间。如果同样的干涉发生多次，最终一个均匀的宽频光，在绝大多数波长范围内的光强将变成0，而主要的强度将集中在光程差为整数倍的波长范围内。 所谓法布里-彼罗特（Fabry – Perot）腔就是一个两端为光反射界面的空腔。入射光在两个界面分别发生反射，这两束反射光的光程差就是 L=2Lc*n.? Lc是空腔的长度。由此可见，空腔长度决定光程差，光程差决定相位差，相位差又决定是干涉加强还是干涉减弱。当空腔长度变化的时候，对于同样波长的光，原先的相位差将改变。原先干涉加强极大的两束光将不再达到干涉极大。相反的，波长与原先不同的另外两束光将满足相位差是波长整数倍的条件，因而产生干涉极大。如果能够探测出前后两个干涉极大相应的波长差Δλ，便可计算出空腔长度的变化，从而实现传感。同时，如果两个界面的反射系数很高，也就是说光线在腔内将发生多次干涉，最终只有满足相干极大条件的波长分量得以不为0，其余分量都将
智能化振动光纤探测系统技术方案
智能化振动光纤探测系统技术方案 2017年
目录 第一章项目介绍 (3) 第二章系统安装 (5) 第三章产品介绍.......................... 错误!未定义书签。第四章系统功能.......................... 错误!未定义书签。第五章售后服务及承诺.. (15)
第一章项目介绍 1.1项目概况简介 “XXXXXX”位于XXXXXX，对XXXXXX的生命财产安全的重要性来说是不言而喻的，所以针对“XXXXXX”项目建设的重要性，我方按照“先进性、实用性、可靠性、兼容性、冗余性”的“五点”公司产品设计原则，提供具有安全、便捷、优质的生活、工作环境，而且将作为指导思想贯穿整个周界安防系统的方案中。 “XXXXXX”项目的周界大概XXX米，其中大门断开数X个，分XX个震动光缆防区。每个防区大概为XXX米，采取挂网式安装方式，振动传感光缆呈S型敷设，通过探测感应非法人员攀爬围栏入侵防范区域的振动信号，同时区分人入侵信号和其它振动误报源信号特征，排除误报源。构成有效的防翻越防御探测防范预警系统，采用武汉宇鸿安的震动光缆探测器。双防区震动光缆探测器安装在两个周界防区的中间，单防区安装在周界防区的起始端。每终端控制主机安装在机房或门卫或控制室，终端控制主机从机房或门卫或控制室两边走线采用光纤信号传输，探测器供电从机房或门卫或控制室分别提供AC220V电源，电源线从机房或门卫或控制室两边走线并用电源线RVV2.0*1.5传输或UPS电源，或从弱电井中取电。终端控制室用报警主机进行管理和软件管理平台信息查询，并联动周界报警电子地图，更直观更迅速了解入侵防区位置，有效打击犯罪行为。 随着社会的发展，人们安防意识的提高，现代化的安防技术得到了广泛的应用。在一些重要的区域，如军事基地、武器弹药库、监狱、银行金库、博物馆、油库、等处，为了防止非法的入侵和各种破坏活动，传统的防范措施是在这些区域的外围周界处设置一些（如铁栅栏、围墙、钢丝篱笆网等）屏障或阻挡物，安排人员加强巡逻。在目前犯罪分子利用先进的科学技术，犯罪手段更加复杂化、智能化的情况下，传统的防范手段己难以适应要害部门、重点单位安全保卫工作的需要。人力防范往往受时间、地域、人员素质和精力等因素的影响，亦难免出现漏洞和失误。因此，安装应用先进的周界探测报警系统就成为一种必要措施。震动光缆系统是一种“有形”的报警系统，实实在在地给人一种威慑感觉，使入侵者增加一种心理压力，能对潜在的入侵行为进行预防和警示，从而把报警系统和警戒系统有机地结合起来，达到以防为主，防报结合的目的。目前已被广泛使用在周界安防领域，可做到事前威慑，事发时阻挡并报警，还能延缓外界的入侵时间,具有较强的安全可靠性。安装系统后，相当于在墙顶上形成一道“有形”的电子屏障，增加了围墙高度，使外人无法入侵，也使围墙内的人无法从墙面攀越逃离。
分布式光纤传感技术
光纤光栅传感器是一种常用的光学传感器件，分布式光纤光栅就属于准分布式光纤传感器件中的一种。选题方向合理。请尽快确定课题完成方式，明确研究内容，尽快开展课题调研论证工作。75 分布式光纤光栅传感技术 光纤传感技术是一种以光纤为媒介，光为载体，感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术，是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而逐步形成的。在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界因素的影响越小越好，但是，在实际的光传输过程中，光纤容易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、应变等外界条件的变化将引起光纤中传输光波的特征参数如频率、相位、光强、偏振态等的变化，通过测量这些参数的变化，就可以得到外界作用于光纤的物理量，这就是光纤传感技术。光纤传感技术的基本原理是：将光源的光入射进光纤，当光在光纤中传输的过程中受到外界物理量影响，使得被测参数与光纤内传输的光相互作用，进行调制，从而使其光学性质如光的频率、波长(颜色)、强度、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光，然后将这一调制的信号光送入光探测器中进行解调，经信号处理后就可获得被测参数。 光纤传感器与传统传感器相比具有许多明显优势： 1）体积小、重量轻，几何形状具有多方面的适应性，可以做成任意形状的传感器和传感器阵列。 2）抗电磁干扰能力强、耐高温、耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠。 3）光纤传感器件多是无源器件，对被测对象影响较小。 4）便于复用，便于成网。它既可以作为信息的传递媒介，又可以作为信号测量的传感装置。 5）光纤传感器传输频带宽，动态范围大，测量距离长。 光纤传感器的种类很多，按照其工作方式可分为：点式、准分布式和分布式三类。其中，准分布式光纤传感器是使用传感网络系统进行测量的，其光纤不作为传感元件，只作为传输元件，其敏感元件为多个点式的传感器，它们采用串联或各种网络结构形式连接起来，利用波分复用、时分复用或频分复用等技术形成分布式网络系统，进而可以较精确地分时或同时得到被测量信息的空间分布，也可同时得到某一点或某些空间点上不同被测量的分布信息。 光纤光栅传感器除了具有一般光纤传感器耐高温、耐腐蚀等优点之外，还具有波长编码，抗干扰能力强等特性。另外，它较易于在一根光纤中连续写入多个光栅，以制成分布式光纤光栅传感，制得的光栅阵列轻巧柔软，可与渡分复用或时分复用技术等相结合，且十分适于作为分布式传感兀件贴于结构表面或埋人到材料和结构的内部，以实现对结构应变、温度以及压力等的多点监测，这对于目
基于瑞利散射的分布式光纤传感技术
光纤中的散射光 当光（电磁）波射入介质时，若介质中存在某些不均匀性（如电场、相位、粒子数密度n、声速v等）使光（电磁）波的传播发生变化，有一部分能量偏离预定的传播方向而向空间中其他任意方向弥散开来，这就是光散射。光的散射现象的表现形式是多种多样的，从不同的角度出发，可有不同的分类，但从产物的物理机制来看，可以分为两大类： 第一类是非纯净介质中的光散射，该散射现象不是介质本身所固有的，而强烈地依赖于掺杂进来的散射中心的性质或介质本身的纯净度。其规律主要表现为：散射光的频率与入射光的频率相同；散射光的强度与入射波长成一定关系。 第二类是纯净介质中的散射，即使所考虑的介质是由成分相同的纯物质组成，其中不含有外来掺杂的质点、颗粒或结构缺陷等，仍然有可能产生光的散射现象，这些散射现象是介质本身所固有的，与介质本身的纯净度没有本质上的关系。属于这类纯净介质的散射现象有如下几种： 1）瑞利散射设介质是由相同的原子或分子组成，由于这些原子或分子空间分布的随机性的统计起伏（密度起伏），造成与电极化特性相应的随机性起伏，而形成入射光的散射。这种散射现象的特点是频率与入射光频率相同，在散射前后原子或分子内能不发生变化，散射光强度与入射光波长的四次方成反比。 2）拉曼散射这种散射现象通常发生在由分子组成的纯净介质中，组成戒指的分子是由一定的原子或离子组成的，它们在分子内部按一定的方式运动（振动或转动），分子内部粒子间的这种相对运动将导致感生电偶极矩随时间的周期性调制，从而可以产生对入射光的散射作用；在单色光入射的情况下，这将是散射光的频率相对于入射光发生一定的移动，频移量正好等于上述调制频率，亦即与散射分子的组成和内部相对运动规律有关。 3）布里渊散射对于任何种类的纯净介质来说，由于组成介质的质点群连续不断的做热运动，使得在介质内始终存在着不同程度上的弹性力学振动或声波场。连续介质的这种宏观弹性力学振动，意味着介质密度（从而也是折射率）随时间和空间的周期性起伏，因而可对入射光产生散射作用，这种作用类似于超声波对光的衍射作用，并且散射光的频移大小与散射角及介质的声波特性有关。
现代电力 - 分布式光纤传感多参量监测技术的研究现状及趋势
文章编号：1007-2322（2013）00-0000-00 文献标志码：A 中图分类号：XXX 分布式光纤传感多参量监测技术的研究现状及趋 势 闫志学 （中国电力科学研究院，北京海淀，100192） The Present Situation and Trend of Research on Distributed Optical Fiber Sensing Technology of Multi-Parameter Monitoring Yan-Zhixue China Electric Power Research Institute, Beijing 100192 摘要：鉴于目前智能电网发展的需求，保障输电线路的正常运行，亟待开发用于输电线路安全监测的多参量传感技术，以建立适应现代社会电力发展所需的智能输电线路。以具有抗电磁干扰、易植入、易组网等特点的光纤传感技术为基础，阐述了基于瑞利散射、拉曼散射、布里渊散射的分布式光纤传感技术和研究进展，并在此基础上分析了分布式光纤传感技术的发展趋势。探讨了基于ROTDR、BOTDR、BOTDA、Φ-OTDR技术相融合的分布式光纤传感技术，研究了分布式光纤多参量监测技术，及其在智能电网中应用于温度、应变、振动等参量同时在线监测的技术预测。该技术的发展及应用将会实现输电线路的火灾、覆冰、局部放电监测、动态载流量和热寿命预测等分析及故障分析与定位技术，提高输电线路的智能监测水平。单根光纤多种参量的监测技术，实现了输电线路减负及运维管理简便的目的,将会引领输电线路智能监测并达到一个顶峰。 关键词：分布式光纤传感技术；多参量；智能电网；温度；应变；振动 Abstract:In view o f the demand of the smart grid’s development, and ensure the normal working of electric transmission lines, the multi parameter sensing technology of safety monitoring of transmission line is expected to develop, in order to establish the adaptive intelligent electric transmission lines needed for modern social power development. The research based on optical fiber sensor whose features are anti electromagnetic interference, be easy to implant and easy networking. The technology and research progress of the distributed optical fiber sensors were described, which based on Rayleigh scattering, Raman scattering and Brillouin scattering. And the development trend of the distributed optical fiber sensors was also analyzed. The distributed optical fiber sensors are used for multi parameter monitor which based on the mixing of ROTDR, BOTDR, BOTDA and Φ-OTDR were discussed, also studied the distributed optical fiber multi parameter monitoring, and forecast its application for online monitoring the smart grid of temperature, strain, vibration ect. The technology development and application will achieve electric transmission line of fire, ice and partial discharge monitoring, dynamic load flow and thermal life prediction analysis, also fault analysis and location technology, improve the level of intelligent monitoring of electric transmission line. Monitoring technology of single fiber various parameters, realizes the transmission line burden and operation management simple purpose, will lead to transmission line intelligent monitoring and reach a peak. Key words:the distributed optical fiber sensors; multi parameter; the smart grid; temperature; strain; vibration 0引言 光纤传感技术按照工作方式的不同可以划分为点式光纤传感[1]、准分布式光纤传感[2]和分布式光纤传感。目前，设备的状态监测[3-4]都需要大量监测数据，即大量传感器采集，点式光纤传感器需要一支传感器对应一个解调通道，传感器只能星型布网，呈现出传感光缆布置复杂、仪器设备繁多等缺点，因此点式传感器的发展受到工程应用的局限；准分布式光纤传感不仅可以实现对设备关键点的监测，还能够实现传感器多种组网技术，因此其在设备全方位立体监测中非常适宜；分布式光纤传感中，光纤既是传输媒介又是传感元件，可以实现空间上的连续探测，因此其在线路和大面积表面监测
分布式光纤传感器系统测量原理
分布式光纤传感器系统测量原理 [摘要]: 光在光纤中传播，光与介质中光学声子、声学声子发生碰撞，会产生后向散射的光，这些后向散射的光的频率、强度均会发生改变。其改变量的大小与折射率等有关，而折射率等因素受光纤的应变、温度的影响。 [关键词]：光纤；光纤传感器；测量 中国分类号：TN6 文献标识码：A 文章编号：1002-6908(2007)0110021-01 1．BOTDR的分布式温度和应变测量 BOTDR的分布式应变测量原理，当入射光在光纤中传播时，入射光会与声波声子相互作用，产生布里渊散射。其散射光的传播方向与入射光的传播方向相反。当入射光的波长那布里渊散射的最大能量的频率与入射光的频率之差大约是11GHz。这个频移量就叫做布里渊频移。如果光纤沿径向发生了应变，那布里渊散射对应于应力的频移量，如图1所示： 为了测量分布式的应变，通过使用BOTDR技术，沿着光纤观测布里渊散射光的频谱，确定布里渊频移的大小，从而达到测量应力的目的。如图2所示。在光纤的一端脉冲光入射，同时在这端使用时间域的BOTDR接收布里渊后向散射光。因此，产生布里渊散射的位置与脉冲光发射的位置的距离Z可以由下列登时确定，在这个式中，时间T是发射脉冲光与接收的布里渊散射光的时间差。 为了能获得布里渊散射光的频谱，我们重复上面所做的步骤，我们缓慢的改变入射光的频谱宽度。在布里渊散射光的不同频率段，我们能获得大量的分布式能量。如图2所示。所以，我们能够从获得的布里渊散射光的波形，知道在光纤中任何位置，那散射光的频谱。所以，我们固定频谱到那些Lorentzian弯曲和使用能量峰值的频谱。通过相应弯曲位置的应力。 应变与布里渊频率的改变量的各自联系。在实际的测量中，测量之前，（1）中的系数和布里渊频移可以在无应变时测量出来。然后，频移转换成应变。 注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
分布式光纤传感温度报警系统
分布式光纤传感温度报警系统Ξ 张在宣 郭 宁 余向东 吴孝彪 (中国计量学院光电子技术研究所,杭州310034) 摘 要 研制了一种由分布光纤温度传感器系统组成的新型在线自动温度检测、报警系统,它是一种特殊的光纤通信网络,也是一种光纤雷达。文中讨论了系统的工作原理、调制与解调原理,系统的组成结构和系统的报警特性。在一根2km光纤上可采集一千个温度信息并能进行空间定位,是一种理想的温度报警系统。 关键词 分布光纤温度传感器 光时域反射技术 温度报警系统 一、前 言 分布式光纤温度传感器系统实质上是分布光纤喇曼(Raman)光子传感器(DOFRPS)系统,它是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场的光纤传感系统。在系统中光纤既是传输媒体又是传感媒体,利用光纤背向喇曼散射的温度效应,光纤所处空间各点的温度场调制了光纤中的背向喇曼散射的强度,即反斯托克斯(stokes)背向喇曼散射光的强度),经波分复用器和光电检测器采集了带有温度信息的背向喇曼散射光电信号,再经信号处理系统解调后,将温度信息实时从噪声中提取出来并进行显示,它是一种典型的光纤通信网络;在时域里,利用光纤中光波的传播速度和背向光回波的时间间隔,利用光纤的光时域反射(O TDR)技术对所测温度点定位,它是一种典型的光雷达系统。 分布光纤传感系统中的传感光纤不带电,抗射频和电磁干扰,防燃、防爆、抗腐蚀、耐高电压和强电磁场、耐电离辐射,能在有害环境中安全运行,系统具有自标定、自校准和自检测功能;即使在光纤受损时不仅可继续工作,而且可检测出断点位置。在一根2km光纤上可采集一千个温度信息并能进行空间定位,由于分布光纤传感系统的优越特性,已经开始应用于火灾自动温度报警系统。 分布光纤温度传感器的主要用途: 11用于煤矿、隧道的温度自动报警控制系统; 21油库、油轮,危险品仓库,大型货轮,军火库等温度自动报警控制系统; 31高层建筑、智能大厦、桥梁、高速公路等在线动态检测和火灾防治及报警; 41各种大、中型变压器,发电机组的温度分布测量,热保护和故障诊断; 51地下和架空高压电力电缆的热检测与监控; 61火力发电所的配管温度、供热系统的管道、输油管道的热点检测和故障诊断;化工原料、照相材料及油料生产过程在线动态检测; 71作为一种典型的机敏结构用于航空、航天飞行器在线动态检测和机器人的神经网络系统。 分布光纤温度传感系统是一种光机电和计算机一体化的高科技,世界上有英国、日本、瑞士和我国研制生产,英国、日本等应用于大型变压器、发电机组热保护和保障诊断,日本、瑞士和我国开始应用于火灾自动报警控制系统。 分布光纤温度传感器系统可显示温度的传播方向、速度和受热面积。可将报警区域的 42计量技术 20001№2Ξ国家首批产学研工程项目资助
分布式光纤传感器
光纤分布式声波传感技术 刘德中通信学院 2013010917006 内容摘要 声波属于物质波,其实质是质点振动、应力、压力等在弹性介质中的多样表现形式。在声学的研究领域中,声波的产生机制、传播形式以及检测方法是会共同涉及的内容。目前的声波检测技术就是利用声波信号在弹性介质内的传播变化实现对检测目标的测探、准确识别、定位等。 在光纤传感领域,当前的一个研究热点就是光纤声波检测,它可以用作水听器,应用于海洋、陆地石油、天然气勘探输油管道实时检测预警系统;也可用作光纤麦克风,用光纤光栅制成的声波传感探头基元以光纤光栅的中心波长调制来获得传感信息的,它具有灵敏度高、抗干扰能力强、全光纤的特点,同时还具有能够实现波分复用、检测探头的微型化等特点。 关键词：声波检测光纤传感技术分布式震动传感布里渊散射 一、技术原理 （一）基于光纤光栅的传感器 基于光纤光栅的传感器的原理是当温度、应变、折射率、应力、浓度等外界环境因素出现变化时,光纤光栅的有效折射率或者是光纤光栅周期就会发生 改变,从而使得光纤光栅的中心波长出现变化,对这一变化量经过信号处理之 后,就能够获得所需要检测的参数。这一过程中,传感信号的获得方式是通过光 纤光栅中心波长的调制实现的,相比于强度调制传感器而言,光纤光栅传感器 的灵敏度更高,更广的动态测量范围。所以,基于光纤光栅的传感器以其自身强 大的抗干扰能力、高灵敏 度以及对光源的稳定性及 能量特征要求低的特性, 使其在精确、精密测量方 面十分合适,光纤光栅传 感器目前已经占据了以光 纤为主要材料的44%左右。 （二）光纤声波传感器 声音属于微压动态信号,要想测量声音信号,可以通过监测频率或声压来实现。一般情况下,人们在传递和探测声信号时,会使用电子式传声器,该传声 器具有声-电换能原理,然而在一些特殊的环境中,如在核磁共振、强电磁干扰 或易燃易爆环境中,一些电子式传声器会失去作用,加之信号衰减会给传感器 端的弱电量信号带来不利影响,所以在较远的距离间无法使用电子式传声器, 这给远距测量带来了诸多难题。为了让信息能够准确传递出去,必须研宄一种 无源传声器,这种传声器不受电磁的干扰,还能在较远的距离间进行传输。光纤
拉曼型分布式光纤传感器DTS重点
拉曼型分布式光纤传感器DTS 拉曼型分布式光纤传感器DTS描述: 产品简介 拉曼型分布式光纤传感器DTS是国内外应用较成熟的分布式光纤测温技术,利用自发拉曼散射效应和光时域反射技术实时获得沿光纤分布的温度信息,结合智能火灾判断算法,可及时预警火灾隐患,并精确定位火灾发生位置。 诺驰光电的DTS产品采用模块化设计,可靠性高;同时凭借高速微弱信号处理技术优势,实现0.5m空间分辨率,技术指标国内领先。诺驰光电可提供基于多模光纤和单模光纤的DTS,尤其适合高压电缆在线监测、电力载流量分析、交通隧道火情监测、油气储罐火情监测、输煤皮带火情监测、大坝渗漏监测应用。 测量原理 拉曼型分布式光纤传感器DTS的温度测量基于自发拉曼Raman散射效应。大功率窄脉宽激光脉冲入射到传感光纤后,激光与光纤分子相互作用,产生极其微弱的背向散射光,包括温度不敏感的斯托克斯Stokes光和温度敏感的反斯托克斯Anti-stokes光,两者波长不一样,经波分复用器WF分离后由高灵敏的探测器APD探测,根据两者的光强比值可计算出温度。而位置的确定是基于光时域反射OTDR技术,利用高速数据采集测量散射信号的回波时间即可确定散射信号所对应的光纤位置。
技术优势 ?连续分布式温度测量,无测量盲区?光纤即为传感器,可抗干扰 ?测量距离长?可精确定位 ?测量速度快?本质安全,适于易燃易爆环境下长 期工作 ?测量稳定可靠,误报率低?光纤寿命长,几十年免维护 性能特点 ?测量距离:10km?空间分辨率:0.5m—10m ?取样分辨率:0.25m—1m?测量时间:5s ?测量精度:1℃?友好的用户软件,提供可视化界面?提供单模光纤版本产品应用Applications 性能指标
分布式光纤传感技术及其在工程监测中的应用
分布式光纤传感技术及其在工程监测中的应用? 施斌丁勇索文斌高俊启 （南京大学光电传感工程监测中心, 210093 南京） [摘要] 分布式光纤传感技术，如布里渊散射光时域反射测量技术（简称BOTDR），是国际上近几年才发展成熟的一项尖端技术，应用非常广泛。本文着重介绍 BOTDR分布式光纤传感技术在隧道、基坑和路面等三个方面的应用。在工程监 测过程中积累起来的大量监测数据表明，BOTDR分布式光纤传感技术，是一种 全新而可靠的监测方法，它在工程实践中的应用，为工程监测提供了一种新的 思路，因而必将拥有一个广阔的发展前景。 [关键字] BOTDR 光纤传感工程监测应变 1.引言 随着人们对工程安全要求的日益提高，近年来，一批新式的传感监测得到发展，它们不是对传统传感监测技术简单的加以改良，而是从根本上改变了传感原理，从而提供了全新的监测方法和思路。其中，尤以BOTDR分布式光纤传感技术为世人所瞩目，它利用普通的通讯光纤，以类似于神经系统的方式，植入建筑物体内，获得全面的应变和温度信息。该技术已成为日本、加拿大、瑞士、法国及美国等发达国家竞相研发的课题。这一技术在我国尚处于发展阶段，目前已在一些隧道工程监测中得到成功应用，并逐步向其他工程领域扩展。 南京大学光电传感工程监测中心在南京大学985工程项目和国家教育部重点项目的支持下，建成了我国第一个针对大型基础工程的BOTDR分布式光纤应变监测实验室，开展了一系列的实验研究，并成功地将这一技术应用到了地下隧道等工程的实际监测中，取得了一批重要成果，为将这一技术全面应用于我国各类大型基础工程和地质工程的质量监测和健康诊断提供了坚实基础。 2.BOTDR分布式光纤传感技术的原理 布里渊散射同时受应变和温度的影响，当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，因此通过测量光纤中的背向自然布里渊散射光的频率漂移量(νB)就可 ?本项目研究受国家杰出青年科学基金项目（40225006）和国家教育部重点项目资助项目（01086）
分布式光纤传感技术的分类与对比
分布式光纤传感技术的分类与对比 分布式光纤传感技术（DOFS）采用光纤做传感介质和传输信号介质，通过测量光纤中特定散射光的信号来反映光纤自身或所处环境的应变或温度的变化，一根光纤可实现成百上千传感点的分布式传感测量。因光纤具有尺寸小、重量轻、耐腐蚀、抗辐射抗电磁干扰、方便布设等特点，分布式光纤传感技术具有传统传感器不可比拟的优势，吸引了不少科研工作者和众多厂家的关注，目前，国内外都推出了商用化的分布式光纤传感测量系统，广泛应用到各个领域。 分布式光纤传感技术从光纤中光的散射原理可分为以下三类：基于瑞利散射的分布式光纤传感技术，基于布里渊散射的分布式光纤传感技术和基于拉曼散射的分布式光纤传感技术；从光学信号测试方法的不同又可分为两类：光时域反射技术（OTDR）和光频域反射技术（OFDR）。三种散射原理的设备都有OTDR技术的仪器和OFDR技术的仪器，各类原理的分布式光纤传感仪的对比见下表。 分布式光纤传感仪的分类与对比
目前应用于光通信领域的OTDR技术非常成熟，携式产品国内外厂家众多，产品在光纤链路诊断中广泛应用，但受限于探测光脉冲宽度，其空间分辨率与动态范围有限，测试中有盲区，难以满足较大动态范围和较高空间分辨率的应用领域，不适用于高精度测量领域。OFDR技术恰好弥补了上述不足，具有超高空间分辨率，非常适合高精度高分辨率领域的测量。如在光通信领域，可在待测光纤链路中轻松查找判别宏弯、接头、连接点和断点，精准测量插损、回损。技术同时还可以应用于温度与应变传感领域，在分布式温度应变测量中，空间分辨率可达1mm，传感精度最高可达±0.1℃\±1.0με。 拉曼散射主要用于测温，一般测量范围在10公里，分辨率在米量级，测温精度在1℃;布里渊散射的BOTDR、BOTDA及BOFDA技术，测量范围可达到几十公里，空间分辨率约0.5m，其中BOFDA技术最高能实现2cm的空间分辨率，但布里渊散射原理的系统整个装置非常复杂，测量时间较长。
分布式光纤传感系统测试平台的设计
分布式光纤传感系统测试平台的设计 分布式光纤传感技术通过检测沿光纤每个位置的散射光强度,来推算出光纤上的温度和应变分布。布里渊光时域分析仪(Brilouin Optical Time Domain Analysis:BOTDA)是一种分布式光纤传感技术,它适用于长距离、大范围和高灵敏度的分布式光纤传感系统,能对于光纤上的温度和应变实现准确实时的测量,有重要的研究意义和实用价值。本论文研究了光纤中的布里渊散射效应和BOTDA 的传感原理,基于BOTDA传感系统的信号特点,设计了一种分布式光纤传感系统测试平台。 本论文的主要研究内容和创新点如下:(1)基于FPGA的分布式光纤传感系统测试平台的设计本文在研究了BOTDA传感系统基础上,提出了基于FPGA的分布式光纤传感系统的实现方案。针对方案中对各个模块的功能需求,进行了FPGA,高速ADC和扫频模块等硬件电路设计以及基于FPGA的系统逻辑设计。并应用仿真软件对各个模块进行了仿真,结果表明,设计的方案可以实现传感信号的有效测量。 (2)一种基于频率合成技术的频率扫描实现方案根据系统对频率和步长可调的频率扫描的需求,提出了应用宽带RF频率合成芯片LMX2594来产生扫频信号的方案,并进行了硬件电路的设计。LMX2594可在不使用内部加倍器的情况下生成10MHz至15GHz范围内的任何频率,内置的32位N分频器可满足频率步进为1Hz 的扫频输出,且可通过编程控制其输出的频率及步进长度,为布里渊散射光谱特征提取算法的实现提供了硬件支持。结果表明,设计的频率扫描模块可满足系统的需求。 (3)基于半间隔搜索扫频法的布里渊散射光谱特征提取算法的实现方案由于
分布式光纤温度传感系统重点
浅谈光纤感温系统的应用 近年来，随着高速公路正成为社会经济发展的命脉，公路隧道更是其咽喉重地，我国道路交通建设不断加快，公路隧道逐渐增多，隧道火灾事故也逐步增多，做好隧道灭火救援工作,对于构建和谐社会，具有十分重要的意义。 公路隧道呈管状结构，其空间具有密闭性与特殊性。隧道内一旦发生行车火灾安全事故,产生的热量与烟雾不易散发，并且急剧积累，会严重威胁隧道的行车安全与畅通运营，使隧道结构与设施受到损伤。高速公路隧道由于车流量大、车速高的特性.其火灾事故产生的危害比一般路段的火灾要严重得多。 光纤温度传感器系统是近年来发展起来，用于实时测量空间温度场的系统。系统中光纤即是传输媒体又是传感媒体，利用光纤背向拉曼散射的温度效应，光纤所处的空间温度场调制了光纤是背向拉曼散射的强度（反斯托克斯背向拉曼散射光的强度，经波分复用器和光电检测器采集带有温度信息的背向拉曼散射光信号，经信号处理可以解调出实时的温度信息。在时域中，利用光时域反射技术（Optical Time Domain Reflection，根据光在光纤中的传输速率和背向拉曼散射光的回波时间，可以对温度点进行定位。 光纤感温系统得到了大量的应用，但由于自身存在一定的局限性，导致了长度超 过4000米的隧道无法使用这种先进的火灾报警系统。基于老式感温系统的局限性 现今对其进行一系列的改进，产生了分布式光纤感温系统。 分布式光纤温度传感系统（DTS依据光纤的光时域反射（OTDR和光纤背向Raman 散射的温度效应，探测出沿着光纤不同位置的温度的变化，实现真正分布式的测量。在系统中光纤既是传输媒体又是传感媒体，光纤所处空间各点的温度场调制了光纤中的背向Raman散射光的强度仮tokes背向Raman散射光的强度，经波分复用器和光电检测器采集了空间温度信息，环境下由工程师调试编程来完成。设定区域长度及报警点,系统校订均可采用Windows 2000版本软件来完成。
分布式光纤传感技术
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引起的，散射光的频率与入射光的频率相同。一般采用光时域反射（OTDR ）结构来实现被测量的空间定位。瑞利散射的原理是沿光纤传播的光在纤芯内各点都会有损耗，一部分光沿着与光纤传播方向成180°的方向散射，返回光源。利用分析光纤中后向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，通过显示损耗与光纤长度的关系来检测外界信号场分布于光纤上的扰动信息。由于瑞利散射属于本征损耗，因此可以作为应变场检测参量的信息载体，提供沿光路全程的单值连续检测信号。 利用光时域反射（OTDR ）原理来实现对空间分布的温度的测量。当窄带光脉冲被注入到光纤中去时，该系统通过测后向散射光强随时间变化的关系来检查光纤的连续性并测出其衰减。入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t ，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L=v*t 。v 是光在光纤中传播的速度，v=c/n ，c 为真空中的光速，n 为光纤的折射率。在t 时刻测量的是离光纤入射端距离为L 处局域的背向散射光。采用OTDR 技术，可以确定光纤处的损耗，光纤故障点、断点的位置。 可以看出，在光纤背向散射谱分布图中，激发线0v 两侧的频谱是成对出现的。在低频一侧频率为0v v -?的散射光为斯托克斯光Stokes ；在高频的一侧频率为0v v +?的散射光为反斯托克斯光anti-Stoke ，它们同时包含在拉曼散射和布里渊散射谱中。 光纤中的散射光谱 1. 基于瑞利散射的光纤传感技术原理 瑞利散射主要特点有： (1) 瑞利散射属于弹性散射，不改变光波的频率，即瑞利散射光与入射光具有相同的波长。 (2) 散射光强与入射光波长的四次方成反比，即 上式表明，入射光的波长越长，瑞利散射光的强度越小。 (3) 散射光强随观察方向而变，在不同的观察方向上，散射光强不同，可表示为 其中，θ为入射光方向与散射光方向的夹角；0I 是/2θπ=方向上的散射光强。 (4) 散射光具有偏振性，其偏振程度取决于散射光与入射光的夹角。自然光入射到各项同性介质中，在垂直于入射方向上的散射光是线偏振光，在原入射光及其反方向上，散射光仍是自然光，在其他方向上是部分偏振光，偏振程度与θ角有关。 对于光纤中脉宽为W 的脉冲光，它的瑞利散射功率P R 为 当光波在光纤中向前传输时，会在光纤沿线不断产生背向的瑞利散射光，根据式(3-3)可知，这些散射光的功率与引起散射的光波功率成正比。由于光纤中存在损耗，光波在光纤中传播时能量会不断衰减，因此光纤中不同位置处产生的瑞利散射信号便携带有光纤沿线的损耗信息。另外，由于瑞利散射发生时会保持散射前光波的偏振态，所以瑞利散射信号同时包含光波偏振态的信息。因此，当瑞利散射光返回到光纤入射端后，通过检测瑞利散射信号的功率、偏振态等信息，可对 外部因素作用后光纤中出现的缺陷等现象进行探测，从而实现对作用在光纤上的相关参量如压力、弯曲等的传感。 2. 光时域反射（OTDR ）技术 2.1 OTDR 原理 光时域反射技术用于检测光纤的损耗特性，它是检测光纤衰减、断裂和进 行空间故障定位的有力手段，同时也是全分布光纤传感技术的基础。
光纤传感技术综述
光纤传感技术综述 摘要 光纤传感及其相应技术在经过了二十余年的研究和探索,已逐步迈入了实用化阶段.本文对光纤传感技术进行综述，特别对于光纤传感技术近年的发展做详细介绍。随着光纤技术与相关光电子元器件的发展，光纤传感技术正逐步成为继光纤通信产业发展之后又一大光纤应用技术产业。光纤传感作为传感技术中一个重要分支正不断为工业、农业、交通、能源、医疗卫生、科学技术以及军事技术的信息化提供愈来愈多的服务，并愈来愈为人们所认识与接受。 关键词：应用；产业化；进展 目录 第一章什么是光纤传感技术 (2) 1.1光纤传感技术的定义 (2) 1.2光纤传感技术简介 (2) 1.3光纤传感技术应用 (3) 第二章光纤传感技术的发展 (4) 2.1光纤传感技术发展与产业化 (4) 2.2几种光纤传感器发展现状 (5) 2.3光纤传感技术的未来发展趋势 (7) 结束语 (8) 参考文献 (8) 第一章什么是光纤传感技术
1.1光纤传感技术的定义 光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传播媒质的光纤，具有一系列独特的、其他载体和媒质难以相比的优点。光波不怕电磁干扰，易为各种光探测器件接收，可方便的进行光电或电光转换，易与高度发展的现代电子装置和计算机相匹配。 1.2光纤传感技术的简介 光纤工作频带宽，动态范围大，适合于遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量或场的加载，是一种优良的敏感元件；光纤本身不带电，体积小，质量轻，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射性能好，特别适合于易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。因此，光纤传感技术一问世就受到极大重视，几乎在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。 光纤传感，包含对外界信号（被测量）的感知和传输两种功能。所谓感知（或敏感），是指外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度（功率）、波长、频率、相位和偏振态等发生变化，测量光参量的变化即“感知”外界信号的变化。这种“感知”实质上是外界信号对光纤中传播的光波实时调制。所谓传输，是指光纤将受到外界信号调制的光波传输到光探测器进行检测，将外界信号从光波中提取出来并按需要进行数据处理，也就是解调。因此，光纤传感技术包括调制与解调两方面的技术，即外界信号（被测量）如何调制光纤中的光波参量的调制技术（或加载技术）及如何从被调制的光波中提取外界信号（被测量）的解调技术（或检测技术）。 外界信号对传感光纤中光波参量进行调制的部位称为调制区。根据调制区与光纤的关系，可将调制分为两大类。一类为功能型调制，调制区位于光纤内，外界信号通过直接改变光纤的某些传输特征参量对光波实施调制。这类光纤传感器称为功能型（FunctionalFiber，简称FF型）或本征型光纤传感器，也成为内调制型传感器，光纤同具“传”和“感”两种功能。于光源耦合的发射光纤同于光探测器耦合的接收光纤为一根连续光纤，称为传感光纤，故功能型光纤传感器亦称全光纤型或传感型光纤传感器。另一类为非功能型调制，调制区在光纤之外，外界信号通过外加调制装置对进入光纤中的光波实施调制，这类光纤传感器称为非功能型（NonFunctionalFiber，简称NFF）或非本征型光纤传感器，发射光纤与接收光纤仅起传输光波的作用，称为传光光纤，不具有连续性，故非功能型光纤传感器也称传光型光纤传感器或外调制光纤传感器。 根据被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况，可将光波的调制分为光强度调制、光频率调制、光波长调制、光相位调制和偏振调制等五种类型。 由于现有的任何一种光探测器都只能响应光的强度，而不能直接响应光的频率、波长、相位、和偏振调制信号都要通过某种转换技术转换成强度信号，才能为光探测器接收，实现检测。