分布式光纤传感 技术与应用1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2一 光纤传感技术简介光纤传感器用光作为敏感信息的载体，用光 纤作为传递敏感信息的媒质。同时具有光纤及光学测量的特点：电绝缘性能好。抗电磁干扰能力强。非侵入性。高灵敏度。容易实现对被测信号的远距离监控。光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液 位、应变、压力、流量、振动、温度、电流 、电压、磁场等物理量3二 光纤传感器的分类根据光纤在传感器中的作用可分为功能型、非功能型和拾光型三大类根据光受被测对象的调制形式可分为：强度调制型、相位调制型、偏振调制型、 频率调制型四大类根据光是否发生干涉可分为干涉型和非干涉型根据是否能够随距离的增加连续地监测被测量可分为分布式和点式41.根据光纤在传感器中的作用分类功能型（全光纤型）光纤传感器利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光 纤)作传感元件，将“传”和“感”合为一体。非功能型（或称传光型）光纤传感器光纤仅起导光作用，只“传”不“感”，对外界信息的“感觉” 功能依靠其他物理性质的功能元件完成。拾光型光纤传感器用光纤作为探头，接收由被测对象辐射的光或被其反射、 散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒速度计、辐射式 光纤温度传感器等。 信号 处理光受 信器光发送器 光纤耦合器被测对象52.根据光受被测对象的调制形式分类光纤传感是对光波的参量进行调制可调制参量：强度调制型光纤传感器是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反 射等参数的变化，而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器 。相位调制传感器其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的 折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，进而使两 束单色光所产生的干涉效果发生变化，通过检测干涉效果的变 化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。6根据光受被测对象的调制形式分类频率调制光纤传感器是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光 的频率发生变化来进行监测的传感器。偏振调制光纤传感器是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的 传感器。7传感器光学现象被测量光纤分 类类 干 涉 型相 位 调 制 型弹光效应 Sagnac效应 电、磁致伸 缩振动、压力、加速度 、位移 角速度 电场、电压、电流、 磁场SM、 PM SM、 PM SM、 PMa a a非干涉型强 度 调 制 型遮光板遮断 光路 光纤微弯损 耗 气体分子吸 收位移 振动、压力、加速度 、位移 气体浓度MM SM MMb b b偏 振 调 制 型法拉第效应 泡克尔斯效 应 双折射变化电流、磁场 电场、电压、 温度SM MM SMb, a b b频 率 调 制 型多普勒效应 拉曼散射 布里渊散射速度、流速、振动、 加速度 温度 温度、应力MM MM MMc a a光纤传感器的分类注：MM多模；SM单模；PM偏振保持；a,b,c：功能型、非功能型、拾光型8三 光纤传感技术的发展1. 进入实用化阶段，逐步形成传感领域的一个新的 分支。不少光纤传感器以其特有的优点，替代或更新了传统的 测试系统，如光纤陀螺、光纤水听器等；出现一些应用光纤传感技术的新型测试系统，如分布式 光纤测温系统、以光纤光栅为主的光纤智能结构；改造了传统的测试系统，如利用电/光转换和光/电转换 技术以及光纤传输技术，把传统的电子式测量仪表改造 成安全可靠的先进光纤式仪表等。许多特殊场合核工 业、化工和石油钻探中也都应用了光纤传感系统。根据市场调查分析公司BusinessCommunicationsCompany 发布的关于光纤传感器的市场报告，从2005年到2011年 ，全球光纤传感器（FOS）的整体市场将保持适度增长 态势，预计平均年复合增长率为4.1%，至2011年，全球 产值将达为3.72亿美元。 9光纤传感技术的发展2.新的传感技术不断出现，促进了相关领域技术的 发展。例如，光纤传感网络的出现，促进了智能材料和智能结 构的发展；光子晶体光纤用于传感的可能性促进了光子 晶体的发展等。智能材料是指将敏感元件嵌入被测构件机体和材料中， 从而在构件或材料常规工作的同时实现对其安全运转、 故障等的实时监控。其中，光纤和电导线与多种材料的 有效结合是关键问题之一。10光纤传感技术的发展智能背心这是一件嵌入了光 纤和电导线的背心 ，能够感知环境温 度及化学成分的变 化，用于医学和军 事应用。11埋入了六根光 纤的纺织品光纤传感技术的发展3 原理性研究仍处于重要位置由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已被广泛采用 的传统机电传感系统为目的，所以尽管光纤传感器具有 诸多优势，其市场渗透所面临的困难和挑战仍很巨大。 而那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中 占有明显优势。4 相关的应用开发也还任重道远在很多领域，光纤传感技术尚未实现产业化，许多关键 技术仍然停留在实验室样机阶段，距商业化还有一定的 距离。12四 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。 13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 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。14典型的分布式光纤传感器4-1 相位调制型传感器Mach-Zehnder干涉式传感器Sagnac干涉式传感器4-2 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15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：相干条件：频率相同频率相同 振动方向相同振动方向相同 相位差恒定相位差恒定(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18M-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。19利用3*3耦合器解调原理图M-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20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）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21(2) 光纤SAGNAC干涉型分布式传感器激光器发出的光经耦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。R1 R2 Sagnac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22光纤SAGNAC干涉型分布式传感器定位原 理当干扰源信号是正弦信号（或形如正弦信号）时，接 收信号的功率幅值为零点频率发生在干扰源位置R1与第N个零频之间的关系为通过分析接收光 信号的零频点位 置即可获得干扰 源的位置（上）有干扰时光强信号的理论计算值（下）实验值234-2 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-OTDR24(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 非弹性散射斯托克斯光反斯托克斯光25（2）光时域反射 (OTDR)技术光时域反射 (OTDR：Opitcal Time-Domain Reflectometry)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。26光时域反射 (OTDR)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）。27利用OTDR技术测量光纤沿线背向反射光功率的结果29(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射。多普勒效应使散射光频率不同于入射光。BOTDR布里渊散射量子光学描述：入射光波（泵浦）与介质内弹性声波 场作用中，一泵浦光子湮灭产生一声学声子和散射 (Stokes)光子。散射光与泵浦波的传播方向相反，与入射波的频移（ 在1.55mm处）约为：fB=11.1GHZ。分为自发布里渊散射和受激布里渊散射两种30BOTDR传感原理布里渊散射斯托克斯光相对于入射光的频移为：介质折射率入射光频率介质中声速介质的杨氏模量介质密度泊松比温度 应力热光效应 弹光效应折射率 变化声速 变化调制介质的 E、k、密度布里渊频 移变化31BOTDR传感原理布里渊散射光频移会随着温度和光纤应变的上升 而线性增加：fB=fB0+ f TT()+ f () 布里渊散射光功率会随温度的上升而线性增加,随 应变增加而线性下降：PB=PB0+ P TT()+ P ()通过测量布里渊散射光频移 和光功率，就可以求得被测 量点的温度和应力的大小。 通过测量布里渊散射光频移 和光功率，就可以求得被测 量点的温度和应力的大小。 32BOTDR布里渊频移系数对于温度的布里渊频移系数是1.22M/度（1310nm）， 1M/度（1550nm）对于应力的布里渊频移系数是581M/%（1310nm）， 493M/%（1550nm）温度的影响较小。33BOTDR与BOTDA( BRILLOUIN OPTICAL TIME DOMAIN ANALYSIS)BOTDR系统从一端输入泵浦脉