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分布式光纖傳感技術(shù)與應(yīng)用 內(nèi)容概要 光纖傳感技術(shù)簡(jiǎn)介 光纖傳感器的分類(lèi) 光纖傳感技術(shù)的發(fā)展 分布式光纖傳感技術(shù) 相位調(diào)制型分布式傳感器 散射型分布式傳感器 分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用 分布式光纖傳感技術(shù) 利用光波在光纖中傳輸?shù)奶匦�，可沿光纖長(zhǎng)度方向連續(xù)的傳感被測(cè)量（如溫度、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變等） 光纖既是傳感介質(zhì)，又是被測(cè)量的傳輸介質(zhì)。 優(yōu)點(diǎn)： 可在很大的空間范圍內(nèi)連續(xù)的進(jìn)行傳感，是其突出優(yōu)點(diǎn)。 傳感和傳光為同一根光纖，傳感部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，使用方便。 與點(diǎn)式傳感器相比，單位長(zhǎng)度內(nèi)信息獲取成本大大降低，性?xún)r(jià)比高。 分布式光纖傳感器的特征參量 空間分辨率 指分布式光纖傳感器對(duì)沿光纖長(zhǎng)度分布的被測(cè)量進(jìn)行測(cè)量時(shí)所能分辨的最小空間距離。 時(shí)間分辨率 指分布式光纖傳感器對(duì)被測(cè)量監(jiān)測(cè)時(shí)，達(dá)到被測(cè)量的分辨率所需的時(shí)間。 被測(cè)量分辨率 指分布式光纖傳感器對(duì)被測(cè)量能正確測(cè)量的程度。 以上三個(gè)分辨率之間有相互制約的關(guān)系。 典型的分布式光纖傳感器 相位調(diào)制型傳感器 Mach-Zehnder干涉式傳感器 Sagnac干涉式傳感器 散射型傳感器 布里淵散射型光纖傳感器 拉曼散射型光纖傳感器 相位調(diào)制型光纖傳感器 相位調(diào)制 當(dāng)光纖受到機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，光纖的長(zhǎng)度、芯徑、纖芯折射率都將發(fā)生變化，這些變化將導(dǎo)致光波的相位變化. (1)M-Z干涉型光纖傳感器用作分布式振動(dòng)傳感 M-Z干涉型光纖傳感器的信號(hào)處理 信號(hào)處理的目標(biāo)——1).對(duì)干擾事件進(jìn)行定性 通過(guò)解調(diào)獲得干擾臂的相位變化，進(jìn)而根據(jù)相位變化情況分析干擾產(chǎn)生原因。 M-Z干涉型光纖傳感器的信號(hào)處理 (2) 光纖Sagnac干涉型分布式傳感器 激光器發(fā)出的光經(jīng)耦合器分為兩束分別耦合進(jìn)由同一光纖構(gòu)成的光纖環(huán)中，沿相反方向傳輸，并于耦合器處再次發(fā)生干涉。 當(dāng)傳感光纖沒(méi)有受到干擾時(shí)，干涉現(xiàn)象趨于穩(wěn)定；受到外界干擾時(shí)，正反向兩光束會(huì)產(chǎn)生不同的相移，并于耦合器處發(fā)生干涉，干涉信號(hào)的光強(qiáng)與干擾發(fā)生位置具有一定關(guān)系。 散射型光纖傳感器 利用背向瑞利散射——OTDR 利用布里淵散射——B-OTDR、 B-OTDA 利用拉曼散射——R-OTDR (1)光纖中的背向散射光分析 （2）光時(shí)域反射 (OTDR)技術(shù) 光時(shí)域反射 (OTDR：Opitcal Time-Domain Reflectometry)技術(shù)最初被用于檢驗(yàn)光纖線(xiàn)路的損耗特性以及故障分析。 當(dāng)光脈沖在光纖中傳輸?shù)臅r(shí)候，由于光纖本身的性質(zhì)、連接器、接頭、彎曲或其他類(lèi)似事件而產(chǎn)生散射、反射，其中背向瑞利散射光和菲涅爾反射光將返回輸入端（主要是瑞利散射光，瑞利散射是光波在光纖中傳輸時(shí)由于光纖纖芯折射率在微觀(guān)上的起伏而引起的線(xiàn)性散射，是光纖的固有特性）。 光時(shí)域反射計(jì)將通過(guò)對(duì)返回光功率與返回時(shí)間的關(guān)系獲得光纖線(xiàn)路沿線(xiàn)的損耗情況。 光時(shí)域反射 (OTDR)技術(shù) 散射型分布式傳感技術(shù)對(duì)被測(cè)量的空間定位多基于光時(shí)域反射 技術(shù)，即向光纖中注入一個(gè)脈沖，通過(guò)反射信號(hào)和入射脈沖之間的時(shí)間差來(lái)確定空間位置。 d為事件點(diǎn)距離系統(tǒng)終端的距離，c為真空光速，n為光纖有效折射率 脈沖的重復(fù)頻率決定了可監(jiān)測(cè)的光纖長(zhǎng)度，而脈沖的寬度決定了空間定位精度（10ns寬度對(duì)應(yīng)空間分辨率1m）。 利用OTDR技術(shù)測(cè)量光纖沿線(xiàn)背向反射光功率的結(jié)果 (3)BOTDR——光時(shí)域布里淵散射光纖傳感器 布里淵散射產(chǎn)生機(jī)理 是入射光與聲波或傳播的壓力波相互作用的結(jié)果，這個(gè)傳播的壓力波等效于一個(gè)以一定速度移動(dòng)的密度光柵。因此布里淵散射可以看成是入射光在移動(dòng)光柵上的散射。 多普勒效應(yīng)使散射光頻率不同于入射光。 BOTDR——布里淵散射 量子光學(xué)描述：入射光波（泵浦）與介質(zhì)內(nèi)彈性聲波場(chǎng)作用中，一泵浦光子湮滅產(chǎn)生一聲學(xué)聲子和散射(Stokes)光子。 散射光與泵浦波的傳播方向相反，與入射波的頻移（在1.55mm處）約為：fB=11.1GHZ。 分為自發(fā)布里淵散射和受激布里淵散射兩種 BOTDR——傳感原理 BOTDR——傳感原理 布里淵散射光頻移會(huì)隨著溫度和光纖應(yīng)變的上升而線(xiàn)性增加： fB=fB0+ f TT(℃)+ f εε(με) 布里淵散射光功率會(huì)隨溫度的上升而線(xiàn)性增加，隨應(yīng)變?cè)黾佣�線(xiàn)性下降： PB=PB0+ P TT(℃)+ P εε(με) BOTDR——布里淵頻移系數(shù) 對(duì)于溫度的布里淵頻移系數(shù)是1.22M/度（@1310nm），1M/度（@1550nm） 對(duì)于應(yīng)力的布里淵頻移系數(shù)是581M/%（@1310nm），493M/%（@1550nm） 溫度的影響較小 BOTDR與BOTDA( Brillouin Optical Time Domain Analysis) BOTDR——定位原理 BOTDR——優(yōu)缺點(diǎn) 優(yōu)點(diǎn)： 1. 連續(xù)分布式測(cè)量溫度和應(yīng)變2. 高溫度和應(yīng)變分辨率4. 高空間分辨率5. 超長(zhǎng)傳感范圍(超過(guò)80公里)6. 同一根光纖既可用于傳感，也可用于通信 缺點(diǎn)： 需要激光器的輸出穩(wěn)定、線(xiàn)寬窄，對(duì)光源和控制系統(tǒng)的要求很高； 由于自發(fā)布里淵散射相當(dāng)微弱（比瑞利散射約小兩個(gè)數(shù)量級(jí)），檢測(cè)比較困難，要求信號(hào)處理系統(tǒng)具有較高的信噪比; 由于在檢測(cè)過(guò)程中需進(jìn)行大量的信號(hào)加法平均、頻率的掃描等處理，因而實(shí)現(xiàn)一次完整的測(cè)量需較長(zhǎng)的時(shí)間，實(shí)時(shí)性不夠好。 檢測(cè)30km 光纖沿線(xiàn)的應(yīng)變， 空間分辨力可達(dá)1m。 應(yīng)變精度: 20 μe (0.002%) 溫度精度 : 1°C 取樣時(shí)間 : 20 s 至 5 min (典型值：2 min) （3）ROTDR——光時(shí)域拉曼散射光纖傳感器 拉曼散射產(chǎn)生機(jī)理： 在任何分子介質(zhì)中，光通過(guò)介質(zhì)時(shí)由于入射光與分子運(yùn)動(dòng)相互作用會(huì)引起的頻率發(fā)生變化的散射，此過(guò)程為拉曼散射 量子力學(xué)描述：分子吸收頻率為 V0的光子，發(fā)射V0-Vi的光子，同時(shí)分子從低能態(tài)躍遷到高能態(tài)（對(duì)應(yīng)斯托克斯光）；分子吸收頻率為V0的光子，發(fā)射V0+Vi的光子，同時(shí)分子從高能態(tài)躍遷到低能態(tài)（反斯托克斯光）。 ROTDR——傳感原理 拉曼散射由分子熱運(yùn)動(dòng)引起，所以拉曼散射光可以攜帶散射點(diǎn)的溫度信息。 反斯托克斯光的幅度強(qiáng)烈依賴(lài)于溫度，而斯托克斯光則不是。則通過(guò)測(cè)量斯托克斯光與反斯托克斯光的功率比，可以探測(cè)到溫度的變化。 由于自發(fā)拉曼散射光一般很弱，比自發(fā)布里淵散射光還弱10dB，所以必須采用高輸入功率，且需對(duì)探測(cè)到的后向散射光信號(hào)取較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)的平均值。 此方法上世紀(jì)80年代就已被提出，并商用化。 ROTDR——傳感原理 幾種散射式傳感技術(shù)的比較 (5)分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用 分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用——周界防護(hù) 分布式光纖傳感技術(shù)用于航空領(lǐng)域的多參量監(jiān)測(cè) 分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用——管道泄露監(jiān)測(cè) 溫度測(cè)量原理 各種分布式光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用gAe紅軟基地

光纖傳感技術(shù)測(cè)量應(yīng)變PPT課件：這是一個(gè)關(guān)于光纖傳感技術(shù)測(cè)量應(yīng)變PPT課件，包括了前言，強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器，相位調(diào)制型光纖傳感器，頻率調(diào)制型光纖傳感器，波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器，偏振態(tài)調(diào)制，特種光纖簡(jiǎn)介，光纖傳感器的發(fā)展趨勢(shì)等內(nèi)容，第八章內(nèi)容提要 ●8.1前言 ●8.2強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器 ●8.3相位調(diào)制型光纖傳感器 ●8.4頻率調(diào)制型光纖傳感器 ●8.5波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器 ●8.6偏振態(tài)調(diào)制 ●8.7特種光纖簡(jiǎn)介 ●8.8光纖傳感器的發(fā)展趨勢(shì) ●光纖傳感器的原理 ●光纖傳感器的特點(diǎn) ●光纖傳感器的分類(lèi) ●光纖傳感器的應(yīng)用 表征光波的特征參量因外界因素的作用而間接或直接地發(fā)生變化，從而可將光纖用作傳感元件來(lái)探測(cè)各種物理量。圖1 光纖傳感原理示意圖 ★ 光纖傳感器的特點(diǎn) 與傳統(tǒng)的傳感器相比，光纖傳感器的主要特點(diǎn)： ◎抗電磁干擾，電絕緣，耐腐蝕，本質(zhì)安全 ◎重量輕、體積小、外形可變 ◎?qū)Ρ粶y(cè)介質(zhì)影響較小,靈敏度高 ◎便于復(fù)用，便于成網(wǎng) ◎測(cè)量對(duì)象廣泛,成本低 ★ 光纖傳感器的分類(lèi) 一般分為兩大類(lèi)： ◎功能性傳感器 利用光纖本身的特性把光纖作為敏感元件 又稱(chēng)傳感型光纖傳感器，采用單模光纖 ◎非功能性傳感器 光纖僅作為傳光介質(zhì)，需借助其它敏感元件 又稱(chēng)傳光型光纖傳感器，常用多模光纖 根據(jù)光調(diào)制手段的不同，光纖傳感器 又可分為： ◎強(qiáng)度調(diào)制型 ◎相位調(diào)制型 ◎偏振態(tài)調(diào)制型 ◎頻率調(diào)制型 ◎波長(zhǎng)調(diào)制型 ★ 光纖傳感器的應(yīng)用 光纖傳感器可以探測(cè)的物理量很多，可以探測(cè)位移、壓力、溫度、流量、速度、加速度、振動(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、彎曲、應(yīng)變、磁場(chǎng)、電壓、電流以及化學(xué)量、生物醫(yī)學(xué)量等等，其中有的傳感器已形成商品，可供實(shí)際應(yīng)用，歡迎點(diǎn)擊下載光纖傳感技術(shù)測(cè)量應(yīng)變PPT課件哦。