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1、摘 要分布式光纤传感技术是在70年代末提出的，在这十几年里,产生了一系列分布式光纤传感机理和测量系统,并在多个领域得以逐步应用。目前, 这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。本文主要介绍了光纤的相关特性，分布式光纤传感技术的特点、作用及其分类，详细论述了各种分布式光纤传感器的原理、分布式光纤传感技术的研究现状和具体应用。关键字：光纤 分布式光纤传感技术 原理 研究现状 应用目 录摘 要引 言1、分布式光纤传感技术简介1.1光纤基础知识1) 光纤的结构特性2) 光纤的机械特性3) 光纤的损耗特性 2、 分布式光纤传感技术原理 2.1 基于光纤后向散射的全分布式光纤传感技术 2.1.1
2、基于OTDR的微弯传感器 2.1.2 基于自发拉曼散射的光时域散射型（ROTDR）传感器 2.1.3基于受激拉曼效应的传感器 2.1.4基于自发布里渊散射的光时域反射型（BOTDR）传感器 2.1.5基于受激布里渊散射效应的传感器1) 基于布里渊散射的光时域分析型（BOTDA）传感器 2) 基于布里渊散射的光频域分析型（BOFDA）传感器3) 基于布里渊散射的光相关域分析型（BOCDA）传感器4) 基于布里渊散射的光相关域反射型（BOCDR）传感 2.1.6基于瑞利散射的偏振光时域反射型（POTDR）传感器 2.1.7基于相位敏感的光时域反射型（-OTDR）传感器2.2 长距离干涉传感技术2.
3、3 基于光纤干涉仪的准分布式光纤传感技术 2.4 基于FBG的准分布式光线传感技术3、 分布式光纤传感技术国内外研究进展4、 分布式光线传感技术应用实例0 引言光纤传感技术是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输媒质的光纤，具有一系列独特的、其他媒介难以相比的优点。第一光波不产生电磁干扰，也不受电磁干扰影响，易被各种光探测器件接收，可方便地进行光电或电光转换，易于与现代化装置和计算机相匹配；第二光纤工作频带宽，动态范围大，适合于大范围、远距离组网和遥测遥控，是一种优良的低损
4、耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量加载，是一种优良的敏感元件；光纤本身电绝缘，体积小，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射，耐压，耐腐蚀，特别适合于易燃、易爆、空间狭窄及强电磁干扰等恶劣环境下使用。分布光纤传感技术一问世就受到极大地重视，几乎在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动传感技术的蓬勃发展。1 分布式光纤传感技术简介1.1 光纤基础知识光纤是光导纤维的简称，是一种重要和常用的波导材料，它利用光的全反射原理将光波能量约束在其界面内，并引导光波沿光纤轴线方向传播。在将光纤作为传感材料应用前，需掌握光纤的结构特性、机械特性以及损耗等特性，依据工程实际的特点选择合适的传感光纤。1
5、) 光纤的结构特性光纤的主要结构包括纤芯、包层、涂覆层及护套层1,其中纤芯和包层为光纤结构的主体，对光波的传播起决定性作用。纤芯直径一般为5-75主要材料为二氧化桂，掺杂有极微量的其他材料，如二氧化错、五氧化二碟等，以提高纤芯的折射率；包层为紧贴纤芯的材料层，其光学折射率稍小于纤芯材料，包层可设置一层或多层，其总直径一般为100-200。包层的主体材料也是二氧化硅，但其微量掺杂材料一般为三氧化二硼或四氧化二硅，以减低包层的折射率；涂覆层的材料一般为硅酮或丙稀酸盐，用于隔离杂光；护套的材料一般为尼龙或其他有机材料，用于增加光纤的机械强度，起到保护光纤的作用。光纤传感器按照结构特征可分为松套光纤和
6、紧套光纤，松套光纤是涂覆层以内的结构可在护套层内自由移动，可作为通信光纤或者温度补偿光纤使用；紧套光纤则是将塑料紧套层直接加工在光纤涂覆层外，涂覆层以内的结构与包层不发生相对移动，该类型光纤一般用以应变传感。2) 光纤的机械特性普通外径125左右的通信光纤，如不存在裂纹则可承受30kg左右的拉力作用，然而纤芯中不可避免地存在细裂纹，裂纹在拉力作用下会不断扩展2，明显降低光纤的断裂强度。因此，实际的抗拉力仅为7kg左右，但光纤的抗拉强度比起同样粗细钢丝要大1倍。保证光纤制造过程中热源清洁、涂料无尘、拉丝温度合理、高质量研制棒等，可获取高机械强度的光纤产品3。3) 光纤的损耗特性光波在光纤中传输时
7、，光功率不仅随传输距离增加而呈现指数衰减，还存在吸收损耗、散射损耗等固有损耗。同时，传感器铺设过程中也存在光纤损耗的可能，如光纤弯曲时的曲率半径过小，也会使得光纤内的光在纤芯和包层界面上出现泄漏而产生损耗；光纤之间的连接质量也是引起光纤损耗的重要原因，如纤轴错位、纤轴倾斜、端面有间隙、端面不平整等都有可能引起较大的损耗。目前，光纤间的相互连接釆用光纤熔接机进行高温熔化对接，主要经历纤芯保护层去除、清洁裸纤、端面切割、光纤溶接等工序，各工序均为精细操作，如操作不当均有可能引起明显的光损。光纤的固有损耗在光纤制造工艺不断提高下，其影响已经相当小，而弯曲、熔接操作不良等引起损耗是人为现象，其损耗往往
8、超过固有损耗几个数量级，如不进行严格控制将引起线路失效。1.2 分布式光纤传感技术 光纤传感器可用于通讯、工程、物理参数测量等领域，随着技术和需求的发展，它由单点检测逐渐发展成为多点准分布式和全分布式检测.分布式光纤传感测量是利用光纤的一维空间连续特性进行测量的技术。光纤既作为传感元件，又作为传输元件，可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量，同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息，由于分布式传感技术能够实现大范围测量场中分布信息的提取，可解决目前测量领域的众多难题，因此成为目前国内外研究的热点。分布式光纤传感器的种类很多，根据监测空间的范围不同，主要可分为准分布式光纤传
9、感器和全分布式光纤传感器两类：准分布式光纤传感器是把空间上呈一定规则分布的相同调制类型的光纤传感器耦合到一根或者多根光纤总线上，通过寻址、解调，检测出被测量的大小及空间分布，光纤总线仅起到传光作用。因此，准分布式光纤传感系统实质上是多个分立式光纤传感器的复用系统。根据光波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这几种类型。按照寻址方式的不同，它又可以分为时分复用（TDM）、空分复用（SDM）、波分复用（WDM）、频分复用（FDM）、偏分复用（PDM）等几类，其中时分复用、波分复用和空分复用技术较为成熟，复用点数越多
10、。准分布式光纤传感器中常用的复用光纤传感器主要有以相位调制型光纤干涉仪和波长调制型光纤布拉格光栅(FBG)。全分布式光纤传感器是利用一根光纤作为延伸的传感元件，光纤上的任意一段既是传感单元，又是其他传感单元的信息传输通道，因而可获得被测量沿此光纤在空间和时间上变化的分布消息。它消除传统传感器存在的传感“盲区”，从根本上突破了传统的单点测量限制，是真正意义上的分布式光纤传感器。全分布式光纤传感器主要有两大类：一类基于光纤后向散射的光时域反射技术（OTDR）,另一类是基于长距离干涉技术，全分布式光纤传感器利用一根光纤取代大量的分立传感器进行测量，大大降低了造价，性价比很高，得到了广泛地应用。2 分
11、布式光纤传感技术原理目前分布式光纤传感技术主要有基于光纤后向散射的全分布式光纤传感技术、长距离干涉技术、基于光纤干涉仪的准分布式光纤传感技术以及基于FBG的准分布式光线传感技术等。目前分布式光纤传感技术使用的方法主要有反射法、波长扫描法和干涉法，上述传感技术中，基于光纤后向散射的全分布式光纤传感技术采用的就是反射法，可分为光频域反射法和光时域反射法；波长扫描法的测量主要是利用保偏光纤（保偏光纤能够保证线偏振方向不变）在外部扰动作用时发生模式耦合效应实现的，该方法分辨力高，但测量范围小，系统成本高，不利于使用化；干涉法是利用各种形式的干涉装置对干涉光路中光波的相位解调，从而得到被测量信息的方法。
12、2.1 基于光纤后向散射的全分布式光纤传感技术依据所监测信号的不同，主要分为基于拉曼（Roman）散射的分布式温度传感器、基于瑞利（Rayleigh ）散射的分布式光纤损耗检测传感器及基于布里渊散射（Brillouin）的分布式应变传感器。当激光脉冲在光纤中传输时，由于光纤中含有各种杂质，导致激光和光纤分子出现相互作用，从而产生瑞利、拉曼和布里渊这三种散射光。如光纤沿线被测物理量发生变化，将引起散射光的频率发生偏移，可利用光时域反射技术分析上述频移信号，获取被测物理量的大小、时间及空间信息。1997年Barnoski 博士首先提出了光时域反射技术OTDR（Optical Time Domain
13、 Reflection）技术，结合瑞利散射来检测光纤沿线故障检测，目前该技术已成为光纤领域必不可少的线路检测工具，其检测原理如图2-1所示图2-1 分布式光纤传感原理由图2-1可知，当激光脉冲在光纤中传输时，产生的散射光将背向发射至激光入发端，在此时域里，入射光经背向散射返回至光纤入射端所需的时间为t，脉冲光所走过的路程长为2L: （2-1） 式中V（V=c/n ）光在光纤中的传播速度，c为真空中的光速，n为光纤折射率（n一般为1.5 )。在时域里，可测量得到时刻距离光纤入射端距离为处的局部背向散射光。基于上述原理，在任意时间t内计算得到光纤沿线方向的散射光信息。由光纤的散射光谱可知，光纤局部
14、存在多种散射光类型（瑞利、布里渊、拉曼散射），依据不同的散射光分析技术可实现不同物理参数的分布式检测。 2.1.1 基于OTDR的微弯传感器4微弯型光纤传感器是根据光纤微弯形变引起纤芯或包层中传输的光载波强 度变化的原理制成的全光纤型传感器。这种传感器主要用于对应变、温度等物理场的检测。其检测分辨率可达到0.1nm( 0.l nm=1 0-9 m) 级位移水平，检测动态范围达到100d B以上。微弯型传感技术可分为亮场型和暗场型两种。前者是通过对纤芯中的光强度的变化来实现信号能量的转换；而后者则检测的是包层中的光信号。微弯型光纤传感器的换能装置是由一种能够引起光纤产生微弯变形的部件-变形器与光
15、纤构成的。如图 2 所示，变形器由上下两块带有均匀锯齿槽的夹板组成 , 其齿距为 L , 并且二个锯齿槽能够很好地相互吻合。在二板间夹有一根光纤。当外场对夹板的作用力F发生变化时，光纤的微弯变型幅度将随之变化，并进一步引起光纤中耦合到包层中的辐射模也发生相应的变化。图2-2 微弯光纤传感器 2.1.2 基于自发拉曼散射的光时域散射型（ROTDR）传感器在任何分子介质中，光通过介质时由于入射光与分子运动相互作用会引起频率发生变化的散射称为拉曼散射。分子吸收频率为 V0的光子，发射V0-Vi的光子，同时分子从低能态跃迁到高能态（对应为斯托克斯光）；分子吸收频率为V0的光子，发射V0+Vi的光子，同时分子从高能态跃迁到低能态（对应为反斯托克斯光）。 图2-3 拉曼散射信号量子分析由于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，而且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，所以可通过测量斯托克斯光与反斯托克斯光的功率比探测温度的变化，其结果消除了光源波动、光纤弯曲等因素的影响，只与沿光纤的温度场有关，因此可长时间保证测温精度。 注意由于自发拉曼散射光一般很弱，所以必须采用高输入功率，且
