分布式光纤传感技术.ppt

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 4 1 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 5 2 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 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 频率相同 振动方向相同 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 18 M 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 R1R2 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 23 4 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 OTDR 24 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 OpitcalTime DomainReflectometry 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 30 BOTDR 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 31 BOTDR 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 fTT 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 PTT 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 32 BOTDR 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 33 BOTDR与BOTDA BrillouinOpticalTimeDomainAnalysis BOTDR系统从一端输入泵浦脉冲 在同一端检测返回信号的中心波长和功率 使用方便 但自发布里渊散射信号很微弱 检测困难 在BOTDA中 处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光 泵浦光 与一连续光 探测光 注入传感光纤 利用受激布里渊散射效应 散射光强度更强 34 BOTDR 定位原理 对一定频谱范围连续不断的进行循环扫描 获得各个时间段上的光谱 并将时间与位置相对应 即可获得沿光纤各位置处的布里渊频谱图 并获得异常的布里渊频移量和散射光功率 35 BOTDR 优缺点 优点 1 连续分布式测量温度和应变2 高温度和应变分辨率4 高空间分辨率5 超长传感范围 超过80公里 6 同一根光纤既可用于传感 也可用于通信缺点 需要激光器的输出稳定 线宽窄 对光源和控制系统的要求很高 由于自发布里渊散射相当微弱 比瑞利散射约小两个数量级 检测比较困难 要求信号处理系统具有较高的信噪比 由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均 频率的扫描等处理 因而实现一次完整的测量需较长的时间 实时性不够好 36 检测30km光纤沿线的应变 空间分辨力可达1m 应变精度 20 e 0 002 温度精度 1 C取样时间 20s至5min 典型值 2min 37 3 ROTDR 光时域拉曼散射光纤传感器 拉曼散射产生机理 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的频率发生变化的散射 此过程为拉曼散射量子力学描述 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 反斯托克斯光 38 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 此方法上世纪80年代就已被提出 并商用化 39 ROTDR 传感原理 基于自发拉曼散射的分布式光纤温度传感器原理 光纤中自发拉曼散射的反斯托克斯光与温度紧密相关 常温下 T 300K 其温敏系数为8 采用反斯托克斯与斯托克斯比值的分布式光纤温度测量 其结果消