光纤传感原理ppt课件

北京交大光信息所 1 第九讲分布式光纤传感技术 光纤传感原理 分布式光纤传感原理传感应用举例POTDR本讲小结 北京交大光信息所 2 特点 同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力 传感空间范围大 结构简单 使用方便 性价比低 具体而言 1 传感元件仅为光纤 2 一次测量就可获取整个光纤区域内被测量的一维分布图 3 系统的空间分辨力一般在米的量级 对更窄范围的变化只能测平均 4 系统的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约关系 5 检测信号一般较微弱 因而要求信号处理系统具有较高的信噪比 6 在检测过程中需进行大量的信号加法平均 频率的扫描 相位的跟踪等处理 因而实现一次完整的测量需较长的时间 引言 北京交大光信息所 3 分布式光纤传感原理 瑞利散射拉曼散射布里渊散射 散射型 偏振型 相位型 荧光型 北京交大光信息所 4 I 瑞利散射 瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞所引起的 散射光的频率与入射光的频率相同 在光纤传感技术中 一般采用光时域反射 OTDR 结构来实现被测量的空间定位 典型传感器的结构如图1所示 北京交大光信息所 5 强度调制型 当一束脉冲光在光纤中传播时 由于光纤中存在折射率的微观不均匀性 会产生瑞利散射 如果外界物理量的变化能够引起光纤的吸收 损耗特性或瑞利散射系数的变化 那么通过检测后向散射光信号的强度就能够获得外界物理量的大小 目前基于对后向瑞利散射光进行强度调制的分布式光纤传感器有 利用微弯损耗构成的应力传感器利用放射线所引起光损耗构成的分布式辐射传感器利用化学染料对光的吸收特性构成的分布式化学传感器利用液芯光纤瑞利散射系数与温度的关系构成的分布式温度传感器 北京交大光信息所 6 偏振调制型 偏振态光时间域反射法 POTDR 最初由Rogers提出 其基本原理 光纤受外界物理量的调制时 光的偏振态就会随之发生变化 瑞利散射光在散射点的偏振方向与入射光相同 在光纤的入射端对后向瑞利散射光的偏振态和光信号的延迟时间进行检测就可获得外界物理量的分布情况 由于磁场 电场 横向压力和温度都能够对光纤中光的偏振态进行调制 因此该技术可用于实现多个物理量的测量 基于后向瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤传感技术的基础 它在80年代初期得到了广泛的发展 目前由于技术难度较大 在这方面的研究者较少 据我们所知只有 中国 新加坡 意大利等几个单位在继续研究 北京交大光信息所 7 北京交大光信息所 8 II 拉曼散射 1928年 C Raman爵士发现拉曼效应 在非线性光学介质中 高能量 波长较短 的泵浦光散射 将一小部分入射功率转移到另一频率下移的光束 此过程称为拉曼效应 光通过光纤时 光子和光纤中的光声子会产生非弹性碰撞 发生拉曼散射 波长大于入射光为斯托克斯光 波长小于入射光为反斯托克斯光 基于拉曼散射的分布式传感称为 ROTDR 北京交大光信息所 9 基于拉曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术 对该技术开展研究工作的主要有英国的King大学 中国的重庆大学和中国计量学院 目前 该类传感器的一些产品已出现在国际 国内市场 最为著名的是英国York公司的DTS80 它的空间分辨力和温度分辨力分别能达到1m 1 测量范围为4 8km 北京交大光信息所 10 III 布里渊散射 1964年 首次发现布里渊散射效应 光通过光纤时 光子和光纤中因自发热运动而产生的声子会产生非弹性碰撞 发生自发布里渊散射 散射光的频率相对入射光的频率发生变化 这一变化的大小与散射角和光纤的材料特性有关 基于布里渊散射的分布式传感称为 BOTDR 北京交大光信息所 11 IV 偏振型 偏振型分布式光纤传感器是利用保偏光纤在受到外界的作用时 产生两正交偏振模间的耦合效应传感 检测利用Michelson干涉仪进行扫描获得作用点的位置 北京交大光信息所 12 V 相位型 相位型分布式光纤传感器是利用保偏光纤在受到外界的作用时 两路光产生相位差进行传感 检测利用各种干涉仪进行扫描获得作用点的位置 VI 荧光型 参加教材P41 44 北京交大光信息所 13 基于布里渊散射的双路分布式光纤传感器 传感应用举例 泵浦波通过电致伸缩产生声波 然后引起介质折射率周期性调制 泵浦引起的折射率光栅通过布拉格衍射散射泵浦光 由于多普勒效应 散射光产生了频移 其中 n为光纤纤芯折射率 a为声波速度 为入射泵浦光波长 北京交大光信息所 14 当光纤受温度或者轴向应力影响时 布里渊频移会发生变化 考虑到声波是呈指数衰减的 布里渊增益谱具有洛仑兹线形 其中 g0是布里渊散射峰值增益系数 B是布里渊散射谱半峰全宽 0为布里渊增益谱的中心频率 北京交大光信息所 15 北京交大光信息所 16 1550nm窄线宽DFB激光器出射连续光被C1分为两条光路 探测光路和参考光路 5 端的输出作为探测光路 经过偏振控制器 PC 进入11Gb s的电光调制器 EOM 产生光脉冲 然后经过掺铒光纤放大器 EDFA 放大 再经过环形器1和光纤布拉格光栅FBG1 中心波长为1550nm 3dB带宽为0 1nm 反射率为80 组合滤波 滤除放大后的ASE噪声 最后得到高功率 高消光比 低噪声的探测脉冲信号 该脉冲信号在进入探测光纤前 经过一个95 5的耦合器c2 将5 的脉冲信号输人光示波器监控脉冲形状 探测脉冲经过光隔离器通过50 50的光耦合器c3分别进入两根传感光纤 耦合器C1的95 端口输出的信号作为参考光 通过偏振控制器 进入12 5GHz的电光调制器 被10 3GHz的微波信号调制成两个边频信号 与返回的频移约为11GHz的布里渊散射信号混频后 用探测带宽为1GHz双平衡光电探测器进行探测 扰偏器 PS 消除信号的偏振噪声 北京交大光信息所 17 北京交大光信息所 18 BackgroundOTDR BarnoskiandJensen 1976 PolarizationOTDR POTDR Rodgers 1981 Importanttechniquetoproducehighsensitivefibersensor PrincipleRayleighscatterinthefiber thebackscatteredlight spatialdistributionofthepolarizationproperty analyzerelement thepolarizationinformation intensityvariation pleaserefertoFig 1 Characteristic Thebackscatteredlightisverylow about 50dB ThesameSOPastheincominglight POTDR 北京交大光信息所 19 TwosamplesofPOTDR AModel OTDR Attenuator Detector PG DFBL AOM PC Polarizer EDFA Circulator Fiber 北京交大光信息所 20 TwosamplesofPOTDR Continued BModel 北京交大光信息所 21 POTDRapplication Experimentalsetup Anritsu MX907600A 北京交大光信息所 22 Applicationtoasensitivestresssensorsystem1 WaveformsnearbythelocationofFUS 北京交大光信息所 23 2 Waveformsclosetotheend 北京交大光信息所 24 Applicationtothepolarizationinvestigation1 Locationofthepolarizationvariation 北京交大光信息所 25 2 Simplemeasurementofpolarizationvariation 北京交大光信息所 26 3 In depthmeasurementofpolarizationvariation 北京交大光信息所 27 POTDRExperiment ImprovedPOTDRsystem 北京交大光信息所 28 Experimentalresult Rayleighscatterof14kmfiber 北京交大光信息所 29 瑞利散射 北京交大光信息所 30 Conclusions POTDRismoresensitivethanOTDRandwillbeappliedtothesensitivefiber opticsensingsystem POTDRtechniqueisapowerfulmethodtodiagnosethepolarizationpropertiesalongthefiber Shortentheopticalpulse