分布式光纤传感技术47页PPT
光纤传感技术全92页PPT
6
、
露
凝
无
游
氛
ห้องสมุดไป่ตู้
，
天
高
风
景
澈
。
7、翩翩新 来燕，双双入我庐 ，先巢故尚在，相 将还旧居。
8
、
吁
嗟
身
后
名
，
于
我
若
浮
烟
。
9、 陶渊 明（ 约 365年 —427年 ），字 元亮， （又 一说名 潜，字 渊明 ）号五 柳先生 ，私 谥“靖 节”， 东晋 末期南 朝宋初 期诗 人、文 学家、 辞赋 家、散
文 家 。汉 族 ，东 晋 浔阳 柴桑 人 （今 江西 九江 ） 。曾 做过 几 年小 官， 后辞 官 回家 ，从 此 隐居 ，田 园生 活 是陶 渊明 诗 的主 要题 材， 相 关作 品有 《饮 酒 》 、 《 归 园 田 居 》 、 《 桃花 源 记 》 、 《 五 柳先 生 传 》 、 《 归 去来 兮 辞 》 等 。
1
0
、
倚
南
窗
以
寄
傲
，
审
容
膝
之
易
安
。
41、学问是异常珍贵的东西，从任何源泉吸 收都不可耻。——阿卜·日·法拉兹
42、只有在人群中间，才能认识自 己。——德国
43、重复别人所说的话，只需要教育； 而要挑战别人所说的话，则需要头脑。—— 玛丽·佩蒂博恩·普尔
44、卓越的人一大优点是：在不利与艰 难的遭遇里百折不饶。——贝多芬
45、自己的饭量自己知道。——苏联
《分布式光纤传感器》课件
03Leabharlann 交通用于监测高速公路、 铁路和桥梁的结构健 康，确保交通安全。
04
环保
用于监测土壤、水和 空气的质量，以及污 染源的定位。
分布式光纤传感器的优势与局限性
优势 同时测量沿光纤分布的温度和应变等物理量； 高精度、高灵敏度和高分辨率；
分布式光纤传感器的优势与局限性
测量距离长，可实现连续监测； 耐腐蚀、抗电磁干扰和本征安全。
分布式光纤传感器的成本和稳定性问题也需要得到解决，以便更好地推广和应用。
分布式光纤传感器与其他传感器的集成和协同工作需要进一步研究，以提高监测系 统的整体性能和稳定性。
对未来研究和应用的建议
鼓励产学研合作，加强分布式 光纤传感器技术的研发和应用 研究，推动技术进步和产业发
展。
加强国际合作与交流，借鉴 国外先进技术和发展经验， 提高我国分布式光纤传感器
技术的国际竞争力。
鼓励企业加大投入，推动分布 式光纤传感器技术的商业化应 用，拓展应用领域和市场空间
。
THANKS
感谢观看
开发新型分布式光纤传感器技术
新材料
探索新型的光纤材料和光学器件，以 提高分布式光纤传感器的性能和功能 。
新原理
研究新的分布式光纤传感原理和技术 ，以拓展其应用领域和解决现有技术 的局限性。
05
结论
Chapter
分布式光纤传感器的重要性和应用前景
分布式光纤传感器在长距离、大范围监测中具 有明显优势，可广泛应用于石油、天然气、电 力等行业的安全监测和预警系统。
预警系统
利用分布式光纤传感器监测建筑物周围的环境变化，如地震、风力和 温度等，及时发出预警，预防潜在的自然灾害和人为破坏。
04
光纤传感技术PPT讲稿
第一节 光纤的结构与传光原理
一、结构和种类
玻璃纤维 尼龙外层
（一）光纤的结构
包层
基本采用石英玻璃，
外层直径1mm
主要由三部分组成
中心——纤芯；单模：8 ~10μm 外层——包层；多模：大于50μm纤芯 涂敷层
护套——尼龙料。
光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质，
纤芯折射率n1略大于包层折射率n2（ n1 ＞ n2 ）。
2020年6月28日
渐变 纤
剖面n(r) n1
芯
n2
a
r
梯度折射率光纤
5
名词解释：子午光线
当入射光线通过光纤轴线，且入射角1大
于界面临界角c sin1(n2 / n1) 时，光线将在柱体 界面上不断发生全反射，形成曲折回路，而 且传导光线的轨迹始终在光纤的主截面内。 这种光线称为子午光线，包含子午光线的平 面称为子午面。
2020年6月28日
6
子午平面
z
2020年6月28日
7
光纤的另一种分类方法是按 光纤的传播模式来分，可分为多 模光纤和单模光纤两类。多模光 纤多用于非功能型（NF）光纤 传感器；单模光纤多用于功能型 （FF）光纤传感器。 下面介绍模的概念
模的概念
• 在纤芯内传播的光波，可以分解为沿轴向传播的
平面波和沿垂直方向（剖面方向）传播的平面波。 沿剖面方向传播的平面波在纤芯与包层的界面上 将产生反射。如果此波在一个往复（入射和反射） 中相位变化为2π的整数倍，就会形成驻波。只有 能形成驻波的那些特定角度射入光纤的光才能在 光纤内传播，这些光波就称为模。
θ2 θ1
折射光
折射率 n1
折射率 n0
导出费涅耳反射损耗 入射光 Ii
分布式光纤传感技器
（1）衰减死区 从反射点开始到接收机恢复到后向散射电平约0.5dB的范围内的这段距离。 也就是OTDR能再次测试损耗和衰减的点。 （2）事件死区 从OTDR接收到的反射点开始，到OTDR恢复到最高反射点1.5dB以下这段 距离。在这以后才能发现是否还有地二个反射点，但还不能测试损耗和衰 减。
由光源、传感、信号处理和显示三部分组成。
光源
光纤耦合器
光探测器
光放大器
被测光纤 示波器 信号处理
关键技术：① 大功率、窄脉冲输出，② 低噪声、高灵敏度光探测，
5
③ 高速率信号处理
6 分布式光纤传感器的特征参量
① 空间分辨率 对沿传感光纤的长度分布的被测量进行测量时所能分辨的最小空间距离
。影响因素： 脉冲的持续时间，探测器的响应时间。
▪ 30 km的FGC-30拉曼测温系统，其空间分辨率为3m、
温度分辨率为0.1℃、测温范围为0～+100℃
测温原理
斯托克斯光：波长大于入射光 反斯托克斯光：波长小于入射光
Is 斯托克斯光光强 Ias 反斯托克斯光光强
温度变化
测温原理：Ias/Is＝ae-kcv/kT
Is不变 Ias变化
光源
耦合器
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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。
② 时间分辨率 传感器对被测量进行测量时，达到被测量的分辨率所需的时间。表征传
分布式光纤传感技术原理
分布式光纤传感技术原理分布式光纤传感技术听起来有点高深，但其实它就像给光纤装上了“千里眼”，能够随时随地监测周围的变化，简直是现代科技的小神通啊！想象一下，一根细细的光纤像蛇一样蜿蜒在大地深处，它可是个“多面手”，无论是温度、压力，还是振动，通通能感知。
而且这根光纤可不是普通的绳索，里面装着光的“精灵”，它们来回穿梭，把周围的“八卦”传递给我们，就像无形的网络一样。
光纤是怎么做到这些的呢？说白了，就是利用了光的特性。
光在光纤里跑的时候，会遇到不同的环境变化，比如温度一升高，光的传播速度就会发生变化，结果就是光信号的“面子”变了，这样我们就能知道环境发生了什么事情，简直是透视眼的感觉！想想看，平常我们没法看到的地底深处，现在都能通过光纤一一掌握，真是让人惊叹。
这种技术的应用可广泛了。
比如说，建设桥梁、隧道，甚至监测大坝的安全，这都能用到分布式光纤。
想象一下，工程师们在施工时，光纤在地下默默工作，发现问题时就像给大家敲响了警钟，不让危险悄悄来临，安全感满满的！这就像是在给我们铺了一条“安全之路”，让人心里倍儿踏实。
除了安全监测，这项技术还在能源领域大展拳脚。
比如说，在油气管道里，光纤可以实时监测管道的状态，发现泄漏就能及时处理，避免资源浪费。
就像是管道里的“健康检查”，只要一有异常，立刻就能知道，真是给这些隐秘的管道上了“心电图”，让人倍感安心。
在农业领域，分布式光纤也能发挥其大作用。
想象一下，农田里的光纤可以监测土壤的湿度和温度，帮助农民决定何时灌溉、施肥，达到事半功倍的效果。
这样一来，农民就不再是靠天吃饭，完全可以通过数据来管理自己的农田，简直是让农活变得轻松多了，谁不想多点科技加持呢？技术再好，总有些挑战。
比如，光纤的布设需要考虑很多因素，比如环境的复杂性、成本等等。
可别小看了这些挑战，它们就像是生活中的小插曲，虽然让人头疼，但只要努力，总能找到解决的办法。
人们正在不断探索，改进这项技术，毕竟，科技的发展永无止境，谁不想追求更好的效果呢？就这样，分布式光纤传感技术像一位默默无闻的英雄，守护着我们生活的方方面面。
分布式光纤传感技术
更高的空间分辨率，达mm级
• 解调方式： 温度/应变/位移等对应反射波的波长偏移
干涉法：波长转换为相位
F-P可调滤波法：压电陶瓷驱动改变F-P 滤波波长，反射波的波长转换为驱动电压。 技术比较成熟。
边沿滤波法：有一定单值边沿的滤波器， 波长对应滤波器的透过率。
• 5、布里渊分布式光纤传感技术 相对于拉曼散射，布里渊散射具有：更小 的频移，更高的功率。 分两类：布里渊散射一般有自发散射和受 激散射。基于自发布里渊散射的BOTDR,基 于受激布里渊散射的BOTDA。
• 拉曼传感原理 基于背向拉曼散射原理，采用OTDR方式进 行空间定位。
光源
光电 探测
信号 处理
OTDR简图
OTDR定位原理：探测点位置、光在光纤 中传播的速度、探测时间三者的关系
分为：光发送模块、光传输模块、光信号 采集模块
• 利用背向拉曼散射光测量温度 反斯托克斯光对温度敏感度高于斯托克斯光。 当入射光、光纤等因素确 定时，每一点的反 斯托克斯光功率随温度而变化。 • 信号解调 有多种方法，对温度进行标定。 常用的一种：T=T0时，得到P(AS)/P(S)的曲 线。T=T1时，得到P(AS)/P(S)的另外一条曲 线。通过两条曲线对比，得到温度分布曲线。
∆t
信号臂
预调制 光源
参考臂
延长线
光电探测 相关运算
• 提高定位精度的一种方法：预调制 • 在信号臂和参考臂的输入端对光信号进行 相位的预调制，调制频率远高于振动产生 的频率。
振动
本振光相位
信号光相位
三、分布式传感关键技术
• 1、微弱信号的检测和噪声的抑制： 瑞利散射光、拉曼散射光、布里渊散射光都 比较微弱。 光噪声和电噪声也不利于信号的解调。
光纤传感技术ppt
二 光纤传感器的分类及构成
光纤传感器的构成 光纤传感器的基本组成除光纤以外， 还有光源和光电元件。
光源：激光二极管（发射波段为）、 发光二极管（）、白炽灯。 光电元件：常用如下4 光电元件：常用如下4种光电元件作探 测器，普通光电二极管、雪崩光电二 极管、肖特基光电二极管、光电晶体 管，有时也用电荷耦合器件、光电导 体和光电倍增管等。
光纤传感器的分类 （1）功能型光纤传感器：这种类型主要 使用单模光纤。光纤不仅起传光作用， 同时又是敏感元件，即光纤同时具有 传、感两种功能。 （2）非功能型光纤传感器：光纤仅起传 光作用。
三 长周期光纤光栅传感器 的发展现状
长周期光纤光栅是近几年才出现 的一种新型光纤无源器件，它在某些 方面有比光纤布拉格光栅更好的光学 特性，现已在光纤通信和光纤传感等 方面发挥越来越重要的作用。
sin θ c =
1 n0
2 n12 − n2 = NA
光纤的传光原理 光纤的数值孔径NA表示为, 光纤的数值孔径NA表示为, 式中，为光纤周围媒质的折射率。对 于空气，。 数值孔径NA是光纤的一个基本参数， 数值孔径NA是光纤的一个基本参数， 它决定了能被传播的光束的半孔径角 的最大值，反映了光纤的集光能力。
自从Hill等人于1978年首次研制出世界 自从Hill等人于1978年首次研制出世界 上第一只光纤光栅— 上第一只光纤光栅—光纤布拉格光栅 以来，无论是光纤的写入方法、理论 研究还是应用都获得了飞速发展。国 内外对长周期光纤光栅的研究和应用 研究已经成为一个新的研究热点。目 前对长周期光纤光栅的研究主要集中 在以下几个方面。
sin θ c = 1 n0
2 n12 − n2 = NA
光纤的传输特性 （1）传输损耗： （2）色散：材料、波导、多模色散。 （3）容量：由于存在光纤色散现象，会 使脉冲展宽，造成信号畸变，从而限 制了光纤的信息容量和品质。
分布式光纤传感系统原理（BOTDR）
分布式光纤传感系统原理
T0时布里渊散射图
激光器, o
T = To
散射材料
分布式光纤传感系统原理
T1时的布里渊频移
激光器, o
T = T1 > To
散射材料
分布式光纤传感系统原理
T2时的布里渊频移
T = T2 > T1 > To
激光器, o
散射材料
分布式光纤传感系统原理
Brillouin 增益, x 10 -11 m/W 不同频率, GHz
Position,
m
全增益谱（频率反应）
150m 光纤
热点
Gain
1.10
1.05
1.00
Frequen1c0y.3,
10.4
GHz
10.5
10.6 0
150
50
100
Position,
m
全增益谱（频率反应）
增益
波长扫描
波长, GHz
距离, km
DiTeSt-STA201 系统结构
EDFA
DFB Laser
E/O Modulator
Control DSP Card
High speed Data
Acquisition
Optical Filter
1x2 optical switch
Optical Port 1
Optical Port 2
Touchscreen Panel PC
Database
布里渊分布式传感器
Omnisens 探测技术:
• 基于 probe signal 的技术（用于波长的控制与扫描）
波长扫描后记录探测强度
DiTeSt 测试系统
分布式光纤传感技术ppt
消防方面
•隧道、地铁、公路和建筑物的火灾监测和报警
——光纤传感器的优势
—
——
DTS
Reyleigh
背向散射光真正的实现沿着光纤的分布式测量
•领先的光时域反射技术
Brilluous
•完全分布式的测量，大大降低误报和漏报率
分布式光纤温度测量系统
分布式光纤温度应变测量系统
火灾监测与报警传送带火灾监测
其他相关：
电力电缆监测
电力电缆
取决于需求，光纤可以安装在电缆内部或外部
电缆管道
电力电缆监测●电缆状态监测
管道泄漏
压力容器
监测外壳温度
更加了解生产状况
在危险环境中安全使用温度可上升到
发电厂监测。
分布式光纤传感技术原理及其应用详解PPT文档42页
61、奢侈是舒适的，否之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
分布式光纤传感技术原理及其应用详 解
1、纪律是管理关系的形式。——阿法 纳西耶 夫 2、改革如果不讲纪律，就难以成功。
3、道德行为训练，不是通过语言影响 ，而是 让儿童 练习良 好道德 行为， 克服懒 惰、轻 率、不 守纪律 、颓废 等不良 行为。 4、学校没有纪律便如磨房里没有水。 ——夸 美纽斯
谢谢！
分布式光纤传感技术
分布式光纤传感技术分布式光纤传感技术瑞利散射是入射光与介质中的微观粒子发生弹性碰撞引起的，散射光的频率与入射光的频率相同。
一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测量的空间定位。
瑞利散射的原理是沿光纤传播的光在纤芯内各点都会有损耗，一部分光沿着与光纤传播方向成180°的方向散射，返回光源。
利用分析光纤中后向散射光的方法测量因散射、吸收等原因产生的光纤传输损耗和各种结构缺陷引起的结构性损耗，通过显示损耗与光纤长度的关系来检测外界信号场分布于光纤上的扰动信息。
由于瑞利散射属于本征损耗，因此可以作为应变场检测参量的信息载体，提供沿光路全程的单值连续检测信号。
利用光时域反射（OTDR）原理来实现对空间分布的温度的测量。
当窄带光脉冲被注入到光纤中去时，该系统通过测后向散射光强随时间变化的关系来检查光纤的连续性并测出其衰减。
入射光经背向散射返回到光纤入射端所需的时间为t，激光脉冲在光纤中所走过的路程为2L=v*t。
v是光在光纤中传播的速度，v=c/n，c为真空中的光速，n为光纤的折射率。
在t时刻测量的是离光纤入射端距离为L处局域的背向散射光。
采用OTDR技术，可以确定光纤处的损耗，光纤故障点、断点的位置。
可以看出，在光纤背向散射谱分布图中，激发线v0两侧的频谱是成对出现的。
在低频一侧频率为v0??v的散射光为斯托克斯光Stokes；在高频的一侧频率为v0??v的散射光为反斯托克斯光anti-Stoke，它们同时包含在拉曼散射和布里渊散射谱中。
光纤中的散射光谱1. 基于瑞利散射的光纤传感技术原理瑞利散射主要特点有：(1) 瑞利散射属于弹性散射，不改变光波的频率，即瑞利散射光与入射光具有相同的波长。
(2) 散射光强与入射光波长的四次方成反比，即I(?)?1?4(3?1)上式表明，入射光的波长越长，瑞利散射光的强度越小。
(3) 散射光强随观察方向而变，在不同的观察方向上，散射光强不同，可表示为I(?)?I0(1?cos2?)(3?2)其中，?为入射光方向与散射光方向的夹角；I0是???/2方向上的散射光强。