全分布式光纤应力传感器的研究新进展_孙琪真
分布式光纤传感技术及其应用
万方数据ＦＥＡＴＵＲＥｌＦｉｂｅｒＳｅｎｓｉｎｇ２分布式光纤传感技术原理２．１基于后向散射的分布式光纤传感技术如图ｌ所示，当光波在光纤中传输时，会产生后向散射光，包括瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。
检测由光纤沿线各点产生的后向散射，通过这些后向散射光与被测量（如温度、应力、振动等）的关系，可以实现分布式光纤传感。
图１光纤中的后向散射２．１．１基于拉曼散射的分布式光纤温度传感ｆ２】测量光纤中的反斯托克斯喇曼反射信号可以实现分布式温度传感。
从２０世纪８０年代开始，国内外对反斯托克斯拉曼散射信号的光时域测量技术进行了大量的研究。
如图２所示，利用光纤背向拉曼散射的温度效应，光纤所处空间各点的温度场调制了光纤中反斯托克斯背向拉曼散射光的强度，利用光纤的光时域反射技术（ＯＴＤＲ）检测对所测温度点定位。
这种技术测量原理简单，造价相对低廉，目前已经能够实现１０ｋｍ以上的测量距离，并得到一定程度的应用。
但是它需要高功率、短脉冲的光源和高速信号放大采集器件，其测温精度和空间分辨率受到器件性能和造价的限制。
图２基于拉曼散射的分布式光纤温度传感原理示意图近年来光频域反射技术（ＯＦＤＲ）也得到较快发展。
ＯＦＤＲ技术，采用功率调制的连续激光做光源，因此其后向拉曼散射功率比同样入射条件下的ＯＴＤＲ３０嫩光与光电子学进展２００９．１１技术高近２０００倍，信号虽然高速调制，但是频带窄，容易通过滤波除去噪声，能够大大提高传感信号的信噪比，在空间分辨率、检测精度和实时性方面具有更大的优势。
２．１．２基于布里渊散射的分布式光纤温度／应力传感［３】用窄线宽连续激光对单模光纤进行抽运时，布里渊散射是～种主要的非线性效应。
布里渊散射的散射性能可以用布里渊散射频移大小来描述，其大小与介质的声子速率有关，而该速率依赖于温度和应变。
通过光谱分析获得温度或应力信息，并采用脉冲光对参量场分布进行定位，即可实现分布式光纤温度和应力传感，如图３所示。
图３基于布里渊散射的分布式光纤传感原理示意图基于受激布里渊散射的分布式光纤传感技术对于温度、应力等单一分布参数的测量有很高的精度和空间分辨率，是近年来发展起来的一种最具潜力和突破性的技术。
全光纤分布式振动传感技术研究
用于通信系统中，除此之外，光纤也可用来作为传感器方面的设计。
光纤作为感受外界信号的承受体可以感应温度、位移、电场、应力等的变化。
而这些变化则表现为光纤内部结构的某些微观或者介观结构的变化，故在其中传输的光信号也受到影响：传统的传感器以应变＿电量为基础，以电信号为转换及传输的载体，用导线传输电信号，因而使用时受到环境的限制；光纤传感器则是以光信号为变换和传输的载体，利用光纤传输光信号，其优点在于：１）光纤是由石英玻璃制成的，是一种介质、绝缘体，且耐高压、耐腐蚀，能在易燃易爆的环境下可靠运用；２）光纤为无源器件，对被测对象不产生影响：３）光纤体积小，重量轻，可做成任意形状的传感器阵列：４）光纤传感器的载体是光，其频率数量级为１０１４Ｈｚ，从而使传感器频带范围很宽，动态范围很大，且不受电磁场干扰；５）具有极高的灵敏度和分辨率。
所有这些，都是普通传感器所无法比拟的。
光纤能够在人达不到的地方（如高温区），或者对人有害的地区（如核辐射区），起到人的耳目的作用。
而且还能超越人的生理界限，接收人的感官所感受不到的外界信息。
而且在当前数据业务爆炸式增长，通信道路越来越拥挤的情况下，以光替代电作为传输手段也是趋势。
因此，光纤传感技术将成为进行电力、通信和油气管道等行业的安全监测和预防人为破坏的主要技术手段。
美国是研究光纤传感器起步最早、水平最高的国家，在军事和民用领域的应用方面，其进展都十分迅速。
在军事应用方面，研究和开发主要包括：用于水下探测的光纤传感器、用于航空监测的光纤传感器、光纤陀螺、用于核辐射检测的光纤传感器等，这些研究都分别由美国空军、海军、陆军和国家宇航局（ＮＡＳＡ）的有关部门负责，并得到许多大公司的资助。
美国也是最早将光纤传感器用于民用领域的国家，如运用光纤传感器监测电力系统的电流、电压温度等重要参数，监测桥梁和重要建筑物的应力变化，检测肉类和食品的细菌和病毒等。
日本和西欧各国也高度重视光纤传感器的研究，并投入大量经费开展光纤传感器的研究与开发。
一种离散光纤分布式声波传感系统扩频方法[发明专利]
![一种离散光纤分布式声波传感系统扩频方法[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/a1f75fcfa5e9856a571260b5.png)
专利名称：一种离散光纤分布式声波传感系统扩频方法
专利类型：发明专利
发明人：孙琪真,李豪,艾凡,范存政,刘涛,张威,闫志君,刘德明申请号：CN201910682921.3
申请日：20190726
公开号：CN110375842A
公开日：
20191025
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明公开了一种离散光纤分布式声波传感系统扩频方法，包括在两个相邻的测量脉冲间隙插入n个脉冲，对传感光纤的后向散射信号进行相干接收，得到多个散射增强峰的后向复合散射信号，对后向复合散射信号进行相位解调得到传感信息。
本发明提供的离散光纤分布式声波传感系统扩频方法，在单次测量周期内插入n个脉冲，突破了传统系统的距离带宽积限制，提升距离带宽积到原本的(n+1)倍；引入等间隔的连续散射增强点提升后向散射光信号强度和散射光稳定性，使得传感信号更加稳定可靠，散射增强点使光纤后向散射曲线呈离散峰形式，可使多条散射曲线无串扰复合。
申请人：华中科技大学
地址：430074 湖北省武汉市洪山区珞喻路1037号
国籍：CN
代理机构：华中科技大学专利中心
更多信息请下载全文后查看。
全分布式光纤应力传感器的研究新进展_孙琪真
布里渊频移 ,频移量与应力大小成正比 。自发布里 渊散射相对较弱 ,频移量小 (石英光纤对于波长为 1. 3μm 光的应变系数为 5. 8 M Hz/ 10 - 4 ) ,因此测量 谱线移动较为困难 。1993 年 T. Kurashima 等人首 先利用双光源的相干检测方法实现了自发布里渊信 号的检测和分布式应变测量 ,随后又通过引入一个 光频移环路实现了单光源的相干自外差检测 ,克服 了对两光源相干性的要求 。 2. 1. 4 基于相位敏感的光时域反射型 ( Ф2O TDR) 应力传感器[6 ]
利用逆向传输的泵浦光和探测光之间的非线性 效应也可以实现分布式应力传感 。这类传感器动态 范围大 ,测量精度高 ,但需要双端测量 ,系统较复杂 , 同时受到温度的影响 。 2. 2. 1 基于受激拉曼效应的应力传感器
强泵浦脉冲注入单模光纤 ,在斯托克斯波长下 , 与光纤另一端注入的连续探测光相互作用产生非线
Key words : dist ributed optical fiber sensing ; st ress ; spatial resolutio n ; dynamic mea s u re me nt
1 引言
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 。光纤既作传感元件 ,又作 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 。分布式光纤传感器从 20 世纪 70 年代末期发展至今 ,主要分为准分布式 光纤 传 感 器 ( QDOFS) 和 全 分 布 式 光 纤 传 感 器 (DO FS) 。全分布式为连续测量法 ,整个光纤长度 上的任一点都是敏感点 ,属于“海量”测量 ,理论上传 感距离任意长 ,空间分辨率任意小 ,检测没有盲区 ,
分布式光纤传感器监测预应力 锚索应力状态的试验研究
第24卷增2岩石力学与工程学报Vol.24 Supp.2 2005年11月Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering Nov.，2005分布式光纤传感器监测预应力锚索应力状态的试验研究高俊启1，2，施斌1，张巍1，朱虹3，徐洪钟1，张丹1(1. 南京大学地球科学系，江苏南京 210093；2. 南京航空航天大学土木工程系，江苏南京 210016；3. 东南大学土木工程学院，江苏南京 210096)摘要：对预应力锚索应力分布状态的监测一直是岩土预应力锚固工程中的难题之一，而布里渊光时域反射计(BOTDR)光纤应变传感技术是一项新型光电监测技术，可对光纤及其附着支护表面的轴向应变实现分布式监测，因此研究如何将其应用于岩土工程预应力锚固体系的应力监测具有重要的理论意义与工程价值。
分别对1根钢铰线锚索与3根基纶纤维增强复合塑料(AFRP)锚索进行了应力状态监测试验，分布式应变采样点最小间距为5 cm。
测试结果表明，分布式光纤传感器具有较高的测量精度，光纤传感器与应变计测量结果之间的相对误差小于3.8%。
在张拉锚固阶段，1根钢铰线锚索的预应力损失为8.8%，3根AFRP锚索的预应力损失小于6.08%；30 d 后钢铰线锚索预应力损失为11.1%，AFRP锚索预应力损失小于10.3%。
由此可见，将BOTDR分布式光纤传感技术应用于岩土工程预应力锚索的应力分布状态监测具有广阔的前景。
关键词：布里渊光时域反射计；分布式光纤传感器；预应力锚索；应力监测；基纶纤维增强复合塑料中图分类号：TV 223.34；TN 253 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2005)增2–5604–07 EXPERIMENTAL STUDY ON MONITORING OF STRESS FOR PRESTRESSED ANCHORAGE CABLE USING DISTRIBUTED FIBEROPTIC SENSORGAO Jun-qi1，2，SHI Bin1，ZHANG Wei1，ZHU Hong3，XU Hong-zhong1，ZHANG Dan1(1. Department of Earth Sciences，Nanjing University，Nanjing210093，China；2. Department of Civil Engineering，Nanjing University of Aeronautics and Astronautics，Nanjing210016，China；3. College of Civil Engineering，Southeast University，Nanjing210096，China)Abstract：The monitoring of the stress distribution along prestressed anchorage cables is one of the unsettled issues for prestressed reinforcement in geotechnical engineering. As a novel optical fiber sensing technique，BOTDR (Brillouin optical time domain reflectometer) can be used to measure the distributed strain along an optical fiber bonded to the support structure. Therefore，it is of great theoretical significance and practical value to study how to apply this technique to the monitoring of the stress distribution for the prestressed anchorage cables.A tensile test is carried out for one steel and three AFRP (aramid fiber reinforced plastic) prestressed anchorage cables while the strain distributions of the cables are monitored simultaneously with a sample resolution of 5 cm. The experimental results show that the distributed fiber optic sensing holds a rather high accuracy，with a relative error of the measurement results of no more than 3.8% between the fiber optic sensor and the strain gauge. The instantaneous prestressing loss of steel prestressed anchorage cable is 8.8%，while the instantaneous prestressing loss of AFRP prestressed anchorage cables were under 6.08%. After 30 days，the total prestressing loss of steel收稿日期：2004–02–27；修回日期：2004–04–19基金项目：国家杰出青年科学基金项目(40225006)；国家教育部重点资助项目(01086)；南京大学985工程项目第24卷增2 高俊启等. 分布式光纤传感器监测预应力锚索应力状态的试验研究 • 5605 •prestressed anchorage cable was 11.1%，while the total prestressing loss of AFRP prestressed anchorage cables were under 10.3%. Thus，the conclusion can be drawn herein that BOTDR distributed fiber optic sensing shows considerable applicability in monitoring the stress (strain) state of prestressed anchorage cable in geotechnical engineering.Key words：Brillouin optical time domain reflectometer(BOTDR)；distributed fiber optic sensor；prestressed anchorage cable；stress monitoring；aramid fiber reinforced plastic(AFRP)1 引言预应力锚固技术由于具有对岩(土)体扰动小、施工快捷、安全可靠、经济高效等优点，在高边坡防护、大坝加固、滑坡治理等岩土工程中得到广泛的应用[1～3]，如在三峡工程永久船闸高边坡加固工程中，在一些关键部位仅3 000 kN级锚索就布置了367束，且预应力锚索长达60 m[4]。
传感器论文参考文献
传感器论文参考文献传感器论文参考文献一[1]梁瑞冰，孙琪真，沃江海，刘德明微纳尺度光纤布拉格光栅折射率传感的理论研究[]物理学报201910[2]钱银博基于的长距离无源光网络理论与实验研究[]华中科技大学2019[3]赵攀，隋成华，叶必卿微纳光纤构建-干涉光路进行液体折射率变化测量[]浙江工业大学学报201903[4]李宇航，童利民微纳光纤马赫-泽德干涉仪[]激光与光电子学进展201902[5]刘盛春基于拍频解调技术的光纤激光传感技术研究[]南京大学2019[6]高学强，杨日杰潜艇辐射噪声声源级经验公式修正[]声学与电子工程201903[7]胡家艳，江山光纤光栅传感器的应力补偿及温度增敏封装[]光电子·激光201903[8]牛嗣亮光纤法布里-珀罗水听器技术研究[]国防科学技术大学2019[9]曹锋新一代周界防入侵软件系统研究及其应用[]华中科技大学2019[10]唐天国，朱以文，蔡德所，刘浩吾，蔡元奇光纤岩层滑动传感监测原理及试验研究[]岩石力学与工程学报201902[11]詹亚歌，蔡海文，耿建新，瞿荣辉，向世清，王向朝铝槽封装光纤光栅传感器的增敏特性研究[]光子学报201908[12]孙运强激光内通道传输的气体热效应研究[]国防科学技术大学2019[13]刘浩吾，吴永红，丁睿，文利光纤应变传感检测的非线性有限元分析和试验[]光电子·激光201905[14]邓磊技术在无源光网络及光无线系统中的应用与研究[]华中科技大学2019[15]胡家雄，伏同先21世纪常规潜艇声隐身技术发展动态[]舰船科学技术201904[16],,--[]20194[17],-[]20191[18],,--[]20192传感器论文参考文献二[1]孙运强激光内通道传输的气体热效应研究[]国防科学技术大学2019[2]赵兴涛掺镱、亚波长空芯及新型高非线性光子晶体光纤的研究[]北京交通大学2019[3]杨春勇智能光网络中波长路由器的研究[]华中科技大学2019[4]许荣荣光纤环形腔光谱技术与传感应用的研究[]华中科技大学2019[5]张磊基于光子晶体光纤非线性效应的超宽带可调谐光源[]清华大学2019[6]王超基于高频等离子体法制备掺镱微结构光纤及其特性的研究[]燕山大学2019[7]林桢新型大模场直径弯曲不敏感单模及少模光纤的研究[]北京交通大学2019[8]苏伟新型光子准晶光纤及石英基光纤的微观机制研究[]北京交通大学2019[9]许艳基于飞秒光频梳的绝对距离测量技术研究[]华中科技大学2019[10]钱新伟单模光纤高速拉丝工艺与光纤性能研究[]华中科技大学2019[11]刘国华高功率光纤激光器的理论研究[]华中科技大学2019[12]常宇光光纤射频传输接入系统及无线局域网应用研究[]华中科技大学2019[13]张雅婷基于光子晶体光纤的表面等离子体传感技术研究[]华中科技大学2019[14]张小龙同轴电缆接入网信道建模与故障诊断方法研究[]华中科技大学2019[15]张传浩电信级以太无源光网络接入理论与实验研究[]华中科技大学2019[16]吴广生无源光网络与电网络复合接入技术研究[]华中科技大学2019[17]江国舟10以太无源光网络关键技术与应用研究[]华中科技大学2019[18]张利以太无源光网络安全性与增强技术研究[]华中科技大学2019[19]冯亭光纤激光系统放大级增益光纤特性与高质量种子源关键技术研究[]北京交通大学2019[20]张曙和融合网络架构下的上行链路调度算法研究[]华中科技大学2019[21]孙琪真分布式光纤传感与信息处理技术的研究及应用[]华中科技大学2019[22]孙运强Ⅰ钳式镍配合物的合成及性质反应研究Ⅱ有机氟化物的合成新方法研究[]山东大学2019传感器论文参考文献三[1]刘钰旻纳米功能材料在能量转换与储存器件中的应用[]武汉大学2019[2]曾谦声表面波技术在微流控芯片中的集成及应用研究[]武汉大学2019[3]彭露，朱红伟，杨旻，国世上微沟道内两相流速比对液滴形成的影响[]传感技术学报201909[4]郭志霄微液滴和海藻酸凝胶颗粒在微流控芯片中的应用研究[]武汉大学2019[5]全祖赐环境友好型多功能氧化物薄膜的微结构、光学、电学和磁学性能研究[]武汉大学2019[6]彭涛功能电极材料在染料敏化太阳能电池中的应用[]武汉大学2019[7]黄妞光阳极修饰和二氧化钛形貌调制在染料敏化太阳能电池中的应用[]武汉大学2019[8]国世上电子辐照铁电共聚物-及超声传感器的研究[]武汉大学2019[9]韩宏伟染料敏化二氧化钛纳米晶薄膜太阳电池研究[]武汉大学2019[10]何荣祥纳米功能材料器件及其在流体和细胞检测中的应用研究[]武汉大学2019[11]周聪华染料敏化太阳能电池中电极材料和寄生电阻的研究[]武汉大学2019[12]胡浩碳材料对电极在染料敏化太阳能电池中的应用[]武汉大学2019[13]李伟平铁电共聚物-的性能和换能器的模拟研究[]武汉大学2019[14]蓝才红，蒋炳炎，刘瑶，陈闻聚合物微流控芯片键合微通道变形仿真研究[]塑料工业201905[15]叶美英，方群，殷学锋，方肇伦聚二甲基硅氧烷基质微流控芯片封接技术的研究[]高等学校化学学报201912[16]龙驭球编着有限元法概论[]高等教育出版社，1991[17]?,?,,,----[]20195[18],-[]20194[19],-[]20193[20]齐小花，张新祥，常文保微流控芯片仪器进展[]现代仪器201904[21]张扬军，吕振华，徐石安，涂尚荣，丛艳吉汽车空气动力学数值仿真研究进展[]汽车工程201902附件下载。
分布式光纤振动传感网络周界
分布式光纤振动传感网络周界孙志峰;刘德明;刘海荣;孙琪真;李晓磊【摘要】文章介绍了一种基于混合时分/波分复用技术的分布式光纤振动传感网络周界.系统基于光纤干涉传感技术,采用Sagnac干涉仪作周边警戒单元,结合网络通信中的混合时分/波分复用技术,实现了120个用户单元的联合周边警戒,并可扩容到256户.【期刊名称】《光通信研究》【年(卷),期】2010(000)004【总页数】3页(P23-24,45)【关键词】混合时分/波分复用;光纤Sagnac干涉仪;网络周界;传感网络【作者】孙志峰;刘德明;刘海荣;孙琪真;李晓磊【作者单位】华中科技大学,光电子科学与工程学院,湖北,武汉,430074;下一代互联网接入系统国家工程实验室,湖北,武汉,430074;武汉光电国家实验室,湖北,武汉,430074;华中科技大学,光电子科学与工程学院,湖北,武汉,430074;下一代互联网接入系统国家工程实验室,湖北,武汉,430074;武汉光电国家实验室,湖北,武汉,430074;华中科技大学,光电子科学与工程学院,湖北,武汉,430074;下一代互联网接入系统国家工程实验室,湖北,武汉,430074;武汉光电国家实验室,湖北,武汉,430074;华中科技大学,光电子科学与工程学院,湖北,武汉,430074;下一代互联网接入系统国家工程实验室,湖北,武汉,430074;武汉光电国家实验室,湖北,武汉,430074;华中科技大学,光电子科学与工程学院,湖北,武汉,430074;下一代互联网接入系统国家工程实验室,湖北,武汉,430074;武汉光电国家实验室,湖北,武汉,430074【正文语种】中文【中图分类】TP2120 引言近年来，光纤传感系统成为监控领域研究的热点。
光纤传感是以光为载体，以光纤为媒质，感知和传输外界信号的新型传感技术[1]。
这种传感系统，由于整个光纤长度上的任一点都是敏感点，因而没有检测盲区，同时也具备了光纤本身不受电磁干扰、灵敏度高、可靠性高、耐腐蚀和体积小等诸多优点[2]，适用于各种恶劣环境，因此具有十分广阔的市场应用前景[3]。
全分布式光纤传感器的进展
全分布式光纤传感器的进展
张玉金;吴重庆;简水生
【期刊名称】《光纤与电缆及其应用技术》
【年(卷),期】1996()6
【摘要】本文综述了分布式光纤传感器的发展概况，详细论述了基于光散射技术的分布式光纤传感器的原理、特点、技术水平和应用前景。
【总页数】4页(P54-57)
【关键词】传感器;纤维光学;分布式;光纤传感器
【作者】张玉金;吴重庆;简水生
【作者单位】北方交通大学光波技术研究所
【正文语种】中文
【中图分类】TN25;TP212
【相关文献】
1.Φ-OTDR型分布式全光纤传感器研究进展 [J], 施羿;封皓;曾周末
2.全分布式光纤温度传感器研究的进展及趋势 [J], 耿军平;许家栋;郭陈江;韦高
3.基于全分布式光纤传感器测试设备的准分布式光纤传感器的应用研究 [J], 孙光东
4.基于全分布式光纤传感器测试设备的准分布式光纤传感器的应用研究 [J], 孙光东
5.全分布式光纤应力传感器的研究新进展 [J], 孙琪真;刘德明;王健
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室简介
武汉理工大学光纤传感技术国家工程实验室简介
佚名
【期刊名称】《功能材料》
【年(卷),期】2014(45)12
【摘要】光纤传感技术国家工程实验室是2008年由国家发改委批准并投资在武汉理工大学建设的国家工程实验室。
【总页数】1页(PI0003-I0003)
【关键词】光纤传感技术;武汉理工大学;实验室;工程;国家发改委
【正文语种】中文
【中图分类】TP212
【相关文献】
1.铺架光纤传感的未来——访下一代互联网接入系统国家工程实验室物联网接入研究所所长孙琪真 [J], 秦奇
2.光纤通信技术和网络国家重点实验室(筹)简介 [J],
3.“可靠性与环境工程技术”国家科技重点实验室北京卫星环境工程研究所分实验室简介 [J],
4.武汉理工大学将成立“光纤传感技术国家工程实验室” [J],
5.硅酸盐建筑材料国家重点实验室(武汉理工大学)简介 [J],
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
动态综新进展
孙琪真1 , 刘德明1 , 王 健1 , 2
( 1. 华中科技大学 光电子科学与工程学院 ,湖北 武汉 430074 ; 2. 武汉光电国家实验室 ,湖北 武汉 430074)
布里渊光学时域分析 (BO TDA) 。
2. 2. 2. 1 基于脉冲激光泵浦的 BO TDA[5]
传感器工作机理如图 3 所示 ,激光器 1 发出光 频为ν1 的脉冲泵浦光 ( Pulse) 从传感光纤的一端入 纤 ,激光器 2 发出光频为ν2 的连续 ( CW) 探测光从 光纤另一端入纤 。二者在传感光纤中产生受激布里
Key words : dist ributed optical fiber sensing ; st ress ; spatial resolutio n ; dynamic mea s u re me nt
1 引言
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 。光纤既作传感元件 ,又作 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 。分布式光纤传感器从 20 世纪 70 年代末期发展至今 ,主要分为准分布式 光纤 传 感 器 ( QDOFS) 和 全 分 布 式 光 纤 传 感 器 (DO FS) 。全分布式为连续测量法 ,整个光纤长度 上的任一点都是敏感点 ,属于“海量”测量 ,理论上传 感距离任意长 ,空间分辨率任意小 ,检测没有盲区 ,
摘 要 : 全面综述了全分布式光纤应力传感器的发展概况 。对光后向散射技术 、光学非线性 效应 、模式耦合技术和光干涉技术的主要研究方案进行了评述 ,重点介绍和分析了实现高空间分辨 率和动态应力测量的新技术 。最后展望并讨论了全分布式应力传感器的发展趋势和应用前景 。
关键词 : 全分布式光纤传感 ; 应力 ; 空间分辨率 ; 动态测量 中图分类号 : TP212 文献标识码 : A 文章编号 : 1001 - 5868 (2007) 01 - 0010 - 06
在 O TDR 系统中 ,如果光源的线宽足够窄 ,相 干度很高 ,那么从光纤的不同部分返回的散射光会 发生干涉 。利用这种散射光的相干性设计出的相位 敏感型光时域反射系统 ( Ф2O TDR) ,可以探测出传 统 O TDR 系统无法察觉的弱信号干扰 。系统结构 如图 2 所示 。
图 2 基于相位敏感的光时域反射型传感器系统结构
布里渊频移 ,频移量与应力大小成正比 。自发布里 渊散射相对较弱 ,频移量小 (石英光纤对于波长为 1. 3μm 光的应变系数为 5. 8 M Hz/ 10 - 4 ) ,因此测量 谱线移动较为困难 。1993 年 T. Kurashima 等人首 先利用双光源的相干检测方法实现了自发布里渊信 号的检测和分布式应变测量 ,随后又通过引入一个 光频移环路实现了单光源的相干自外差检测 ,克服 了对两光源相干性的要求 。 2. 1. 4 基于相位敏感的光时域反射型 ( Ф2O TDR) 应力传感器[6 ]
·11 ·
SEMICOND UCTOR OPTOEL ECTRONICS Vol. 28 No. 1
Feb. 2007
性效应 ———受激拉曼效应 。根据受激拉曼效应的强
度可以测量应力 、压力等外力场 。
2. 2. 2 基于受激布里渊效应的应力传感器
用窄线宽连续激光对单模光纤进行泵浦时 ,布
里渊散射是一种主要的非线性效应 ,布里渊频移νB
光纤的弯曲会引起传输光损耗的增加 ,而且曲 率半径较小的微弯比曲率半径较大的渐弯造成的光 损耗大得多 。采用包层折射率较低 、损耗较小的聚 合物光纤及外套管作为能量传递装置 ,如图 1 所示 , 将聚合纤维以螺旋形缠绕在传感光纤上 ,再紧贴封 套 。当光纤某处受到压力时 ,传输特性发生改变 ,测 量损耗的空间分布即可确定沿光纤的压力分布 。
渊效应 ,能量发生转移 ,探测光受到放大 (ν1 >ν2 ) 或 衰减 (ν1 <ν2 ) ,若频差恰好等于νB 则光强变化最大 。 在一定范围内连续变化ν1 或ν2 ,传感光纤各处的布 里渊频移就能够测得 ,根据式 (1) 可得到光纤沿线的
应力分布 。
BO TDA 方法的测量精度 ,获得了 1 cm 的空间分辨 率 ,系统框图如图 4 所示 。泵浦光和探测光由同一 只连续 DFB2LD 的输出光经过不同的电光调制得 到 ,二者是相关连续波 。激光频率为正弦调制 ,沿光 纤产生周期性分布的相关峰 。在相关性高的相关峰 位置 ,泵浦和探测光经历同步调制 ,它们的频率差保 持恒定 ,获得的布里渊增益谱跟没有调制时的固有 光谱形状相同 。如果频率差调整到布里渊频移 ,声 波激发相关峰位置的局部受激布里渊散射 。另一方 面 ,在非相关峰位置 ,探测光的频率相对于泵浦光连 续改变 ,频率差不恒定 ,受激布里渊散射被抑制 ,增 益谱变平坦 。测量输出端的布里渊增益谱峰值功率 的频率就可以获得相关峰位置的局部应力信息 。改 变激光器的调制频率 f m ,相关峰的位置随之改变 , 因此能够实现分布式应力传感 ,空间分辨率由相关 峰的锐度决定 。另外 ,泵浦的连续波特性使得实时 的动态应力追踪成为可能 。
图 3 基于脉冲激光泵浦的 BO TDA 传感系统结构图
为了增加传感距离 ,必须避免在长距离传输时 泵浦脉冲光耗尽的情况 ,因此实际应用多采用布里 渊损耗型传感器 (能量由探测光向泵浦光转移) 。在 基于损耗的 BO TDA 系统中 ,空间分辨率决定于脉 冲的持续时间 。采用短脉冲可以提高分辨率 ,但同 时带来两个不利影响 :一方面 ,如果脉冲宽度小于声 子寿命 ,布里渊效应大大减弱 ;另一方面 ,脉冲越短 , 布里渊增益谱越宽 ,测量精度越低[7] 。因此 ,该技术 的空间分辨率难以达到 1 m 以下 。 2. 2. 2. 2 基于相关连续波的 BO TDA[8 ,9 ]
图 1 微弯应力传感器的光缆结构
2. 1. 2 基 于 瑞 利 散 射 的 偏 振 光 时 域 反 射 型 ( PO TDR) 应力传感器[4 ]
入射光为偏振光 ,背向瑞利散射光与入射光的 偏振方向相同 。当光纤的某点受到应力 ,由弹光效 应引起偏振状态的变化 ,实时探测散射光偏振态的 变化即可获得应力的空间分布 。从微弱的散射信号 中提取偏振态演化信息是 PO TDR 分布式传感器的 关键 ,利用解卷积的信号处理方法能够避开时域求 解中脉冲宽度对空间分辨率的限制 ,使信号变尖锐 , 幅度变大 ,可获得的高频分量增多 ,此时限制空间分 辨率的因素将是 A/ D 转换的采样频率 ,采样速率的 提高可以通过非常成熟的采样技术来实现 。 2. 1. 3 基 于 自 发 布 里 渊 散 射 的 光 时 域 反 射 型 (BO TDR) 应力传感器[5]
Abstract : General develop ment of dist ributed optical fiber st ress sensor is f ully summarized. Main research met hods of optical backscat ter technique , optical no nlinear effect , mode co upling technique and op tical interference technique are p resented , and so me new techniques used to achieve high spatial resolutio n and measure dynamic st ress are int ro duced and analyzed specially. Finally , t he developing t rend and p ractical applicatio ns of dist ributed optical fiber st ress sensor are discussed.
收稿日期 :2006 - 09 - 18.
基金项目 :重大基础研究前期研究项目 (2005CCA04200) .
并包容了光纤的不受电磁干扰 ,灵敏度高 ,可靠性 高 ,耐腐蚀 ,体积小等诸多优点 ,因此成为目前国内 外研究的热点[1 ] 。
全分布式光纤应力传感 (DO FSS) 是分布式光 纤传感的一个重要分支 ,利用光纤的应力敏感特性 , 连续实时地监测作用于光纤上的应力 、压力或光纤 附近的振动 ,满足许多特殊环境的要求 ,具有多方面 的应用前景和重大的经济效益 。根据传感原理 , DO FSS 可以分为四类 :光后向散射技术 、光学非线 性效应 、模式耦合技术和光干涉技术等 。本文将从 以上四个方面综述分布式应力传感的主要研究方 法 ,重点介绍近年来出现的高空间分辨率和动态应 力测量的新技术 ,并展望分布式应力传感未来的发 展方向 。
Recent Progress in Distributed Optical Fiber Stress Sensor SU N Qi2zhen1 , L IU De2ming1 , WAN G J ian1 , 2
( 1. School of Optoelectronic Science and Engineering , Huazhong University of Science and Technology , Wuhan 430074 ,CHN; 2. Wuhan National Laboratory for Optoelectronics , Wuhan ,430074 CHN)
当光纤的某点受到应力作用 ,后向散射光产生
连续激光器的输出光经过脉冲强度调制和光放 大 ,由 2 ×2 光纤耦合器传送至传感光纤 ,作用于光 纤某点的应力或压力导致传输至此处的光产生相位 改变 ,光纤中不同部分的后向散射光发生干涉 ,相位 改变表现为输出光强的变化 ,用光电探测器监控从 耦合器另一输入端返回的后向散射光的强度变化 。 Ф2O TDR 的轨迹是光强2时间曲线 ,当传感光纤和光 源一定 ,信号轨迹唯一地表现传感器状态的时间标 签特点 。通过比较前后两次轨迹的差别可以得到相 位改变值 ,轨迹发生变化的时间正比于干扰作用的 位置 ,从而获得沿光纤长度的应力或压力分布 。 2. 2 基于光学非线性效应的 DOFSS