分布式光纤传感系统实用介绍42页PPT
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《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
分布式光纤传感技术原理及其应用详解PPT文档42页
5、教导儿童服从真理、服从集体，养 成儿童 自觉的 纪律性 ，这是 儿童道 德教育 最重要 的部分 。—— 陈鹤琴
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！
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
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。
基于布里渊散射原理的分布式光纤传感器ppt课件
由上式可知布里渊频移与温度呈线性关系，温度每变化 1 ，布里渊频移 变化约1.2MHz
由上式可知布里渊频移与应变呈线性关系，应变每变化10-3所引起的布 里渊频移变化Δ 约为50MHz。
2.2布里渊强度与温度和应变的关系
P0为入射脉冲光功率，s为布里渊散射背向捕捉系数，为布里 渊散射损耗系数，W为脉冲宽度， 为光线中速度。
基于布里渊散射原理的分布式 光纤传感器
目录
一、分布式光纤传感器 二、BOTDR基本理论分析 三、BOTDR系统设计 四、BOTDR性能分析 五、布里渊分布式传感器发展方向
一、分布式光纤传感器
基本 原理
分布式光 纤传感器
主要 分类 应用 方向
1.1 分布式光纤传感器基本原理
从光源发出的光经耦合器注入光纤，由光纤传输而通 过敏感元件，光在通过敏感元件时，因敏感元件是暴 露在被测对象(如温度、压力、磁场等)之中且对被测 对象极其敏感，使光在这里受到被测对象的调制，如 光的强度、偏振面、频率和相位等；然后，调制光由 耦合器进入光纤，再经光纤传输到信息处理器上，经 光电检测和信号处理而得到被测对象的信息
约为
计算可得：布里渊强度变化的应变系数 -0.982 Χ10-4 %/με
约为
2.3 温度和应变的分布式同时测量
在BOTDR系统中，通常是利用布里渊频移来 确定温度或应变，一般由布里渊频移确定应变 时假设温度保持不变，而由它测定温度时假设 应变不变。但在实际应用中，往往是温度和应 变同时变化，由于布里渊频移和强度随它们同 时变化，这就出现了传感光纤布里渊散射谱参 数对温度和应变交叉敏感的问题。研究发现布 里渊频移随光纤的温度和应变近似线性变化， 、 PB0分别为参考温度、应变下的布里渊频移和强度； Δ T和Δ ε分别 布里渊强度随温度的上升而近似线性增加，随 为温度和应变的变化量；Cvt、 Cvε 、 CPT、 CPε 分别为布里渊频移、 应变增加而近似线性下降。可采用如下表达式 强度的温度和应变系数。这些系数可以通过实验来确定。 来说明：
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
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，激发线两侧的频谱是成对出现的。
在低频一侧频率为的散射光为斯托克斯光Stokes；在高频的一侧频率为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，可表示为其中，为入射光方向与散射光方向的夹角；是方向上的散射光强。
(4) 散射光具有偏振性，其偏振程度取决于散射光与入射光的夹角。
分布式光纤传感系统介绍
分布式光纤传感系统的关键技术’2
•
光纤传感技术及传感器封装技术
通过光纤传感光路的设计，实现光信号的稳定性 和信号解调的可靠性，并设计合理的封装结构保 证光纤传感不受环境变化的影响，提高传感系统 的可靠性，要解决以下问题：
―
选择合理搭配的光学器件，降低光学损耗和色散。
―
―
设计合理的光路结构，实现合理的光学解调方案，并 保证光学系统工作的可靠性。
• 分组计划
按工作任务分成四个小组 – 激光光源驱动电路设计组：光源设计 – 光纤传感链路及传感器封装设计组：光路设计 – 光电转换与信号采集电路设计组，含A/D转换 与数据存储：信号采集 – 数字信号处理与信号解调组：信号处理 – 系统主机结构设计：信号采集组负责
分布式光纤传感系统的研究计划’2
• 任务计划（光源设计组与信号采集组）
– 完成设计指标分析 – 完成电路设计原理分析与成本核算 – 完成电路原理图设计与分析 – 完成电路PCB和系统机械结构的设计与分析 – 完成PCBA和系统机械件的加工 – 完成PCBA的调试 – 参与系统调试与系统优化
分布式光纤传感系统的研究计划’3
• 任务计划’2（光路设计组）
分布式光纤传感系统的关键技术’5
― A/D转换的精度； ― A/D转换的参考电源的稳定性； ― 采集数据的存储与传输速率。
1、每完成一次完整的测试，要对5千个点做2 个（stokes和 anti-stokes）采样，每个点要采样20万次，因此，一次测试 完成后的数据量为： N＝2 ×5 ×103 ×2 × 105=2G(字节）＝16G（比特） 2、数据传输要求在20s的时间内完成数据传输和处理，则 要求的数据传输 为： V=N/20=16G/20=800 (Mbps)
全分布式光纤传感技术
基于布里渊光频域分析（BOFDA）技 术的分布式光纤传感器
BOFDA同样是利用布里渊频移特性来实现温度/应 变的传感，但其被测量空间定位不再是传统的广时 域反射技术，而是通过得到光纤的复合基带传输函 数来实现的。
fS fP fB
基于布里渊光时域分析（BOTDA）技 术的分布式光纤传感器
处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光与一 连续光注入光纤，当泵浦光和探测光的频差与光纤 中某区域的布里渊频移相等时，在该区域就会产生 布里渊放大效应（受激布里渊散射），称之为布里 渊受激放大作用，两光束之间发生能量转移。
测量精度（Accuracy）
Part.2 关于PPP-BOTDA的说明
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应变测量精度 温度测量精度
7.5微应变 0.35摄氏度
Specification of NBX-7000
测量精度（或称为准确度）是指实测结果（result of a measurement）和真实 值（true value）之间的差异。
由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系，因此 在对两激光器的频率进行连续调节的同时，通过检 测光纤一端耦合出来的连续光的功率，就可以确定 光纤各小段区域上能量转移达到最大时随对应的频 率差，从而得到温度应变信息，实现分布式测量。
Part.2 关于PPP-BOTDA的说明
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