分布式光纤传感技术报告-12.10

分布式光纤传感技术报告-12.10

摘要

分布式光纤传感技术是在70年代末提出的，在这十几年里,产生了一系列分布式光纤传感机理和测量系统,并在多个领域得以逐步应用。目前, 这项技术已成为光纤传感技术中最具前途的技术之一。本文主要介绍了光纤的相关特性，分布式光纤传感技术的特点、作用及其分类，详细论述了各种分布式光纤传感器的原理、分布式光纤传感技术的研究现状和具体应用。

关键字：光纤分布式光纤传感技术原理研究现状应用

目录

摘要

引言

1、分布式光纤传感技术简介

1.1光纤基础知识

1)光纤的结构特性

2)光纤的机械特性

3)光纤的损耗特性

2、分布式光纤传感技术原理

2.1 基于光纤后向散射的全分布式光纤传感技术

2.1.1 基于OTDR的微弯传感器

2.1.2 基于自发拉曼散射的光时域散射型（ROTDR）传感器 2.1.3基于受激拉曼效应的传感器

2.1.4基于自发布里渊散射的光时域反射型（BOTDR）传感器 2.1.5基于受激布里渊散射效应的传感器

1)基于布里渊散射的光时域分析型（BOTDA）传感器

2)基于布里渊散射的光频域分析型（BOFDA）传感器

3)基于布里渊散射的光相关域分析型（BOCDA）传感器

4)基于布里渊散射的光相关域反射型（BOCDR）传感

2.1.6基于瑞利散射的偏振光时域反射型（POTDR）传感器 2.1.7基于相位敏感的光时域反射型（Φ-OTDR）传感器

2.2 长距离干涉传感技术

2.3 基于光纤干涉仪的准分布式光纤传感技术

2.4 基于FBG的准分布式光线传感技术

3、分布式光纤传感技术国内外研究进展

4、分布式光线传感技术应用实例

0 引言

光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体、光纤为媒质，感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。作为被测量信号载体的光波和作为光波传输媒质的光纤，具有一系列独特的、其他媒介难以相比的优点。第一光波不产生电磁干扰，也不受电磁干扰影响，易被各种光探测器件接收，可方便地进行光电或电光转换，易于与现代化装置和计算机相匹配；第二光纤工作频带宽，动态范围大，适合于大范围、远距离组网和遥测遥控，是一种优良的低损耗传输线；在一定条件下，光纤特别容易接受被测量加载，是一种优良的敏感元件；光纤本身电绝缘，体积小，易弯曲，抗电磁干扰，抗辐射，耐压，耐腐蚀，特别适合于易燃、易爆、空间狭窄及强电磁干扰等恶劣环境下使用。分布光纤传感技术一问世就受到极大地重视，几乎在各个领域得到研究与应用，成为传感技术的先导，推动传感技术的蓬勃发展。

1 分布式光纤传感技术简介

1.1 光纤基础知识

光纤是光导纤维的简称，是一种重要和常用的波导材料，它利用光的全反射原理将光波能量约束在其界面内，并引导光波沿光纤轴线方向传播。在将光纤作为传感材料应用前，需掌握光纤的结构特性、机械特性以及损耗等特性，依据工程实际的特点选择合适的传感光纤。

1) 光纤的结构特性

光纤的主要结构包括纤芯、包层、涂覆层及护套层[1],其中纤芯和包层为光纤结构的主体，对光波的传播起决定性作用。纤芯直径一般为5m μ-75m μ主要材料为二氧化桂，掺杂有极微量的其他材料，如二氧化错、五氧化二碟等，以提高纤芯的折射率；包层为紧贴纤芯的材料层，其光学折射率稍小于纤芯材料，包层可设置一层或多层，其总直径一般为100m μ-200m μ。包层的主体材料也是二氧化硅，但其微量掺杂材料一般为三氧化二硼或四氧化二硅，以减低包层的折射率；涂覆层的材料一般为硅酮或丙稀酸盐，用于隔离杂光；护套的材料一般为尼龙或其他有机材料，用于增加光纤的机械强度，起到保护光纤的作用。

光纤传感器按照结构特征可分为松套光纤和紧套光纤，松套光纤是涂覆层以内的结构可在护套层内自由移动，可作为通信光纤或者温度补偿光纤使用；紧套光纤则是将塑料紧套层直接加工在光纤涂覆层外，涂覆层以内的结构与包层不发生相对移动，该类型光纤一般用以应变传感。

2) 光纤的机械特性

左右的通信光纤，如不存在裂纹则可承受30kg左右的拉力普通外径125m

作用，然而纤芯中不可避免地存在细裂纹，裂纹在拉力作用下会不断扩展[2]，明显降低光纤的断裂强度。因此，实际的抗拉力仅为7kg左右，但光纤的抗拉强度比起同样粗细钢丝要大1倍。保证光纤制造过程中热源清洁、涂料无尘、拉丝温度合理、高质量研制棒等，可获取高机械强度的光纤产品[3]。

3) 光纤的损耗特性

光波在光纤中传输时，光功率不仅随传输距离增加而呈现指数衰减，还存在吸收损耗、散射损耗等固有损耗。同时，传感器铺设过程中也存在光纤损耗的可能，如光纤弯曲时的曲率半径过小，也会使得光纤内的光在纤芯和包层界面上出现泄漏而产生损耗；光纤之间的连接质量也是引起光纤损耗的重要原因，如纤轴错位、纤轴倾斜、端面有间隙、端面不平整等都有可能引起较大的损耗。目前，光纤间的相互连接釆用光纤熔接机进行高温熔化对接，主要经历纤芯保护层去除、清洁裸纤、端面切割、光纤溶接等工序，各工序均为精细操作，如操作不当均有可能引起明显的光损。光纤的固有损耗在光纤制造工艺不断提高下，其影响已经相当小，而弯曲、熔接操作不良等引起损耗是人为现象，其损耗往往超过固有损耗几个数量级，如不进行严格控制将引起线路失效。

1.2 分布式光纤传感技术

光纤传感器可用于通讯、工程、物理参数测量等领域，随着技术和需求的发展，它由单点检测逐渐发展成为多点准分布式和全分布式检测.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。光纤既作为传感元件，又作为传输元件，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，由于分布式传感技术能够实现大范围测量场中分布信息的提取，可解决目前测量领域的众多难题，因此成为目前国内外研究的热点。

分布式光纤传感器的种类很多，根据监测空间的范围不同，主要可分为准分布式光纤传感器和全分布式光纤传感器两类：

准分布式光纤传感器是把空间上呈一定规则分布的相同调制类型的光纤传感器耦合到一根或者多根光纤总线上，通过寻址、解调，检测出被测量的大小及空间分布，光纤总线仅起到传光作用。因此，准分布式光纤传感系统实质上是多个分立式光纤传感器的复用系统。根据光波被外界信号调制的光波的物理特征参量的变化情况，可将光波的调制分为光强度调制、光频率调制、光波长