1、今怖式宛幷傳嚴 枝*鳥走用o光纖傳感技術簡介O光纖傳感器的分類O光纖傳感技術的發展O分布式光纖傳感技術相位調制型分布式傳感器散射型分布式傳感器一光纖傳感技術簡介O光纖傳感器用光作為敏感信息的載體，用光 纖作為傳遞敏感信息的媒質。同時具有光纖及光學測量的特點： 電絕緣性能好。 抗電干擾能力強。 非侵入性。 高靈敏度。 容易實現對被測信號的遠距離監控。O光纖傳感器可測量位移、速度、加速度、液 位.應變、壓力、流童、振動.溫度.電流 X電壓、磁場尊物理童二光纖傳感器的分類O根據光纖在傳感器中的作用可分為功能型.非功能型和拾光型三大類。根據光受被測對象的調制形式可分為：強度調制型、相位調制型、偏振調制

2、型、 頻率調制型四大類。根據光是否發生干涉可分為干涉型和非千涉型。根據是否能夠隨距離的增加連續地監測被測量可分為分布式和點式1 根據光纖在傳感器中的作用分類。功能型（全光纖型）光纖傳感器利用對外界信息具有敏感能力和檢測能力的光纖（或特殊光 纖）作傳感元件，將"傳"和"感"合為一體。非功能型（或稱傳光型）光纖傳感器光纖僅起導光作用，只“傳”不“感”，對外界信息的“ 感覺”功能依命其他物理性廣的功能元件完成。拾光型光纖傳感器用光纖作為探頭，接收由被測對象輻射的光或被其反射. 散射的光。其典型例子如光纖激光多普勒速度計、輻射或 光纖溫度傳感器等。2.根據光受被

3、測對象的調制形式分類O光纖傳感是對光波的參量進行調制£ = E）cos（er-念）f 可調制參量：£（, cokcot kz.o強度調制型光纖傳感器是一種利用被測對拿的變化引起敏感元件的折射率、吸收或反 射等參數的變化，而導致光強度變化來實現敏感測董的傳感器。o相位調制傳感器其基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的 折射率或傳播常數發生變化，而導致光的相位變化，使兩束單 色光所產生的千涉條紋發生變化，通過檢測干涉條紋的變化量 來確定光的相位變化童，從而得到被測對象的傳息。根據光受被測對象的調制形式分類。頻率調制光纖傳感器是一種利用單色光射到被測物體上反射回來的

4、光 的頻率發生變化來進行監測的傳感器。O偏振調制光纖傳感器是一種利用光偏振態變化來傳逼被測對象信息的 傳感器。光纖傳感器的分類傳感光學現ft光纖分類干涉型相位 調制 型彈光效應 Sagnac效應 電、致伸縮動速場振角電壓力加速度.位移電流.磁場SM. PMSM、PMSM. PM強度 調制 型遮光板遽斷光路 光纖微彎損耗 氣體分子吸收位移 振動、壓力. 氣體濃度加速度、位移MMSM偏振法拉第效應電流、磁場SMb調制泡克爾斯效應電場電壓.MMb型雙折射變化溫度SMb頻率多普勒效應速度、流速、振動、加速度MMc調制拉曼散射溫度MMa型布里淵散射溫度、應力MMa涉型注：MM多模：SM單模：PM偏振保持

5、；a.b.c功能型、非功能型、拾光型.a三光纖傳感技術的發展。1.進入實用化階段，逐步形成傳感領域的一個新的 分支。不少光纖傳感器以其特有的優點，替代或更新了傳統的 測試系統，如光纖陀螺、光纖水聽器等；出現一些應用光纖傳感技術的新型測試系統，如分布式 光纖測溫系統、以光纖光柵為主的光纖智能結構；改造了傳統的測試系統，如利用電/光轉換和光/電轉換 技術以及光纖傳輸技術，把傳統的在許電子式測量儀表 改造成安全可靠的先進光纖式儀表等。許多特殊場合一 核工業、化工和石油鉆探中也都應用了光纖傳感系統。 根據瑞士研究公司Intuchno的“2008年的傳感器市場” 咨詢報告顯示，全球的傳感器市場每年以5.

6、3%的速度從 1998年的325億美元迅譴增長到2003牟的422億美元， 2008年達到約500億©光纖傳感技術的發展02新的傳感原理不斷出現，促進了相關領域技術的 發展0例如，光纖傳感網絡的出現，促進了智能材料和智能結 構的發展；光子晶體光纖用于傳感的可能性促進了光子 晶體的發展等。智能材料是指將敏感元件嵌入被測構件機體和材料中， 從而在構件或材料常規工作的同時實現對其安全運轉、 故障等的實時監控。其中，光纖和電導線與多種材料的 有效結合是關鍵問題之一，尤其是實現與紡織材料的自 動化編織。O智能背心光纖傳感技術的發展這是一件嵌入了 和電導線的背心。 中光纖和電導線的獲 入均已實現

7、了自動化， 為智能型服裝的商業 化解決了又一難題<J光纖傳感技術的發展03原理性研究仍處于重要程置由于很多光纖傳感器的開發是以取代當前己被廣泛采用 的傳統機電傳感系統為目的，所以盡管光纖傳感器具有 諸多優勢，其市場滲透所面臨的a難和挑戰仍很巨大。 而那些具有前所未有全新功能的光纖傳感器則在竟爭中 占有明顯優勢。光纖光柵型傳感器和分布式光纖傳感系統是當前原理性 研究的熱點。4相關的應用開發也還任重道遠在很多領域，光纖傳感技術尚未實現產業化，許多關鍵 技術仍然停留在實驗塞樣機階段，距商業化還有一定的 距離。W分布式光纖傳感器的特征參量O空間分辨率指分布式光纖傳感器對沿光纖長度分布的被測*進

8、行測童時所能分辨的最小空間距離。O時間分辨率指分布式光纖傳感器對被測量監測時，達到被測童 的分辨率所需的時間。O被測量分辨率指分布式光纖傳感器對被測*能正確測量的程度。O以上三個分辨率之間有相互制約的關系。典型的分布式光纖傳感器0 4-1相位調制型傳感器 Mach-Z ehnder千涉式傳感器 Sagnac干涉式傳感器0 4-2散射型傳感器布里淵散射型光纖傳感器拉曼散射型光纖傳感器(1) M-Z干涉型光纖傳感器用作分布式振動傳感干涉儀輸出功率的隨機變化14U6*cboro<jndMoixIntruBJonEvent以MZ干涉儀作為周界監 1!控系統時，入優事件出 V現將導致接收信號功率I

9、 (的變化JIM-Z干涉型光纖傳感S定位原理ccrrP CW尸、 A點和B點分別對應MZ千 涉儀兩個耦合器的位置。 P點是干擾發生的位置Z艸廠使用時使千、涉儀兩臂中同時存在順時針和逆時J 針傳輸的光丿UFB*LD（耦合器C2和C3構威MZ干學儀 PDl取芯傳«光編PD2吝涼數氏采集卡OVD）J計算機（敷分僑）1欽據處理螺在計算機中對PD1和PD2顯、 收到的光信號進行互相關計 算，就可以獲得干擾出現的 時延差，繼而實現干擾定位DFB-LD:分舟反詭半導絳詵.:PD1 PD2:先電探糰CIC3; 3dB北5«合z通過順時針和逆時針傳輸的相位受干擾光 傳:號到達A點和B點的時延

10、差可計算出產 生干擾的位置。Ar =（厶-2Z）/y'vlTnLuTuiHS3利用M-Z干涉儀進行分布式傳感的系統結構圖QrSAGNAC壬涉型分布式傳感器O激光器發出的光經耦合器分為兩束分別柢合進由同一光 纖構成的光纖環中，沿相反方向傳輸，并于潮合器處再 次發生干涉。O當傳感光纖沒有受到千擾時，干涉現象趨于穩定；受到 外界千擾時，正反向兩光束會產生不同的相移，并于拯 合器處發生干涉，干涉信號的光強與干擾發生位置具有 一定關系0光源r 光電抿測器亍輻信號處理烏部干擾HlV 4 一 _ iEgnx干涉儀的另一忘Q型應用是光纖陀螺，即當環形光路有轉動時，順ii時針的光會有非互易性的J光程差&

11、gt; 可用于轉動傳感丿程纖SAGNAC壬涉型分布圭傳感器定位原理O當干擾源信號是正眩信號（或形如正弦信號）時，接 收信號的功率幅值為匕=耳sin（®；&） Ar = r2-r, =«（/?,-/?J/c 牢點頻率發生在 彎 =0"，Ntt 干擾源位iRl與零頻之間的關系為fz = 2廠=冰乙二尺）S 0"o24&Oro12Id, 10<（上）有干擾時光殘信號的理論計算值（上）實臉值< ¥ Y Y Y通過分析接收光 傳號的零頻點位 鄉i即可獲得干擾 入源的位置丿4-2散射型光纖傳感器R-OTDRO利用背向瑞利散射 。

12、利用布里淵散射一 。利用拉曼散射OTDRBOTDR、 B-OTDA(1)光纖中的背向散射光分析reqgncy difilribtitiofi of bdckscMecMj lightPoorer is bend loss-dependentSclterod KghI powerFreney cilnvn «rwj ternpefaturn J Pouflr 13 temperjiture-aapndsm IRayfeagh scattered lightBnftown scattered I6t 2 Raman scattered 1妙（n amount iftd布里淵散射和拉曼散射

13、 在散射前后有頻移，是 I非彈性散射Frequer>cye backscattered light of optical fiber(2)光時域反射(OTDR)技術O 光時域反射(OTDR: OpitcalTime-Domain Rcflcctometry)技術最初殺用于檢臉光纖線路的扌員耗 特性以及故障分析。射光將返回輸入端(主要是瑞利散射光，瑞利散射是光波在光纖中傳輸時由于光纖纖芯折射率在O當光脈沖在光纖中傳輸的時候，由于光纖本身的 性質、連接器、扶頭、彎曲或其他類似亨件而產 生散射、反射，其中背向瑞利散射光和菲涅爾反微觀上的起伏而引起的線性散射，是光纖的固有 特性)OO光時域反射計

14、將通過對返回光功率與返回時間的關系獲得光纖線路沿線的損耗情況。利用OTDR技術測量光纖沿線損耗的結果BOTDR布里淵散射光時域反射(OTDR)技術O散射型分布式傳感技術對被測量的空間定位多基于光時城 反射技術，即向光幷中注入一個脈沖，通過反射信號和入 射脈沖之間的時間差來確定空間位置。d為事件點距離系統終端的距離，C為鼻空光速，n為光纖有效折射率d=)2n。脈沖的重復頻率決定了可監測的光纖長度，而脈沖的寬度 決定了空間定位精度(10ns寬度對應空間分辨率Im)。 upUnitIndex GratingIncident Lighted(2) BOTDR光時域布里淵散射光纖傳感器Q布里淵散射產生機

15、理是入射光與聲波或傳播的壓力波相互作用的結采，這個傳 播的壓力波等效于一個以一定速度移動的密度光柵。因此 布里淵散射可以看成是入射光在移動光柵上的散射。多普勒效應便散射光頻率不同于入射光。AcousticWave QWIHScattered |LlghTCl V則艸& 匚 U A « T £ lT XO量子光學描述：入射光波(泵浦)與介質內彈性聲波 場作用中，一泵浦光子湮滅產生一聲學聲子和散射 (Stokes)光子 OO散射光與泵浦波的傳播方向相反，與入射波的頻移( 在l55mm處)約為：fB=ll.lGHZooSBS的增益比SRS峰值增益大三個數量級，且與波長 無

16、關。O分為自發布里淵散射和受激布里淵散射兩種InputAnti*Stoke's Wave(sound phono奧一OutputA-BOTDR感原理O布里淵散射斯托克斯光相對于入射光的頻移為: 入射光頻4 |介質折射率 _2莎；二介廣中聲速 v# -C泊松比溫度應力(1 QEvJ嚴質的楊氏模# 1+Q(1-2R)qu介質密度折射率變化/>布里淵頻 <移變化BOTDR感原理2520150600鮎02 04 0< %o布里淵散射光頻移會隨著溫度和光纖應變的上升而 線性增加：11幾乩“+幾"聲(卩磯_ "1f 1010.00S lassto g25M ,

17、5 0500111111111110.9510.00lots/J 40 W T»mpenifuro, pZ通過測量布里淵散射光頻移 和光功率，就可以求得被測 I 量點的溫度和應力的大小。VZo布里淵散射光功率會隨溫度的上升而線性增加，隨 應變增加而線性下降：Pr=Pbu+ P tT( O+ P 內心»traio rrwn»rr>«BrtttKo bnlloolo baoKwoAttorod liKt、BOTDR優缺點按一定間隔改變入射光的頻率反復測量， 就可以獲得光幷上每個采樣點 的布里淵散射光的頻譜圖 /o優點： 1連續分布式測量溫度卻應變2.高

18、溫度和應變分辨率4.高空間分辨率5越長傳感范圍（超過80公里）6同一根光纖既可用于傳感，也可用于通信O缺點：需要激光器的輸出穩定.線寬窄，對光源和控制 系統的要求很離；由于自發布里淵散射相當微弱（比瑞利散射約小 兩個數量級），檢測比較困難。(3) ROTDR光時域拉曼散射光纖傳感器O拉曼散射產生機理：在任何分子介廣中，自發拉曼散射會將入射光的一小 部分功率榜移到頻率下移的另一光束中，頻率下移量 由介質的振動模式決定，此過程為拉曼散射量于力竽描述：入射光波的一個尢子被一個分子散射 稱為另一個低頻光子，同時分子完成兩個振動態之間 的躍遷。入射光作為泵浦產生稱為斯托克斯波的頻移光。Ka) kigh

19、Scitlcring乂一Raman ScatteringROTDR感原理。拉曼散射由分于熱運動引起，所以拉曼散射光可 以攜帶散射點的溫度信息。反斯托克斯光的幅度強烈依賴于溫度，而斯托克 斯光則不是。則通過測量斯托克斯光與反斯托克 斯光的功率比，可以探測到溫度的變化。由于自發拉曼散射光一般很弱，比自發布里淵散 射光還弱lOdB,所以必須采用離輸入功率且對探 測到的后向散射光信號取較長時間內的平均值。O此方法上世紀80年代就已被提出，并商用化。ROTDR傳感原理(疽纖予自該冋*妬的更斷|克斯充與沁t緊密相關0常溫下(T=300K)其溫敏系數為8%/C。 采用反斯 托克斯與斯托克斯比值的分布式光纖溫度測量，其結果消 除了光源波動.光纖彎曲等因素的彩響，只與沿光纖的溫 (場關,因比可長時間保證測溫希度。1 M7L3S It1 1n光電基于自發拉曼散射的分布式光纖溫度傳感器原理(5)分布式光纖傳感技術的應用FTAfCA mntorirkg tyyisDom mori1orb9 劌朋* > P«K rT«n«cf«0 tviwn ”. 齊“ Y *Acadtfap