1、分布式光纤光栅传感技术作者：李雷 专业班级：信息研 0904 学号：104972092510摘要：分布式光纤传感技术是近年发展较快的新型传感技术，它利用一条光纤作为传感和传导介质，实现大范围物理量的测量及分布信息的提取，因而它可解决目前测量领域的众多难题。光纤传感器通过改变波长、相位、强度等特性，来实现对外界物理量的传感，同时光纤又是一种很好的通信媒介，因此可以很好的同光纤传感网络系统融合。关键词：分布式；光纤光栅；传感Abstract：The distributed optical fiber sensing technology was the recent years develops
2、the quick new sensing technology, it used an optical fiber to take the sensing and the transmission medium, realized the wide range physical quantity survey and the distribution information extraction, thus it might solve the present survey domain numerous difficult problems. The optical fiber senso
3、r through characteristics and so on change wave length, phase, intensity, realizes to the outside physical quantity sensing, simultaneously the optical fiber is also one kind of very good correspondence medium, therefore may the very good same optical fiber sensing network system fusion.Keywords：dis
4、tributed; fiber grating; sensing分布式光纤传感技术是在 70 年代末提出的，它是随着现在光纤工程中仍应用十分广泛的光时域反射（OTDR）技术的出现而发展起来的。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。1 分布式光纤传感技术的特点分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力，其基本特征为 1： 分布式光纤传感系统中的传感元件仅为光纤； 一次测量就可以获取整个光纤区域内被测量的一维分布图，将光纤架设成光栅状，就可测定被测量的二维和三
5、维分布情况； 系统的空间分辨力一般在米的量级，因而对被测量在更窄范围的变化一般只能观测其平均值； 系统的测量精度与空间分辨力一般存在相互制约关系； 检测信号一般较微弱，因而要求信号处理系统具有较高的信噪比； 由于在检测过程中需进行大量的信号加法平均、频率的扫描、相位的跟踪等处理，因而实现一次完整的测量需较长的时间2 分布式光纤传感技术研究现状分布式光纤传感技术一经出现，就得到了广泛的关注和深入的研究，并且在短短的十几年里得到了飞速的发展。依据信号的性质，该类传感技术可分为 3 类：利用后向瑞利散射的传感技术；利用喇曼效应的传感技术； 利用布里渊效应的传感技术。 2表 1 各种分布式传感技术比较
6、种类 技术原理 目前技术水平 成本 应用 兼容性OTDR、POTDR 瑞利散射 距离200km 、空间分辨率30km、空间分辨率130m 较低 防入侵 好ROTDR、ROFDR 喇曼散射 距离10km 、空间分辨率1m、温度精度 1 中 防火 中频移型BOTDR、BOTDA 布里源散射距离 10100km、空间分辨率130m、温度精度 15 高防火、防入侵 较好光强型 BOTDR 布里源散射 距离 10100km、空间分辨率130m、温度精度 15 较低 防火、防入 侵 较好2.1 利用后向瑞利散射的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所引起的，散射光的频率与入射光
7、的频率相同。在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射（OTDR）结构来实现被测量的空间定位，典型传感器的结构如图 1 所示。依据瑞利散射光在光纤中受到的调制作用，该传感技术可分为强度调制型和偏振态调制型。图 1 后向散射型分布式光纤传感器基本系统框图（1）强度调制型当一束脉冲光在光纤中传播时，由于光纤中存在折射率的微观不均匀性，会产生瑞利散射。如果外界物理量的变化能够引起光纤的吸收、损耗特性或瑞利散射系数的变化，那么通过检测后向散射光信号的强度就能够获得外界物理量的大小。目前基于对后向瑞利散射光进行强度调制的传感器有利用微弯损耗构成的分布式光纤力传感器、利用光纤材料在放射线照射下
8、所引起光损耗构成的分布式辐射传感器，利用化学染料对光的吸收特性构成的分布式化学传感器，利用液芯光纤瑞利散射系数与温度的关系构成的分布式温度传感器。（2）偏振态调制型偏振态光时间域反射法（POTDR）最初是由 Rogers3提出的，其基本原理是：如果光纤受一些外界物理量的调制，那么光的偏振态就会随之发生变化，而瑞利散射光在散射点的偏振方向与入射光相同，所以在光纤的入射端对后向瑞利散射光的偏振态和光信号的延迟时间进行检测就可获得外界物理量的分布情况。由于磁场、电场、横向压力和温度都能够对光纤中光的偏振态进行调制，因此该技术可用于实现多个物理量的测量。基于后向瑞利散射的传感技术是现代分布式光纤传感技
9、术的基础，它在 80 年代初期得到了广泛的发展。然而由于该技术难以克服测量精度低、传感距离短的缺陷，目前在这方面的研究已鲜有报道。2.2 利用拉曼效应的分布式光纤传感技术（1）利用自发拉曼散射的分布式温度传感技术光通过光纤时，光子和光纤中的光声子会产生非弹性碰撞，发生喇曼散射，波长大于入射光为斯托克斯光，波长小于入射光为反斯托克斯光。斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比和温度的关系可由下式表示：R(T)=(s/A)4exp(-hcu/KT) (1)式中 h普朗克常数； c真空光速； K波尔兹曼常数； T绝对温度。因而这一关系与光时域反射技术结合就可构成分布式温度传感器，图 2 是该类传感器的基本结
10、构框图。采用斯托克斯光与反斯托克斯光的强度比可消除光纤的固有损耗和不均匀性所带来的影响。图 2 基于自发喇曼散射的分布式光纤温度传感器原理框图基于拉曼散射的分布式温度传感技术是分布式光纤传感技术中最为成熟的一项技术。（2）利用受激拉曼效应的分布式应力传感技术该传感技术最初是由 Farries 和 Rogers 提出的。处于传感光纤两端的 Nd-YAG 激光器和 He-Ne 激光器分别发出一波长为 617nm 脉冲光和一波长为 633nm 连续波。由于两束光的频率差处于喇曼放大的增益谱内，连续光受脉冲光的作用就以喇曼增益放大。由于喇曼增益对脉冲光和探测光的偏振态极其敏感，而两束光的偏振态能被光纤
11、上的横向应力所调制，因此利用连续光的强度和光在光纤中的传播时间就可获得横向应力在光纤上的分布。2.3 利用布里渊效应的分布式光纤传感技术（1）利用自发布里渊散射的分布式光纤温度、应变传感技术光通过光纤时，光子和光纤中因自发热运动而产生的声子会产生非弹性碰撞，发生自发布里渊散射。散射光的频率相对入射光的频率发生变化，这一变化的大小与散射角和光纤的材料特性有关。与布里渊散射光频率相关的光纤材料特性主要受温度和应变的影响，因此，通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移就可实现分布式温度、应变测量。Tkach 等人在 1989 年提出了一种基于该原理的分布式传感器。Parker 等人于 1997 年通过
12、实验观察到温度、应变与自发布里渊散射光的功率分别存在正、反比例关系，并依据布里渊散射光的频移与温度和应变的变化成正比的实验结果而提出，通过求解功率变化与频率变化的耦合方程可实现单根光纤上温度与应变同时测量。 4（2）利用受激布里渊效应的分布式温度、应变传感技术该技术最初是由日本 NTT 的 Horiguchi 提出的，由于它在温度、应变测量上所能达到的测量精度、传感长度和空间分辨力高于其它传感技术，目前得到广泛的关注与研究。基于该技术的传感器的典型结构为布里渊放大器结构，如图 3 所示。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传感光纤，当两束光的频率差处于相遇光纤区域中的布里渊增
13、益带宽内时，两束光就会在作用点产生布里渊放大器效应，相互间发生能量转移。在对两束激光器的频率进行连续调整的同时，通过检测从光纤一端射出的连续光的功率，就可确定光纤各小段区域上布里渊增益达到最大时所对应的频率差。所确定的频率差与光纤上各段区域上的布里渊频移相等，因此在光纤上与布里渊频移成正比的温度和应变就随之确定。该传感技术所能达到的测量精度主要依赖于两台激光器的调谐精度。图 3 基于受激布城渊效应的分布式光纤传感器框图当脉冲光的频率高于连续光的频率时，脉冲光的能量向连续光转移，这种传感方式称为布里渊增益型；当脉冲光的频率低于连续光的频率时，连续光的能量向脉冲光转移，这种传感方式称为布里渊损耗型
14、。当光纤上的温度或应变为均匀分布时，布里渊增益传感方式会引起脉冲光能量的急剧降低，从而难以实现长距离的检测；布里渊损耗传感方式则引起脉冲光能量的升高，从而能实现长距离的检测。加拿大的鲍晓毅等人采用布里渊损耗的方式实现了长达 51km 的传感长度，并在近期实现了 0.5m 的空间分辨力；德国的 Garus 也提出了一种基于频率域分析法的新型分布式光纤传感技术，它同样利用布里渊频移来实现温度和应变的传感，但在实现被测量的空间定位时没有利用传统的光时域反射法，而是利用了受激布里渊散射的频谱特性。 54 分布式光纤传感网络分布式光纤传感网络系统是一种融合传感、控制等功能的网络系统。光纤传感器通过改变的
15、各种特性，比如波长、相位、强度等，来实现对外界物理量的传感。同时光纤又是一种很好的通信媒介，因此可以很好的同光纤传感网络系统融合。该网络系统具有抗电磁干扰，可靠性高，远距离分布式监测等特点，具有广阔的应用价值和市场前景。用于工业过程检测的分布式光纤温度传感网络是一种实时、在线、多点光纤温度测量系统，是一种新型检测方法与技术。系统中的光纤既是传输媒体又是传感媒体，电磁流量计利用光纤背向喇曼散射的强度，经波分复用器和光电检测器采集了带有温度信号的背向喇曼散射光电信号，再经信号处理，解调后将温度信息实时从噪声中提取出来 并进行显示，涡街流量计它是典型的激光光纤温度通信网络。在一根长为2km 的光纤上
16、可采集1000个温度信息并能进行空间定位，它已经应用于煤矿、隧道的火灾自动温 度报警系统，也可用于油库，危险品仓库的温度报警和大型设备温度分布测量等。微电子技术的迅猛发展，促进了微机械加工技术的日益更新，它已引伸到仪表领域，奠定了现代传感器技术的基础，推动着全新的固态传感器和集成化智能变送器的发展和实用化，涡轮流量计现已取得了引人注目的成果。固态传感器与传统结构型传感器相比较，在技术和性能上发生了质的变化，它使传感器技术向微型化、高精确度、低功耗、智能化方向迈出了一大步，这标志着检测传感器与变送器将发生一场划时代的变革。4 结论由于分布式光纤传感技术能够实现大范围测量场中分布信息的提取，因而它
17、可解决目前测量领域的众多难题，如：分布式温度传感器可用于大、中型变压器、发电机组和油井的温度分布测量，大型仓库、油库、高层建筑、矿井和隧道的火灾防护及报警系统等领域；分布式应力传感器可用于桥梁、堤坝等设施的安全检测，航空、航天飞行器等大型设备老化程度的检测，智能材料制备等领域然而，为了实现快速、稳定、可靠及高精度的测量，仍需要进行多方面的研究。参考文献1 童峥嵘. 光纤光栅传感网路及解调技术的研究D.南开大学，20032 陈冬梅.光纤光栅分布式传感系统及其在煤矿安全监测中的应用D.山东大学，20063 Kalidindi R,Ray L,Iyengar S,Distributed Energy Aware MAC Layer Protocol For Wireless Sensor Networks,Proceedings of the Internation Conference on Wirelss Network,2003：2822864 FENG Li，LIN Yuchi，ZHOU Jingjing，DONG Guimei，XIAGuisuo，Two-layer wireless distributed sensor/control network based on RF,ISICT06,5 黄丽娟.分布式光纤光栅应变传感网络的研究D.燕山大学，2008.10
