分布式光纤传感技术.ppt
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1、分布式光纤传感 技术与应用 1 内容概要 光纤传感技术简介 光纤传感器的分类 光纤传感技术的发展 分布式光纤传感技术 相位调制型分布式传感器 散射型分布式传感器 分布式光纤传感技术的应用 2 一 光纤传感技术简介 光纤传感器用光作为敏感信息的载体,用光 纤作为传递敏感信息的媒质。 同时具有光纤及光学测量的特点: 电绝缘性能好。 抗电磁干扰能力强。 非侵入性。 高灵敏度。 容易实现对被测信号的远距离监控。 光纤传感器可测量位移、速度、加速度、液 位、应变、压力、流量、振动、温度、电流 、电压、磁场等物理量 3 二 光纤传感器的分类 根据光纤在传感器中的作用 可分为功能型、非功能型和拾光型三大类
2、根据光受被测对象的调制形式 可分为:强度调制型、相位调制型、偏振调制型、 频率调制型四大类 根据光是否发生干涉 可分为干涉型和非干涉型 根据是否能够随距离的增加连续地监测被测量 可分为分布式和点式 4 1.根据光纤在传感器中的作用分类 功能型(全光纤型)光纤传感器 利用对外界信息具有敏感能力和检测能力的光纤(或特殊光 纤)作传感元件,将“传”和“感”合为一体。 非功能型(或称传光型)光纤传感器 光纤仅起导光作用,只“传”不“感”,对外界信息的“感觉” 功能依靠其他物理性质的功能元件完成。 拾光型光纤传感器 用光纤作为探头,接收由被测对象辐射的光或被其反射、 散射的光。其典型例子如光纤激光多普勒
3、速度计、辐射式 光纤温度传感器等。 信号 处理 光受 信器 光发送器 光纤 耦合器 被测对象 5 2.根据光受被测对象的调制形式分类 光纤传感是对光波的参量进行调制 可调制参量: 强度调制型光纤传感器 是一种利用被测对象的变化引起敏感元件的折射率、吸收或反 射等参数的变化,而导致光强度变化来实现敏感测量的传感器 。 相位调制传感器 其基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用,使敏感元件的 折射率或传播常数发生变化,而导致光的相位变化,进而使两 束单色光所产生的干涉效果发生变化,通过检测干涉效果的变 化量来确定光的相位变化量,从而得到被测对象的信息。 6 根据光受被测对象的调制形式分类 频率调制光
4、纤传感器 是一种利用单色光射到被测物体上反射回来的光 的频率发生变化来进行监测的传感器。 偏振调制光纤传感器 是一种利用光偏振态变化来传递被测对象信息的 传感器。 7 传感器光学现象被测量光纤分类 干 涉 型 相位 调制 型 弹光效应 Sagnac效应 电、磁致伸缩 振动、压力、加速度、位移 角速度 电场、电压、电流、磁场 SM、PM SM、PM SM、PM a a a 非 干 涉 型 强度 调制 型 遮光板遮断光路 光纤微弯损耗 气体分子吸收 位移 振动、压力、加速度、位移 气体浓度 MM SM MM b b b 偏振 调制 型 法拉第效应 泡克尔斯效应 双折射变化 电流、磁场 电场、电压、
5、 温度 SM MM SM b,a b b 频率 调制 型 多普勒效应 拉曼散射 布里渊散射 速度、流速、振动、加速度 温度 温度、应力 MM MM MM c a a 光纤传感器的分类 注:MM多模;SM单模;PM偏振保持;a,b,c:功能型、非功能型、拾光型 8 三 光纤传感技术的发展 1. 进入实用化阶段,逐步形成传感领域的一个新的 分支。 不少光纤传感器以其特有的优点,替代或更新了传统的 测试系统,如光纤陀螺、光纤水听器等; 出现一些应用光纤传感技术的新型测试系统,如分布式 光纤测温系统、以光纤光栅为主的光纤智能结构; 改造了传统的测试系统,如利用电/光转换和光/电转换 技术以及光纤传输技
6、术,把传统的电子式测量仪表改造 成安全可靠的先进光纤式仪表等。许多特殊场合核工 业、化工和石油钻探中也都应用了光纤传感系统。 根据市场调查分析公司BusinessCommunicationsCompany 发布的关于光纤传感器的市场报告,从2005年到2011年 ,全球光纤传感器(FOS)的整体市场将保持适度增长 态势,预计平均年复合增长率为4.1%,至2011年,全球 产值将达为3.72亿美元。 9 光纤传感技术的发展 2.新的传感技术不断出现,促进了相关领域技术的 发展。 例如,光纤传感网络的出现,促进了智能材料和智能结 构的发展;光子晶体光纤用于传感的可能性促进了光子 晶体的发展等。 智
7、能材料是指将敏感元件嵌入被测构件机体和材料中, 从而在构件或材料常规工作的同时实现对其安全运转、 故障等的实时监控。其中,光纤和电导线与多种材料的 有效结合是关键问题之一。 10 光纤传感技术的发展 智能背心 这是一件嵌入了光 纤和电导线的背心 ,能够感知环境温 度及化学成分的变 化,用于医学和军 事应用。 11 埋入了六根光 纤的纺织品 光纤传感技术的发展 3 原理性研究仍处于重要位置 由于很多光纤传感器的开发是以取代当前已被广泛采用 的传统机电传感系统为目的,所以尽管光纤传感器具有 诸多优势,其市场渗透所面临的困难和挑战仍很巨大。 而那些具有前所未有全新功能的光纤传感器则在竞争中 占有明显
8、优势。 4 相关的应用开发也还任重道远 在很多领域,光纤传感技术尚未实现产业化,许多关键 技术仍然停留在实验室样机阶段,距商业化还有一定的 距离。 12 四 分布式光纤传感技术 利用光波在光纤中传输的特性,可沿光纤长度 方向连续的传感被测量(如温度、压力、应力 和应变等) 光纤既是传感介质,又是被测量的传输介质。 优点: 可在很大的空间范围内连续的进行传感,是其突出 优点。 传感和传光为同一根光纤,传感部分结构简单,使 用方便。 与点式传感器相比,单位长度内信息获取成本大大 降低,性价比高。 13 分布式光纤传感器的特征参量 空间分辨率 指分布式光纤传感器对沿光纤长度分布的被测量进 行测量时所
9、能分辨的最小空间距离。 时间分辨率 指分布式光纤传感器对被测量监测时,达到被测量 的分辨率所需的时间。 被测量分辨率 指分布式光纤传感器对被测量能正确测量的程度。 以上三个分辨率之间有相互制约的关系。 14 典型的分布式光纤传感器 4-1 相位调制型传感器 Mach-Zehnder干涉式传感器 Sagnac干涉式传感器 4-2 散射型传感器 布里渊散射型光纤传感器 拉曼散射型光纤传感器 15 相位调制型光纤传感器 相位调制 当光纤受到机械应力作用时,光纤的长度、芯径 、纤芯折射率都将发生变化,这些变化将导致光 波的相位变化. 是光在光纤中的传播常数 由于相位变化很难直接检测,所以实 际中通常使
10、光发生干涉,将相位的变 化转变为光强的变化进行检测,之后 再解调获得相位变化 光的干涉 光的干涉条件: 相干光源S1、S2发出的光 波在空间P点相遇,两列波 在P点的干涉本质上是两个 同方向、同频率的电磁简 谐振动的叠加。 相干条件:相干条件: 频率相同频率相同 振动方向相同振动方向相同 相位差恒定相位差恒定 (1)M-Z干涉型光纤传感器用作分布式振动传感 随机干扰 干涉臂相位的随机变化 干涉仪输出功率的随机变化 以M-Z干涉仪作为周界监 控系统时,入侵事件出 现将导致接收信号功率 的变化 18 M-Z干涉型光纤传感器的信号处理 信号处理的目标1).对干扰事件进行定性 通过解调获得干扰臂的相位
11、变化,进而根据相 位变化情况分析干扰产生原因。 19 利用3*3耦合器解调原理图 M-Z干涉型光纤传感器的信号处理 通过顺时针和逆时针传输的相位受干扰光 信号到达A点和B点的时延差可计算出产 生干扰的位置。 A点和B点分别对应M-Z干 涉仪两个耦合器的位置。 P点是干扰发生的位置 使用时使干涉仪 两臂中同时存在 顺时针和逆时针 传输的光 20 信号处理的目标2).对干扰事件进行定位 (适用于周界监控及管道监控等应用) 耦合器C2和C3构成M-Z干涉仪 在计算机中对PD1和PD2接 收到的光信号进行互相关计 算,就可以获得干扰出现的 时延差,继而实现干扰定位 利用M-Z干涉仪进行分布式传感的系统
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