基于光纤技术的结构健康监测.ppt

* 传播的光脉冲发生瑞利散射。一部分光沿脉冲相反的方向被散射回来,因而被称为瑞利后向散射,后向散射光提供了与长度有关的衰减细节。 设注入光功率为Po，则沿光纤传输到Z处的后向散射光再传回始端的光功率为 * 其中 、 分别为z处正向、后向传输时的衰减系数,与瑞利散射系数及光纤的结构参数有光。如果能测得 、 两处散射回来的光功率，即可求得 、 间前后向传输的平均衰减系数 若光纤结构参数沿轴向均匀，则衰减系数可表述为 * 距离有关的信息是通过时间信息而得到的(此即光时域反射计中时域的由来),利用折射率n值将这一时域信息转换成距离 长度上任一点光纤特性的微小变化。 * 熔接 弯折 机械固定接头 断裂 光纤尾端 OTDR显示 图1 OTDR曲线与光纤链路对应关系图 距离(km) 功率(w) OTDR曲线与光纤链路对应关系图 * 激光器 耦合器 检测器 传感光纤 基于OTDR的光纤传感系统 * OTDR的主要性能指标 1.动态范围 动态范围是OTDR主要性能指标之一，它决定光纤的最大可测量长度。动态范围越大，曲线线型越好，可测量距离也越长。 2.盲区 盲区又称”死区”,是指受菲涅耳反射的影响,在一定距离范围内OTDR曲线无法反映光纤线路状态的部分。 * 3.分辨率 OTDR有四种主要的分辨指标:取样分辨率、显示分辨率、事件分辨率和距离分辨率。 取样分辨率是指两点之间最小距离此指标决定了OTDR定位事件的能力。 显示分辨率是仪器可以显示的最小值。 事件分辨率是指OTDR对被测链路中事件点的分辨门限，也就是事件阈值，OTDR把小于这个阈值的事件变化当作曲线中斜率均匀变化点来处理。 * 距离分辨率是指仪器所能分辨的两个相邻事件点间的最短距离，此类指标类似事件盲区，与脉宽、折射率参数有关。 目前商用OTDR的最大动态范围可达45dB，最短盲区可以小于1m，最高采样分辨率达到5cm。 * OTDR的应用 分布式光纤传感技术是基于光时域反射技（OTDR）发展起来的一种新型光纤传感技术，最能够体现光纤分布伸展优势的传感测量方法。 OTDR主要有以下六方面的应用:链接上事件的位置，链接的结束或断裂处;链接中的光纤衰减系数;单个事件的损耗（例如一个接头），或链接上端至端合计损耗;一个事件诸如连接器反射幅度；可以自动测量至一个事件的累计损耗;测量光纤长度。 * OTDR目前存在的问题 (1)由于OTDR测试原理是瑞利后向散射，而后向 散射系数非常小，所以在注入端需要非常大的光功率; (2)OTDR的距离分辨率约1m，那么小于1m的事件将无法在仪器上观测。 (3)由于OTDR盲区的存在，那么在盲区内的事件将无法进行观测，这也是在结构健康监测中不允许的。 布里渊光时域反射计（BOTDR) 布里渊光时域反射计(BOTDR)的测量技术，与传统的监测技术相比，该技术具有分布式、长距离、耐腐蚀、抗干扰等诸多优点，因此一些发达国家如日本、加拿大等都在竞相开展这一技术的理论和应用研究,目前国外己有成功的应用实例. BOTDR是一种基于布里渊散射的分布式光纤应变监测技术。应用该技术可以测量光纤沿线的应变分布，如果将光纤埋设在结构物内部或者粘贴在结构物的表面，就可以得到结构物相应位置的应变分布信息。由于BOTDR可以得到结构物的静态应变，该物理量可以满足对结构损伤进行直接定位的基本条件，将其作为损伤标识量可以直接识别和定位结构的损伤，而不需要进行复杂的数学反演。 BOTDR应变测量原理及误差 光波在光纤中传播并与光纤中的声学声子相互作用并发生布里渊散射。布里渊散射光的频率相对于注入的脉冲光频率将产生漂移，可表示为 n表示折射率;， 表示声波速度表示， 入射光波长。 * BOTDR的应变测量原理图 ? ? 布里渊频移与应变的线性关系 线性关系的斜率取决于探测光的波长和所采用的光纤的类型，试验前需要对其进行标定，即确定 和比例系数 ? ? 布里渊频移与温度的线性关系 在环境温度变化不大的情况下，光纤的应变量与布里渊频率的漂移量可用下式表示 为应变时的漂移量； 为无应变时的漂移量； 比例系数； 为光纤的轴向应变量。 从上述两张图中，我们可以发现温度对布里渊频移的影响要远远小于变形的影响，当温度变化较大，可以通过前式进行温度补偿 温度系数， 为温度变化。 * 在光纤的一端，由BOTDR向光纤中连续注入不同频率的脉冲光，并在同一端接收布里渊背向散射光。运用OTDR技术和布里渊分光技术，可以得到布里渊散射光频谱。频谱上的峰值所对应的频率即为布里渊频漂 。