[理学]分布式传感器.ppt

检测30km 光纤沿线的应变， · 空间分辨力可达1m。 · 应变精度: 20 μe (0.002%)· 温度精度 : 1°C · 取样时间 : 20 s 至 5 min (2 min 典型值) 应用场合 优点 缺点 OTDR 断点、损伤检测 连续显示衰减情况 有盲区 BOTDR 应力、温度 测量精度和分辨率高 要求极窄线宽、可调线宽激光器；交叉干扰；功率低 BOTDA 应力、温度 测量精度和分辨率高，大动态范围 系统复杂；两端测量；不能检测断点；交叉干扰 ROTDR 温度 较高测温精度 返回的信号弱，大功率光源 拉曼时域法 拉曼频域法 布里渊时域法 布里渊频域法 三种分布式光纤温度传感器参数比较 传感类型 工作带宽 测量时间 高速采样 信号处理 光源 空间分辨率 温度分辨率 传感距离 宽 短 需要 简单 几百nW 1 1 30 窄 长 不需要 复杂 几百nW 1 1 10 宽 短 需要 简单 几十nW 1 1 11 窄 长 不需要 复杂 几十nW 1 1 11 ①需要激光器的输出稳定、线宽窄，对光源和控制系统的要求很高； ②由于布里渊频移对温度的变化也较敏感，因此，还需要考虑如何将拉伸应变引起的频移与温度引起的频移区分开来． BOTDR的缺点 光纤相位传感器要求有相应的干涉仪来完成相位检测过程。对于一个相位调制干涉型光纤传感器，敏感光纤和干涉仪缺一不可。敏感光纤完成相位调制任务，干涉仪完成相位—光强的转换任务。 光纤相位传感器 干涉型光纤传感器 相位调制 当光纤受到纵向(轴向)的机械应力作用时，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. 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： ①频率相同 ②振动方向相同 ③相位差恒定 根据叠加原理，P点的合振动为 P点的合振动也是一个简谐振动，其振动频率和振动方向都与两单色光波相同，振幅和初相位分别由上式决定。 原始信号与不同幅度调制信号比较 * 1.主动式同步解调（active homodyne） 2.被动式同步解调（passive homodyne） 3×3对称式类比解调 PGC同步解调或合成超外差解调（synthetic heterodyne）技術 差量延迟外差法DDH（differential delay heterodyne） 路径差量匹配干涉仪PMDI（path-match differential interferometry） 3.超外差解调（heterodyne） 解调方案 系统定位原理 定位精度的分析 采样率 噪声 成本 网络化？ 管道保护 * * BJTU 　 Institude of Lightwave Technology Company Logo * * FBG 型分布式传感系统 拉曼（Raman）型分布式传感系统 布里渊（Brillouin）型分布式传感系统 分布式光纤传感系统 OTDR技术 用于分布检测 光纤传感技术在分布测量中的应用（时域变换技术） 光纤 S1 T1 S2 T2 S3 T3 Sn Tn 只需在光纤一端测量，应用方便 假设入射光脉冲宽度为T、功率为P(0)，这束光脉冲以群速度Vg在光纤中传播，假设耦合进光纤中的光功率为 P0 ,考虑沿光纤轴线上任一点 Z,设该点距入射端的距离为 z ,那么该点的光功率为： ] ) ( exp[ ) 0 ( ) ( dx x P z P f - = a 式中， 是光纤前向衰减系数。若光在 Z点被散射,那么该点的背向散射光返回到达入射端时的光功率为： ) ( x f a 式中，S(z)是光纤在 Z点的背向散射系数 ,S(z)具有方向性; 是光纤背向衰减系数。 ) ( x b a （3） （4） 将 (3 )式代入 (4 )可得： （5） 考虑光纤中有 2点 Z1 和 Z2 ,其距入射端的距离分别为 z1 和 z2 (z2 z1 ),这 2点的背向散射光到达输入端时为 PS(z1 )和 PS(z2 ),则由 (5)式得： （6） 对上式两边取对数得： （7） 一般认为光纤的损耗和光纤的结构参数沿轴向近似均匀 ,即认为前向衰减系数和背向衰减系数不随长度z而变,有 ,并认为背向散射系数也不随长度而变 [即 S(z1 )≈ (S(z2 )],则 Z1 和 Z2 两点间平均损耗系数为： （8） 式中的PS(z1 )和 PS(z2 )的值可以从OTDR显示屏上的连续背向散射轨迹的幅度得到 ,进而