光纤应变传感器 20401033 李永成 目前已经能够利用光纤传感器对材料的应力、应变、温度、固化度、振动、损伤与断裂等开展进行实时的监测。在美国等发达国家,研制出了诸如灵巧蒙皮(SmartSkin)之类的智能结构和材料它在航空航天领域的应用极大的提高了空间飞行器的性能。因此,光纤传感器研究有着诱人的前景。在材料的诸多参数中,利用嵌入式光纤传感器对其应变监测的研究进行的最为充分,发展出多种方法,大体可分干涉型、模式型、偏振型和光强型四种。 1干涉型传感器(InterferometricSensors) 外界应变的作用可使在光纤中传输的光的相位发生变化,干涉型光纤传感器就是通过监测输出信号的相位变化来监测复合材料应变的。它又包括Mach-Zender干涉法、法布里—珀罗干涉法和布拉格光栅法。 1.1Mach-Zender干涉法 下图为Mach-Zender干涉传感器的基本结构。从光源发出的光经耦合器A等量的进入长度相等的参考光纤和测量光纤,然后再经耦合器B输向探测器,由探测器输出信号。工作时,将测量光纤嵌入复合材料,当复合材料发生应变时,测量光纤随之发生变形,从而使通过测量光纤的光程发生变化,在耦合器B处,参考光纤与测量光纤之间由于存在相位差而发生干涉,由探测器将干涉信号输出,通过监测输出的干涉信号就可监测复合材料的内部应变。 1.2法布里—珀罗干涉法(FPI) 1.2.1 法布里－珀罗干仪原理 光纤法布里珀罗干涉腔是在一段光纤的两个端面上由所镀的反射面形成。光射入光纤法布里珀罗干涉腔后光的反射与折射的情况如下图所示两个反射面的反射率分别为r1和r2,设r1=r2腔长为d,并假设R1=R2=R=r2,则入射光经过多次反射和折射后透射光强和反射光强为 位相φ的表达式为: φ=4πnd/λ(3)
实验光纤布拉格光栅（FBG ）应变实验研究 【实验目的】 1) 了解光纤光栅传感器基本原理及FBG 应变测量的基本公式。 2) 了解飞机驾驶杆弹性元件的力学特性。 3) 学习光纤光栅应变测量的基本步骤和方法。 【实验原理】 1.光纤光栅传感器的基本原理及FBG 应变测量的基本公式 光纤布喇格光栅（Fiber Bragg grating, FBG ）用于传感测量技术，主要是通过外界物理量的变化对光纤光栅中心波长的调制来获取传感信息，因此它是一种波长调制型的光纤传感器。FBG 传感原理如图1所示。 图1中，当一束入射光波进入FBG 时，根据光纤光栅模式耦合理论，当满足满足相位 匹配条件时，反射光波即为FBG 的布喇格波长λB ，λB 与有效折射率n eff 和光栅周期Λ的关系为 Λ2eff B n =λ（1) 由式(1)可以知：n eff 与Λ的改变均会引起光纤光栅波长的改变，而且n eff 与Λ的改变与应变和温度有关。应变和温度分别通过弹光效应与热光效应影响n eff ，通过长度改变和热膨胀效应影响周期Λ，进而使λB 发生移动。将耦合波长λB 视为温度T 和应变ε的函数，略去高次项，则由应变和温度波动引起的光纤光栅波长的漂移可表示为 Λ ?+?Λ=?eff eff B 22n n λ (2) I λ I 输入光波 反射光波 透射光波 图1 FBG 传感原理示意图
由式(2)可知光纤光栅中心波长漂移量?λ对轴向应变?ε和环境温度变化?T 比较敏感。通过测量FBG 中心波长的变化，就可测量外界物理量的变化值（如应变、温度等）。 光纤光栅轴向应变测量的一般公式为 ()ελλe B Bz 1p -=?，也是裸光纤光栅轴向应变测量的计 算公式。由上式可知，?λBz 和ε存在线性关系，因此通过解调装置检测出布拉格波长的偏移量?λ，就可以确定被测量ε的变化。 2. 飞机驾驶杆弹性元件的力学特性 杆力传感器弹性元件采用平行梁形式，其结构如图2所示。弹性元件由互相交叉90°的两对关联平行梁组成一个测力悬杆，其中一组感受纵向作用力，另一组感受横向作用力，上下部分连为一体，增加了梁的刚度，提高了梁的固有频率并具有良好的散热条件。对其中每一方向作用力，由于其侧向刚度大，于是侧向负载能力强，与施加力平行的一对平行梁轴向应变可以忽略不计，外加力主要使与作用方向垂直的一对平行梁变形。 杆力传感器弹性元件为方框平行梁结构，为便于分析和简化计算，将方框平行梁简化为 一超静定刚架，力学模型如图3(a)所示。 因为刚架计算通常忽略轴力对变形的影响，力学模型又可进一步简化为一个反对称载 荷作用的刚架，简化后的力学模型如图3(b)所示，其中P=1/2P 0。将受反对称载荷作用的刚 架沿水平对称轴截开，这时垂直梁的截面上有三对内力力，即一对剪力X 、一对轴力N 、一对弯矩M ，多余约束力如图3(c)所示。根据结构力学反对称结构对称的外力为零的理论，因 图2弹性元件结构简图 (纵向) ) 图3简化后的模型 (a)超静定刚架结构 P 0 h (c) 多余未知力图 P P (b) 简化后力学模型 P P a
光纤光栅传感器是一种常用的光学传感器件，分布式光纤光栅就属于准分布式光纤传感器件中的一种。选题方向合理。请尽快确定课题完成方式，明确研究内容，尽快开展课题调研论证工作。75 分布式光纤光栅传感技术 光纤传感技术是一种以光纤为媒介，光为载体，感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术，是伴随着光导纤维及光纤通信技术发展而逐步形成的。在光通信系统中，光纤被用作远距离传输光波信号的媒质，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界因素的影响越小越好，但是，在实际的光传输过程中，光纤容易受到外界环境因素的影响，如温度、压力、应变等外界条件的变化将引起光纤中传输光波的特征参数如频率、相位、光强、偏振态等的变化，通过测量这些参数的变化，就可以得到外界作用于光纤的物理量，这就是光纤传感技术。光纤传感技术的基本原理是：将光源的光入射进光纤，当光在光纤中传输的过程中受到外界物理量影响，使得被测参数与光纤内传输的光相互作用，进行调制，从而使其光学性质如光的频率、波长(颜色)、强度、相位、偏振态等发生变化成为被调制的信号光，然后将这一调制的信号光送入光探测器中进行解调，经信号处理后就可获得被测参数。 光纤传感器与传统传感器相比具有许多明显优势： 1）体积小、重量轻，几何形状具有多方面的适应性，可以做成任意形状的传感器和传感器阵列。 2）抗电磁干扰能力强、耐高温、耐腐蚀，在易燃、易爆环境下安全可靠。 3）光纤传感器件多是无源器件，对被测对象影响较小。 4）便于复用，便于成网。它既可以作为信息的传递媒介，又可以作为信号测量的传感装置。 5）光纤传感器传输频带宽，动态范围大，测量距离长。 光纤传感器的种类很多，按照其工作方式可分为：点式、准分布式和分布式三类。其中，准分布式光纤传感器是使用传感网络系统进行测量的，其光纤不作为传感元件，只作为传输元件，其敏感元件为多个点式的传感器，它们采用串联或各种网络结构形式连接起来，利用波分复用、时分复用或频分复用等技术形成分布式网络系统，进而可以较精确地分时或同时得到被测量信息的空间分布，也可同时得到某一点或某些空间点上不同被测量的分布信息。 光纤光栅传感器除了具有一般光纤传感器耐高温、耐腐蚀等优点之外，还具有波长编码，抗干扰能力强等特性。另外，它较易于在一根光纤中连续写入多个光栅，以制成分布式光纤光栅传感，制得的光栅阵列轻巧柔软，可与渡分复用或时分复用技术等相结合，且十分适于作为分布式传感兀件贴于结构表面或埋人到材料和结构的内部，以实现对结构应变、温度以及压力等的多点监测，这对于目
分布式光纤传感技术报告-12.10
摘要 分布式光纤传感技术是在70年代末提出的，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。本文主要介绍了光纤的相关特性，分布式光纤传感技术的特点、作用及其分类，详细论述了各种分布式光纤传感器的原理、分布式光纤传感技术的研究现状和具体应用。 关键字：光纤分布式光纤传感技术原理研究现状应用
目录 摘要 引言 1、分布式光纤传感技术简介 1.1光纤基础知识 1)光纤的结构特性 2)光纤的机械特性 3)光纤的损耗特性 2、分布式光纤传感技术原理 2.1 基于光纤后向散射的全分布式光纤传感技术 2.1.1 基于OTDR的微弯传感器 2.1.2 基于自发拉曼散射的光时域散射型（ROTDR）传感器 2.1.3基于受激拉曼效应的传感器 2.1.4基于自发布里渊散射的光时域反射型（BOTDR）传感器 2.1.5基于受激布里渊散射效应的传感器 1)基于布里渊散射的光时域分析型（BOTDA）传感器 2)基于布里渊散射的光频域分析型（BOFDA）传感器 3)基于布里渊散射的光相关域分析型（BOCDA）传感器 4)基于布里渊散射的光相关域反射型（BOCDR）传感 2.1.6基于瑞利散射的偏振光时域反射型（POTDR）传感器 2.1.7基于相位敏感的光时域反射型（Φ-OTDR）传感器 2.2 长距离干涉传感技术 2.3 基于光纤干涉仪的准分布式光纤传感技术 2.4 基于FBG的准分布式光线传感技术 3、分布式光纤传感技术国内外研究进展 4、分布式光线传感技术应用实例
龙源期刊网 https://www.doczj.com/doc/808663476.html, 光纤光栅应变传感器二维应变测量方法 作者：李金娟 来源：《无线互联科技》2015年第02期 摘要：文章介绍了光纤光栅二维应力传感测量的试验台的准备、光纤光栅的制备、光纤 光栅的粘贴、实验仪器、实验过程、光纤光栅测量应变与电阻应变片的测量结果作对比。实验结果说明利用光纤光栅应变花可以得出与电阻应变花一致的结果。 关键词：光纤光栅；电阻应变片；应变；直角应变花 光纤光栅应变花进行二维平面应力测量是通过三个光纤光栅的中心波长的变化来测定应变的，电阻应变片应变花测出的应变值对光纤光栅中心波长进行标定。所以粘贴时尽可能保证光纤光栅与对应的电阻应变片的测量方位一致。 1 实验台的准备 由于本实验需要用多个光纤光栅进行二维应力测量，所以不能使用一般的等强度梁，而是用一个十字架形结构，实际上也是一种等强度梁，不过这种装置有两个等强度梁，分别作为十字架的X轴向和Y轴向，用来施加压力，如图1所示。 这是实验的被测表面的俯视图，表面是由我们用一块马口铁皮做成的。实验时在X轴、Y 轴方向分别悬挂砝码盘。砝码的重力通过试验台的等悬梁臂结构拉伸X或者Y方向的铁皮，铁皮的应力的变化引起光纤光栅中心波长的变化，因此为了保证试验的效果，光纤光栅的粘贴必须使光栅光纤紧贴被测表面时同时发生应变。 2 光纤光栅的制备 实验台准备好后重要的是制备光纤光栅，本实验使用3只不同中心波长的光纤光栅，串联成直角应变花来测试动态应力的变化，因而需制备3只不同波长的光纤光栅。由于实验条件的限制，试验室中只有两块相位掩模板，在实验室中只能制备两只光纤光栅，另外一只光纤光栅是已经制备好的光纤光栅。三只光纤光栅的波长位置分别在：1532nm，1544nm，1548nm处附近。 根据实验条件，组建一个光纤光栅制作系统，制作方法采用目前最有效，也是最流行的相位掩模法，其实验系统如图2所示。 本实验用光纤，是载氢掺锗光敏光纤-普通光纤经过载氢处理（在室温下，压强为107Pa 的容器中，载氢两周左右），使得普通通信光纤的光敏性大大增加，达到写制光栅的要求。实验所用的光谱分析仪为国产AV6361，分辨率选择0.2nm，宽带光源使用LED。
光纤中的散射光 当光（电磁）波射入介质时，若介质中存在某些不均匀性（如电场、相位、粒子数密度n、声速v等）使光（电磁）波的传播发生变化，有一部分能量偏离预定的传播方向而向空间中其他任意方向弥散开来，这就是光散射。光的散射现象的表现形式是多种多样的，从不同的角度出发，可有不同的分类，但从产物的物理机制来看，可以分为两大类： 第一类是非纯净介质中的光散射，该散射现象不是介质本身所固有的，而强烈地依赖于掺杂进来的散射中心的性质或介质本身的纯净度。其规律主要表现为：散射光的频率与入射光的频率相同；散射光的强度与入射波长成一定关系。 第二类是纯净介质中的散射，即使所考虑的介质是由成分相同的纯物质组成，其中不含有外来掺杂的质点、颗粒或结构缺陷等，仍然有可能产生光的散射现象，这些散射现象是介质本身所固有的，与介质本身的纯净度没有本质上的关系。属于这类纯净介质的散射现象有如下几种： 1）瑞利散射设介质是由相同的原子或分子组成，由于这些原子或分子空间分布的随机性的统计起伏（密度起伏），造成与电极化特性相应的随机性起伏，而形成入射光的散射。这种散射现象的特点是频率与入射光频率相同，在散射前后原子或分子内能不发生变化，散射光强度与入射光波长的四次方成反比。 2）拉曼散射这种散射现象通常发生在由分子组成的纯净介质中，组成戒指的分子是由一定的原子或离子组成的，它们在分子内部按一定的方式运动（振动或转动），分子内部粒子间的这种相对运动将导致感生电偶极矩随时间的周期性调制，从而可以产生对入射光的散射作用；在单色光入射的情况下，这将是散射光的频率相对于入射光发生一定的移动，频移量正好等于上述调制频率，亦即与散射分子的组成和内部相对运动规律有关。 3）布里渊散射对于任何种类的纯净介质来说，由于组成介质的质点群连续不断的做热运动，使得在介质内始终存在着不同程度上的弹性力学振动或声波场。连续介质的这种宏观弹性力学振动，意味着介质密度（从而也是折射率）随时间和空间的周期性起伏，因而可对入射光产生散射作用，这种作用类似于超声波对光的衍射作用，并且散射光的频移大小与散射角及介质的声波特性有关。
特性 ? 双端或单端监测 ? 使用标准通信单模光纤 ? 优秀的空间分辨率和监测长度? 可选多通道监测 性能表现 ? 0.1米(BOTDA)/1米(BOTDR)空间分辨率? 160km (BOTDA)/ 70km (BOTDR)最大监测距离 产品介绍 运用光纤中的布里渊散射现象，OZ 光学公司提供了精湛的ForeSight?系列分布式传感器系统用于测量光纤的应变和温度变化。安装含有标准通信单模光纤的传感光缆后，用户可以发现何时、何地待测物体的应变或温度发生了改变，并能够帮助用户在故障发生前及时应对。OZ 提供最新二合一机型，可以同时实现BOTDA （Brillouin Optical Time Domain Analyzer ）和BOTDR （Brillouin Optical Time Domain Re ? ectometer ）。如果光纤线路出现故障，比如断纤，这台设备可以从BOTDA 模式切换到BOTDR 模式，并继续测量从设备到断点区间的应变或温度变化。 光纤分布式应变和温度传感器 （DSTS ） BOTDA/BOTDR combo 机型 二合一机型 BOTDR 机型 BOTDA 机型 图片：3U 光电模块配笔记本电脑
油气管线泄漏监测油气井监测 反应塔生产效率监测 大坝监测结构健康监测
高速公路安全监测 ? 当使用恰当的传感光缆并安装后，实现高速公路内部温 度、应变监测 ? 高速公路沉降监测 ? 单通道最大100公里监测长度 地质灾害监测 光缆质量检测海底电缆监测 ? 缆线寿命范围内长期质量、状态监测 ? 可以只使用一根光纤 ? 光纤线路上无需额外器件 电力架空线监测
为了确定土工结构的稳定性、安全性和寿命，智能测量系统能传递可靠、精确的相关数量的信息，比如应变、应力、温度和化学性质。在施工过程和长期的运行控制中，需要用最佳的技术进行监测。 近年来，光纤传感器已被用于恶劣环境下的岩土和土木工程监测的方案中。由于它尺寸紧凑，能被设计成集成结构系统，所以被称为“智能型传感器”。以下是3个成功的土工结构应用实例：1）在准静力循环加载过程中的大直径混凝土钻孔灌注桩的原位应变监测；2）用于钻孔应变测量时所安装在测斜管的永久性记录仪；3）用于实验室的岩石力学性能试验的布拉格光栅光纤应变传感 器。 本文概述了各种情形下研发的测试技术，并把试验结果与参照传感器作了性能比较。讨论了新技术的优势和在岩土工程中潜在的巨大需求。1 布拉格光纤光栅技术在应变和温度传感器系统中的应用 布拉格光纤光栅（FBG ）是本征传感器元件，用UV 激光刻写在光纤上。通常波长约为245nm 。这个敏感元件包含一个空间频率为Λ，且折射率为n 的周期调制的纤维芯。当特征波长为λB 时，光栅是一个选择性很强的谱反射器： λB =2n Λ （1） 光纤传感器系统在土工结构的 静动应变测量上的应用 何晖译，姚诗伟校 （中交上海三航科学研究院有限公司，上海200032） 摘要：评估了光纤传感器作为完整的结构部件在恶劣的环境条件下，进行长期或短期应变监测的可行性。不同的规模和材料的土工试验过程中已经使用了光纤传感器。实例研究包括静力轴向的钻孔桩测试、钻孔测斜、试验室的单轴压缩测试。 关键词：布拉格光纤光栅；钻孔桩应变监测；钻孔测斜；应变测量中图分类号：TU 433 文献标志码：B 文章编号：1002-4972（2010）05-0065-05 Fiber optic sensor systems for static and dynamic strain measurements of geotechnical structures HE Hui,YAO Shi-wei (CCCC Shanghai Harbour Engineering Design &Research Institute Co.,Ltd.,Shanghai 200032,China) Abstract:We assess the feasibility of fiber optic sensors as structurally integrated components for short and long -term strain monitoring under rough environmental conditions.Geotechnical testing procedures at different scales and in various materials have been carried out with these sensors.Case studies include a static axial borepile test,borehole inclinometer measurements,and uniaxial compression tests at laboratory scale. Key words:fiber Bragg grating;strain monitoring of a bored pile;bole hole inclinometer measurements; downhole strain measurement 收稿日期：2009-11-10 作者简介：何晖(1978—)，女，助理工程师，从事科技信息及翻译工作。 2010年5月 第5期总第441期May 2010 No.5Serial No.441 水运工程 Port &Waterway Engineering
分布式光纤传感器系统测量原理 [摘要]: 光在光纤中传播，光与介质中光学声子、声学声子发生碰撞，会产生后向散射的光，这些后向散射的光的频率、强度均会发生改变。其改变量的大小与折射率等有关，而折射率等因素受光纤的应变、温度的影响。 [关键词]：光纤；光纤传感器；测量 中国分类号：TN6 文献标识码：A 文章编号：1002-6908(2007)0110021-01 1．BOTDR的分布式温度和应变测量 BOTDR的分布式应变测量原理，当入射光在光纤中传播时，入射光会与声波声子相互作用，产生布里渊散射。其散射光的传播方向与入射光的传播方向相反。当入射光的波长那布里渊散射的最大能量的频率与入射光的频率之差大约是11GHz。这个频移量就叫做布里渊频移。如果光纤沿径向发生了应变，那布里渊散射对应于应力的频移量，如图1所示： 为了测量分布式的应变，通过使用BOTDR技术，沿着光纤观测布里渊散射光的频谱，确定布里渊频移的大小，从而达到测量应力的目的。如图2所示。在光纤的一端脉冲光入射，同时在这端使用时间域的BOTDR接收布里渊后向散射光。因此，产生布里渊散射的位置与脉冲光发射的位置的距离Z可以由下列登时确定，在这个式中，时间T是发射脉冲光与接收的布里渊散射光的时间差。 为了能获得布里渊散射光的频谱，我们重复上面所做的步骤，我们缓慢的改变入射光的频谱宽度。在布里渊散射光的不同频率段，我们能获得大量的分布式能量。如图2所示。所以，我们能够从获得的布里渊散射光的波形，知道在光纤中任何位置，那散射光的频谱。所以，我们固定频谱到那些Lorentzian弯曲和使用能量峰值的频谱。通过相应弯曲位置的应力。 应变与布里渊频率的改变量的各自联系。在实际的测量中，测量之前，（1）中的系数和布里渊频移可以在无应变时测量出来。然后，频移转换成应变。 注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。
基于高阶模干涉的光纤应变传感器** 李恩邦** (天津大学精密仪器与光电子工程学院,天津300072) 摘要:介绍一种利用光纤内的高阶模干涉原理实现对应变测量的新型光纤应变传感器。在采用相同光纤的条件下,该应变传感器具有与光纤布拉格光栅(FBG)相反符号的应变系数,其温度灵敏度与FBG传感器相同,而应变灵敏度约为FBG传感器的2倍,非常适合与FBG结合实现应变与温度的同时测量,并具有结构简单、制作方便和成本低等特点。 关键词:应变;光纤模间干涉;光纤传感 中图分类号:TN253文献标识码:A文章编号:1005-0086(2007)09-1055-03 A n O ptic Fiber S train Sensor Based on In terferen ce of Higher-ord er Mod es LI En-bang** (College of Precision Instrument and Optoelectroni cs Engineer i ng,T ianjin U niversity,T ianjin300072,China) A bs tra ct:This paper reports on a novel optic-fiber strai n sensor.It has been demonstrated that by uti li zing the i nterference of higher-order modes in a segment of multimod e fi ber,an opti c-fiber strain sensor can be https://www.doczj.com/doc/808663476.html,pared with the most popularly used strain sensor based on fiber Bragg grating(FBG)technology,the prop osed strain sensor has an almost doub-led strain sensitivity wi th an opposite sign.The temperature sensitivity of the strai n sensor descri bed in this paper is as same as that of FBG strai n sensors.Therefore,the proposed strain sensor can be used wi th F B G sensors for simultaneous strain and temperature measurements.Other features i nclude an extremely simple structure an d low cost. Key words:strain;modal interference;optical fiber sensing 1引言 目前,使用最广泛的光纤应变传感器主要是基于光纤布拉格光栅(FBG)技术[1~3]。作为一种全光纤器件,FBG已被广泛地用于光纤通信和光纤传感等领域。FBG传感器除具有光纤传感的共同特点外,还可以光波长复用方式实现多点分布测量等显著的优点,因而在无法使用传统传感器的场合发挥了巨大作用。FBG对温度和应变有交叉敏感性,在实际应用中需要采用特殊技术将应变与温度分离[4]。常用的方法是使用2个具有不同应变与温度系数的FBG[5],在测得2个传感器的布拉格波长的变化后,通过计算同时得到被测应变与温度值[6~8]。采用具有不同直径或不同材料的光纤制作的FBG可以实现上述应变与温度分离方法。然而,实际应用中,无论是改变光纤直径还是使用不同材料的光纤都会对FBG制作以及与其它光纤器件的熔接带来困难。 本文将介绍一种新型光纤应变传感器,它利用光纤内的高阶模干涉的原理实现对应变的测量。在采用相同光纤的条件下,该应变传感器具有与FBG相反符号的应变系数,其温度灵敏度与FBG传感器相同,而应变灵敏度约为FBG传感器的2倍。非常适合与FBG结合实现应变与温度的同时测量,并具有结构简单、制作方便和成本低等特点。 2传感原理 如图1所示,如果将一段多模光纤(MMF)与一单模光纤(SMF)无偏心对接,由SMF传来的基模光进入MMF后,将形成基模LP01和若干高阶模LP0N。由SMF基模向这些导模的耦合系数分布是不均匀的。这些导模将沿MMF传播,到达MMF的端面后,被发射后沿相反方向传播。在SMF与MMF 的界面,由于不同阶数的导模模场分布的差异,因而导致它们在向SMF基模耦合时耦合系数间的不同,其结果是只有少数导模才有可能被有效地耦合到SMF中。在这里,SMF起到了选择模式的作用。被耦合到SMF中的导模,由光纤耦合器或环行器与入射光分离,在光探测器发生干涉,当入射光的波长满足 K=8n ma2 (N1-N2)[2(N1+N2)-1]L(1)时,形成干涉极大。式中:n为MMF纤芯的折射率;m为一正整数;a为MMF纤芯半径;L为MMF的长度;N1、N2为导模LP0N的阶数。 光电子#激光 第18卷第9期2007年9月Journal of O p toelectronics#Laser Vo l.18No.9Sep.2007 *收稿日期:2006-09-05 *基金项目:国家自然科学基金资助项目(60578054) **E-m ail:enbang@https://www.doczj.com/doc/808663476.html,
光纤光栅应变监测 监测原理 光纤光栅就是一段光纤，其纤芯中具有折射率周期性变化的结构。根据模耦合理论， Λ=n B 2λ的波长就被光纤光栅所反射回去（其中λ B 为光纤光栅的中心波长，Λ为光栅周 期，n 为纤芯的有效折射率）。 图1 光纤光栅的结构 反射的中心波长信号λB ，跟光栅周期Λ，纤芯的有效折射率n 有关，所以当外界的被测量引起光纤光栅温度、应力改变都会导致反射的中心波长的变化。也就是说光纤光栅反射光中心波长的变化反映了外界被测信号的变化情况。当布喇格光纤光栅做探头测量外界的温度、压力或应力时，光栅自身的栅距发生变化，从而引起反射波长的变化，解调装置即通过检测波长的变化推导出外界被测温度、压力或应力。 性能指标
主要特点 ★可靠性好、抗干扰能力强 ★ 测量精度高 ★ 分布式测量，测量点多，测量范围大。 ★ 传感头结构简单、尺寸小 ★ 抗电磁干扰、抗腐蚀、适于恶劣的化学环境 下工作。 ★ 系统安装使用过程中无需定标，使用寿命可 达25年以上，适用于长期监测。 应用领域 航空航天器、石油化学工业设备、电力设备、船舶结构、建筑结构、桥梁结构、医疗器具、核反应堆结构等 工程实例
采用光纤监测混凝土大管桩在施工过程中的应变结果分析 舟山万邦永跃船舶修造有限公司30万吨级舾装码头船坞应变监测 徐州矿务局张双楼煤矿主通风井冻法施工安全监测 内蒙古多伦电厂桩基静载测试 马来西亚宾城跨海大桥桩基承载力检测 深表土冻结外井壁光纤应力实测分析 监测点布置总体原则 为掌握竖井壁变形动态，并在今后继续发挥其安全预警作用，应布设较为全面完整的多方位监测体系，从而最大限度的发挥光纤光栅传感器的功能，经初步分析，井壁可能的变形主要包括：井壁受周围粘土挤压产生应变；应变引起井壁相对位移（井壁收敛）；深度不同引起叠加位移等，另外因采用冻法施工，井壁壁后温度也是影响作业面及支护初期安全的重要要素，这些要素很有可能成为护壁破坏失稳、发生恶性事故的诱发条件。综上述，竖井监测系统设计的总体原则是： 采用多层、多向监测的方法，在关键点（层）布置光纤应变、温度传感器，监测内容包括：井壁应变监测、壁后温度监测。 现场工况较为潮湿，施工线路较多，监测设备应具有很好的防水、防电磁干扰性能； 现场采集数据难度大，应采用微机室内实时采集的方式（数据采集中心）； 做好充足施工前准备工作，保证设备安装迅速，准确，不影响现场正常施工。 监测内容的确定 （1）应变监测：计划3层，分别位于170.0m、195.0m、220.0m（根据实际支模板时按照施工工艺做适当调整），每层布设监测点5个。监测点布置图见附图一，可与业主协商增加或减少监测层数、点数。 （2）温度监测：计划3层，分别位于170.0m、195.0m、220.0m（根据实际支模板时按照施工工艺做适当调整），每层布设监测点5个(与应变传感器处于同一位置靠外侧)。 （3）安装应变传感器时应考虑每层至少1个为竖井纵向方向安置。 （4）施工过程中可根据监测数据分析结果调整各阶段监测内容。 监测周期的确定 从前述本监测项目任务可以看到，本监测项目数据采集部分分为两个阶段，一为竖井开挖粘土层施工过程中的监测，二为粘土层通过后的监测。在施工过程中，为了做到全面掌握
分布式光纤传感技术在地震监测中的应用探讨 刘文义 （中国地震局第二监测中心，陕西西安 710054） 1 分布式光纤传感技术 分布式光纤传感利用光导纤维具有的传感、传输双重特性，实现对被测量对象沿光纤分布的多点甚至连续测量，以达到取代多台独立点传感器的目的。它既具有光纤的抗电磁场干扰、大信号传输带宽等优点，又突破了点式光纤传感的限制，可以同时获得被测量对象测量参数的空间分布及其随时间变化的信息，并使之能够进行远距离遥测监控，在许多工程领域有重大的应用价值。 分布式光纤传感技术主要有3个方面的突破：①基于瑞利散射的分布式光纤传感技术；②基于拉曼散射的分布式光纤传感技术；③基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。基于布里渊散射的分布式传感技术的研究起步较晚，但由于它在温度、应变测量上所达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他传感技术，因此，这种技术在目前得到广泛关注与研究。 2 布里渊分布式光纤传感系统研究现状和产品性能分析 （1）传感方案的研究现状。目前，基于布里渊散射的分布式光纤传感系统从方案上分主要有三种：时域反射计（BOTDR）的光纤传感技术、时域分析（BOTDA）的光纤传感技术、光频域分析（BOFDA）的光纤传感技术。由于基于BOTDR的传感方式最大的优点是只需要单端入射，结构简单，从而在实际应用中会很方便，所以，目前国内外对此方案的研究投入相对较多，是技术与产品最成熟的光纤传感器。 （2）传感系统性能的研究现状。对传感系统的性能的研究成果比较突出的主要集中在以下4个方面：温度或应变传感系统的研究；温度和应变同时传感系统的研究；提高系统空间分辨率的研究；提高系统传感距离的研究。 （3）主要分布式光纤传感器产品。目前主要有日本、英国、瑞士、加拿大等国的公司生产商用产品。 3 分布式光纤监测技术的最新进展 （1）国际研究进展。近年来，光纤传感器研究现状和发展趋势呈现出以下几个方面的特点：传感监测的解调技术更加先进，性能和指标更加精确和准确；分布式监测越来越受重视，已成为地质、岩土和土木工程监测的发展方向；应用技术的研究在不断加强，包括光纤传感器的封装技术，特种传感光纤的研制，传感光纤的铺设和安装技术等；相关技术的应用领域和范围迅速扩大。 （2）我国研究应用现状。近几年，我国在研究和应用方面有了长足的发展，新型传感技术不断涌现，工程的应用面不断扩大。与国际上一些先进国家相比还存在着一定的差距，主要体现在一些核心的传感解调技术还掌握在少数国家手中，监测仪器昂贵导致这些先进技术的推广和应用受到了很大影响。 4 在地震监测中的可行性研究 与目前地震监测的方法相比，分布式光纤传感器除具有结构简单、灵敏度高、耐腐蚀、电绝缘、防爆性好、抗电磁干扰、光路可挠曲、易于与计算机连接、便于遥测等优点外，其最显著的优点就是可以测出光纤沿线任一点上的应变、温度和损伤等信息，实现对监测对象的全方位立体监测。因此，引进、研究和开发分布式光纤应变/温度观测技术对活动块体边界带（或断裂带）的监测具有重要意义。 （作者信箱：sf55@https://www.doczj.com/doc/808663476.html,） 101
分布式光纤传感温度报警系统Ξ 张在宣 郭 宁 余向东 吴孝彪 (中国计量学院光电子技术研究所,杭州310034) 摘 要 研制了一种由分布光纤温度传感器系统组成的新型在线自动温度检测、报警系统,它是一种特殊的光纤通信网络,也是一种光纤雷达。文中讨论了系统的工作原理、调制与解调原理,系统的组成结构和系统的报警特性。在一根2km光纤上可采集一千个温度信息并能进行空间定位,是一种理想的温度报警系统。 关键词 分布光纤温度传感器 光时域反射技术 温度报警系统 一、前 言 分布式光纤温度传感器系统实质上是分布光纤喇曼(Raman)光子传感器(DOFRPS)系统,它是近年来发展起来的一种用于实时测量空间温度场的光纤传感系统。在系统中光纤既是传输媒体又是传感媒体,利用光纤背向喇曼散射的温度效应,光纤所处空间各点的温度场调制了光纤中的背向喇曼散射的强度,即反斯托克斯(stokes)背向喇曼散射光的强度),经波分复用器和光电检测器采集了带有温度信息的背向喇曼散射光电信号,再经信号处理系统解调后,将温度信息实时从噪声中提取出来并进行显示,它是一种典型的光纤通信网络;在时域里,利用光纤中光波的传播速度和背向光回波的时间间隔,利用光纤的光时域反射(O TDR)技术对所测温度点定位,它是一种典型的光雷达系统。 分布光纤传感系统中的传感光纤不带电,抗射频和电磁干扰,防燃、防爆、抗腐蚀、耐高电压和强电磁场、耐电离辐射,能在有害环境中安全运行,系统具有自标定、自校准和自检测功能;即使在光纤受损时不仅可继续工作,而且可检测出断点位置。在一根2km光纤上可采集一千个温度信息并能进行空间定位,由于分布光纤传感系统的优越特性,已经开始应用于火灾自动温度报警系统。 分布光纤温度传感器的主要用途: 11用于煤矿、隧道的温度自动报警控制系统; 21油库、油轮,危险品仓库,大型货轮,军火库等温度自动报警控制系统; 31高层建筑、智能大厦、桥梁、高速公路等在线动态检测和火灾防治及报警; 41各种大、中型变压器,发电机组的温度分布测量,热保护和故障诊断; 51地下和架空高压电力电缆的热检测与监控; 61火力发电所的配管温度、供热系统的管道、输油管道的热点检测和故障诊断;化工原料、照相材料及油料生产过程在线动态检测; 71作为一种典型的机敏结构用于航空、航天飞行器在线动态检测和机器人的神经网络系统。 分布光纤温度传感系统是一种光机电和计算机一体化的高科技,世界上有英国、日本、瑞士和我国研制生产,英国、日本等应用于大型变压器、发电机组热保护和保障诊断,日本、瑞士和我国开始应用于火灾自动报警控制系统。 分布光纤温度传感器系统可显示温度的传播方向、速度和受热面积。可将报警区域的 42计量技术 20001№2Ξ国家首批产学研工程项目资助
光纤分布式声波传感技术 刘德中通信学院 2013010917006 内容摘要 声波属于物质波,其实质是质点振动、应力、压力等在弹性介质中的多样表现形式。在声学的研究领域中,声波的产生机制、传播形式以及检测方法是会共同涉及的内容。目前的声波检测技术就是利用声波信号在弹性介质内的传播变化实现对检测目标的测探、准确识别、定位等。 在光纤传感领域,当前的一个研究热点就是光纤声波检测,它可以用作水听器,应用于海洋、陆地石油、天然气勘探输油管道实时检测预警系统;也可用作光纤麦克风,用光纤光栅制成的声波传感探头基元以光纤光栅的中心波长调制来获得传感信息的,它具有灵敏度高、抗干扰能力强、全光纤的特点,同时还具有能够实现波分复用、检测探头的微型化等特点。 关键词：声波检测光纤传感技术分布式震动传感布里渊散射 一、技术原理 （一）基于光纤光栅的传感器 基于光纤光栅的传感器的原理是当温度、应变、折射率、应力、浓度等外界环境因素出现变化时,光纤光栅的有效折射率或者是光纤光栅周期就会发生 改变,从而使得光纤光栅的中心波长出现变化,对这一变化量经过信号处理之 后,就能够获得所需要检测的参数。这一过程中,传感信号的获得方式是通过光 纤光栅中心波长的调制实现的,相比于强度调制传感器而言,光纤光栅传感器 的灵敏度更高,更广的动态测量范围。所以,基于光纤光栅的传感器以其自身强 大的抗干扰能力、高灵敏 度以及对光源的稳定性及 能量特征要求低的特性, 使其在精确、精密测量方 面十分合适,光纤光栅传 感器目前已经占据了以光 纤为主要材料的44%左右。 （二）光纤声波传感器 声音属于微压动态信号,要想测量声音信号,可以通过监测频率或声压来实现。一般情况下,人们在传递和探测声信号时,会使用电子式传声器,该传声 器具有声-电换能原理,然而在一些特殊的环境中,如在核磁共振、强电磁干扰 或易燃易爆环境中,一些电子式传声器会失去作用,加之信号衰减会给传感器 端的弱电量信号带来不利影响,所以在较远的距离间无法使用电子式传声器, 这给远距测量带来了诸多难题。为了让信息能够准确传递出去,必须研宄一种 无源传声器,这种传声器不受电磁的干扰,还能在较远的距离间进行传输。光纤
第37卷 第6期 中 国 激 光 Vol.37,No.62010年6月 CHIN ES E J OURNAL OF LAS ERS J une ,2010 文章编号:025827025(2010)0621501204 用于分布式光纤传感的全光纤激光器 高存孝1 朱少岚1,2 冯 莉1 宋志远1,2 曹宗英1 何浩东1 牛林全1,2 1 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子技术国家重点实验室,陕西西安710119 2 中国科学院研究生院,北京100049 摘要 报道了一台适用于分布式光纤传感的全光纤激光器。激光器基于主振荡功率放大(MOPA )技术,种子光源为半导体激光器,放大器为掺铒光纤放大器。实现了重复频率和脉冲宽度分别独立可调的激光输出,中心波长为 1550nm ,光谱的3dB 带宽小于0.2nm ,获得的最高峰值功率为1.1kW ,输出的激光脉冲中放大自发辐射(ASE ) 功率分数的最大值低于10%。 关键词 激光器;光纤激光器;掺铒光纤放大器;分布式光纤传感 中图分类号 TN248.1 文献标识码 A doi :10.3788/CJL 20103706.1501 A n All Fi be r L as e r f o r Dis t ri but ed Op t ical Fi be r S e ns o r Gao Cunxiao 1 Zhu Shaolan 1,2 Feng Li 1 Song Zhiyuan 1,2 Cao Zongying 1 He Haodong 1 Niu Linquan 1,2 1 St a te Key L abor ator y of Tr a nsie nt Op tics a n d Photonics ,Xi ′a n I nstit ute of Op tics a n d Precision Mecha nics , Chi nese Aca de m y of Sciences ,Xi ′a n ,S ha a nxi 710119,Chi n a 2 Gr a d ua te U niversit y of Chi nese Aca dem y of Scie nces ,Beiji ng 100049,Chi n a Abs t r act An all fiber laser which is suitable for dist ributed optical fiber sensor is reported.The laser is based on the technique of master 2oscillator 2power 2amplifier (MOPA ),whose seed laser is a laser diode and amplifier is Er 3+doped fiber amplifier.The laser operates in wavelength of 1550nm with the tunable repetition rate and the p ulsewdith ,and the 3dB width is less than 0.2nm.The maximum peak power 1.1kW of laser p ulse is obtained ,and the power of amplified spontaneous emission (AS E )in the outp ut pulse is less than 10%in all condition.Key w or ds lasers ;fiber laser ;Er 3+doped fiber amplifier ;dist ributed optical fiber sensor 收稿日期:2010203222;收到修改稿日期:2010204216 作者简介:高存孝(1979—),男,助理研究员,主要从事脉冲光纤激光器、放大器以及脉冲半导体激光器技术等方面的研 究。E 2mail :cxgao @https://www.doczj.com/doc/808663476.html, 1 引 言 分布式光纤传感技术是集光、机、电为一体的综合性技术,具有寿命长、耐高电压、抗电磁干扰和系统简单等优点,可以实现连续的空间温度测量、气体泄漏的在线监测等,目前已经广泛用于电力冶金、石油化工、交通运输和火灾预防报警等诸多领域[1～4]。在分布式光纤传感系统中光纤既作为传输通道,同时又是传感的功能元件,可以非常容易地获得链路上被测量参数的空间分布和时间变化信息,这是传统光纤传感所无法比拟的。 目前的分布式光纤传感技术主要有:基于光纤拉曼散射或布里渊散射的光时域反射及频域反射技 术、基于光纤瑞利散射的偏振光时域反射技术、长距 离光干涉技术、菲涅耳反射技术以及准分布式光纤布拉格光栅复用技术等[5～12]。这些技术分别有各自的特点,适合于不同的应用场合。对于基于光纤拉曼散射的光时域反射技术而言,其工作原理是利用光纤背向拉曼散射的温度效应,即光纤所处空间各点的温度场能够改变光纤中背向拉曼散射光的强度,通过测量拉曼反射光的强度就可以得到相应的温度值,并使用光时域反射技术来确定所测温度点的位置。这种分布式光纤传感技术系统结构简单、成本低和应用范围广,目前已经实现了10km 以上的测量距离,是一种很有市场前景的技术。