光纤振动传感预警系统25页PPT

超强事件识别能力： 系统具有针对管道量体设计的识别系统，在系统拾取振动事件后可以进行信号的
复原和类型识别,在SVM、 神经网路等理论基础的基础上，对常见的破坏、非破坏 事件进行有效分类、识别预警。
光纤传感预警系统优势
超强事件识别能力： 对于复杂环境下的长距离分布式光纤振动监测系统，可以采用信号特征模型准确 检测振源和识别振源。从宏观角度出发，选择描述振动事件的特征主要包括有： 过零率、信号能量等时域特征和各频段能量、小波变换等频域特征，作为识别主 要特征，取得了较好的效果。
03Part Three 光纤传感预警系统市场应用
光纤传感预警市场应用
A
管道监测
B
长距离监测安防
C
通信光缆
D
电力监测
管道监测
城市管道缺乏监测、事故频发
11·22青岛输油管道爆炸事件（2013）
8·1台湾高雄燃气管线爆炸事件（2014）
福建漳州PX工厂爆炸（2015.4.6）
吉林禽业公司氨气爆炸 （2013.6.3）
GIS地理信息系统 管道分级全方位管理
预警事件管理 GPS标注、巡线与路线指引
系统运行监控管理 报表日志管理等
光纤管道检测 预警系统平台
光纤传感预警系统优势
超强数据处理能力： 根据系统要求信号采集速率较快，但处理方法复杂的实际特点，开发了集成两片
目前最先进的多核心DSP、FPGA的多通道高采样率高速处理模块，处理速度达到 每通道20GFLOPS(每秒20G次的浮点运算能力)，可以实现定位精度小于20米的实 时信号处理。
没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
光纤传感预警系统介绍
—系统组成
六 部分：光传感模块、信号处理模块、系统管理与通信模块、监控模块、电源模块、机箱平台

对埋地管道不会产生任何破坏或影响其正常生产, 对已经稳定的和新发生的泄漏都可以进行识别，尤 其适合管道在线监测应用。
应用工程案例
珠海供水工程 济南供水工程 北京新机场供水管道监测工程 沧州引大复线管网监测工程 淮河输水管道监测工程
已取得专利（46项）
用于拉曼散射原理的分布式光纤温度传感器的中继放大模块 背向散射式激光多普勒输水管道流速检测传感器 基于拉曼散射水质颗粒物PPM在线监测系统 用于布里渊散射原理的分布式光纤温度传感器的中继放大模块 水锤振动波线性加速度传感器阵列相频特性分析的管道
Stokes 波长
BOTDA系统结构
探测 激光器
入射光
单模光纤
受激布里渊 散射信号
探测器
布里渊散射光由泵浦光和声子的相互作用而受激产生
入射光频率ν 布里渊频率 ν±11GHz
泵浦 激光器
散射光功率
拉曼
瑞利
拉曼 频率
BOTDA散射谱
当光纤受到拉压或温度作用时，该点的布里渊散射谱会发生 漂移。
从频谱上看，布里渊频移改变量与应变及温度成正比。
泄露定位系统 基于马赫曾德干涉原理的光纤环泄露监测传感器 基于光纤正交敏感结构的管道二维振动监测传感器 光纤防爆液位传感器 混沌声纹分析技术的输水钢管道泄露监测传感器
主要功能及技术指标
该系统能够实现采用分布式光纤传感器技术将光纤敷设在地 下管道旁边，或者与地下管网集成在一起，利用分布式光时域 散射技术，探测泄漏点的振动和声纹信息，判断泄漏点和管道 爆裂位置； 该系统能够采集管道附近运行参数，对管网运行过程温度和 振动自动测量功能，且可通过数据总线和无线射频方式将数据 传输到网络； 后台服务器实现数据采集和分析，云数据中心服务器对大数 据分析和预警，全国各地工程数据存储时间大于5年，提供专 用的数据采集板卡和上位机分析软件、硬件平台； 提供计算机、运行分析软件、数据通信或存储转移模块一台 （套），软件系统根据用户需求分析数据； 数据采集系统具有存储数据和转移分析功能，能够实时采集 运行数据并进行存储，存储方式采用SD卡或大容量存储硬盘。

光导纤维的主要参数

1. 数值孔径（NA）
2. 光纤模式
3. 传播损耗
返返 回回
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1. 数值孔径（NA）
2 NA sin i n12 n2

反映纤芯接收光量的多少，标志光纤接收性能。
意义：无论光源发射功率有多大，只有 2θi 张角 之内的光功率能被光纤接受传播。
差动式膜片反射型光纤压力传感器
1．输出光纤
2．输入光纤
3．输出光纤
4．胶
5．膜片
I 2 1 Ap A―常数； 两束输出光的光强之比 I 1 1 Ap p―待测量压力
输出光强比I2/I1与膜片的反射率、光源强度等因素均无关
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将上式两边取对数，在满足(Ap)2≤1时，得到
传感器的固有频率可表示为
2.56t gE fr p 2 2 R 3 (1 )
式中, ρ――膜片材料的密度； g――重力加速度。 结构简单、体积小、使用方便， 光源不够稳定或长期使用后膜片的反射率有所下降，
其精度就要受到影响。
返
回
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The most commonly used type of fiberoptic sensor is an intensity sensor, where light intensity is modulated by an external stimulus
光纤传感器强度调制
非 干 涉 型
光纤传感器偏振调制
光纤传感器频率调制
注：MM——多模光纤；SM——单模光纤；PM——偏振保持光纤
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（一）、报警处理 在安防区域内，当发生攀爬、入侵行为时传感器能准确探测信号，并将信号传送
给处理器，经处理器处理和分析后发出报警信号。 1.当报警触发时，实时显示报警记录，显示内容包括报警防区，在地图上实时显
示报警防区地点，报警起始时间，报警事件数量，备注信息等记录表格。 2.该FPSS系统可随意调节探测系统的幅度、频率和相位等多个灵敏度，能将一
白光原理
测量精度高，抗干扰能力强
低相干度的光源 ----白光光源，有一定光谱宽度的光源。这类光源的相干长 度一般要求很短，大约几微米至几十微米左右。这类光源不容易获取，造价 非常高，而且稳定性很难得到保证。
零级干涉条纹的检测。白光干涉的精度取决于零级干涉条纹的识别精度。 实际上在零级干涉条纹附近，条纹的高度非常接近，想找到零级条纹的位置 非常困难。
在分布式光纤周界告警系统正常工作的情况下，当有人破坏光缆时，系统将会报 警。系统的结构完善，每一个区域都是完整的和独立可调的，不会因为某一个区域的 扰动或是剪断而影响其他防区的监控。 （七）、警戒状态的恢复
引起报警状态的活动停止后， 本系统通过点击报警复位恢复警戒状态。
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3. 功能介绍
（八）、敷设方式灵活多变，可混合敷设 本系统传感光缆可以直接敷设在围栏、围墙表面，也可埋入墙内，或
敷设在地面以下（草皮或沙石之下），同时还能够安装在水下，没有漏电 危险，防雷击，性能稳定可靠。
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4. 技术优势
全光纤周界安全报警系统
• 本质安全性：系统采用防区无源的工作方式，本身无任何电磁干扰或电磁辐 射，除位于室内的监测终端外，整套系统使用的全部为非金属器件，由于光 纤本身不导电，所以它不会受到雷电、静电等的破坏。传感光纤不发射也不 接收以下信号：电磁信号、雷达信号、无线电信号、高压静电信号。

外界参数温度 压力 振动等引起光纤长度的变化和相位的光 相位变化;从而产生不同数量的干涉条纹;对它的模向移动进 行计数;就可测量温度或压力等
第12章 光纤传感器
反射式光纤位移传感器
➢ 利用光纤实现无接触位移测量 光源经一束多 股光纤将光信号传送至端部;并照射到被测物体 上 另一束光纤接受反射的光信号;并通过光纤 传送到光敏元件上 被测物体与光纤间 距离变化;反射到 接受光纤上;光通 量发生变化 再通 过光电传感器检测 出距离的变化
温度压力光纤传感器
✓ 中心——纤芯；
✓ 外层——包层；
包层
✓ 护套——尼龙料
性质
✓ 光导纤维的导光能力取决于纤芯和包层的性质;
✓ 纤芯折射率N1略大于包层折射率N2N1＞N2
第12章 光纤传感器
1光纤的结构和传输原理 ②光纤的传光原理： 光纤的传播基于光的全反射 当光线以不同角 度入射到光纤端面时;在端面发生折射后进入光纤； 光线在光纤端面入射角θ减小到某一角度θc时;光线
第12章 光纤传感器
2光纤的性能几个重要参数 ③传播损耗A
➢ 光纤在传播时;由于材料的吸收 散射和弯曲 处的辐射损耗影响;不可避免的要有损耗
用衰减率A表示：
A10lg(I1/I2)(dB/Km) l
I1 I2：两接收光纤的光强 在一根衰减率为10dB/Km的光纤中;表示当光纤传输
1Km后;光强下降到入射时的1/10
干涉现象 微小弯曲损失
散射损失
双波长透射率 变化
反射角变化
石英系玻璃 旋转圆盘
石英系玻璃 石英系玻璃 薄膜+膜条 C45H78O2+VL2255N
振子
薄膜
生成着色中心
光纤束成像 多波长传输 非线性光学

按照传感原理进行划分
传光型光纤传感器：光纤不连续，其间
有中断，中断部分要接上其它
介质
的敏感元件，可以充分利
用已有传感技术的优
点。
传感型光纤传感器：“传”和“感”合为一
体，光纤连续，减少了耦合，
特殊光纤。
第14页/共47页
但是往往需要
按照调制原理进行划分
强度调制光纤传感器：光纤中光强 度变化
波长调制光纤传感器：光纤中光波 长变化 偏振态调制光第纤15页传/共47感页 器：光纤中光 偏振态变化相位调制光纤传感器： 光纤中光相位变化
新型的预警光缆传感系统
这种预警光缆系统可以用于石油勘探系统、国 防边境、众多重要的军事区域、容易产生滑坡和 泥石流地区的预警系统、还可用于地震预测。
目前，因特利公司和飞鸿佳信公司正与本实验 室商谈预警光缆系统技术转让技术和如何实现产 学研相结合的问题。第38页/共47页
目前光纤传感器的存在问题
第39页/共 输 介 质
无线电、电视
微波
红外
AM无线电 FM无线电 卫星/微波 同轴电缆 双铰线 第7页/共47页
可见光
光纤
光纤
107 106 105 104 103 102 101 100 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6
自由空间波长，m
光通信的特点
波长短，载频高
Sin glemod e fibr e
~ 2 0 0 µm ( L o ng- period g rati ng) ~ 5 00 nm (Bragg grati ng)
1 2 5 µm 8 µm
1 m m to 1 500 mm
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Reg ions w ith hi gher ref ractiv e inde x than t h a t o f c o re’s

给出一个运行状态好坏的评价。仪器这一功 能的增加给给使用人员带来了很大的方便， 也符合国际上开发便携式振动测量仪的潮流。
VIB-5振动测量仪
——上海嘉仪信息科技有限公司
VIB-5振动测量仪具有操作简单，携 带方便等特点，可测量振动的加速度， 速度和位移，并且全部使用触摸式按键 操作。
加速度
测量范围 速 度
振动梁式传感器
下图所示为由石英晶体谐振器构成的振 梁式差压传感器。两个相对的波纹管用来接 收输入压力P1与P2，作用在波纹管有效面 积上的压力差产生一个合力，造成了一个绕 支点的力矩，该力矩由石英晶体的拉伸力或 压缩力来平衡，这样就改变了晶体的谐振频 率。频率的变化是被测压力的单值函数，从 而达到了测量目的。
（3）振动弦式传感器
1. 结构特点 振弦式压力传感器的主要结构如下图所示
（1）振弦 振弦是把待测压力值的变化转变为频率
变化的敏感元件，对传感器的精度、灵敏 度、稳定性起决定的作用。对振弦材料的 要求是：
① 抗拉强度高。 ② 弹性模量大。
③ 磁性和导电性能好。 ④ 线膨胀系数小，尺寸随时间的稳定性好。
位移
加速度
频率范围 速 度
位移
精 度 显 示 电 源 自动关断功 能 体 积 质 量
技术参数 0.1--199.9m/s2（峰值）
0.1--199.9mm/s（真有效值） 0.001--1.999mm（峰峰值） LO档10Hz～1KHz Hi档1KHz～10KHz
10Hz--1000Hz 10Hz--1000Hz （读数值的±5%） ±2个字 3位半液晶显示 电池（6F22）9V 松开按键约60秒种电源自动断 186 x 70 x 32（mm） 约300克
物理指标：

芯中央开场向外随径向距离增加而逐渐减小,而在包层中折射
率保持不变。
阶跃折射率光纤
渐变折射率光纤
n (r)
n (r)
纤芯
n 1
n 2
折射率分布
包层
r (a )
r (b )
阶跃型：光纤纤芯的折射率分布各点均匀一致，称为多模光纤。
梯度型：折射率呈聚焦型，即在轴线上折射率最大，离开轴线那么逐步降 低，至纤芯区的边沿时，降低到与包层区一样。
siin n n 1 0 1 n n 1 2sirn 2 n 1 0 n 1 2 n 2 2s2 in r
n0为入射光线AB所在空间的折射率，一般为空气，故n０≈1，nl为纤芯折 射率，n2为包层折射率。当n０=1时
siinn1 2n2 2si2n r
当θr=90º的临界状态时，θi=θi0
〔2〕 按传播模式的多少分类
单模光纤:通常是指阶跃型光纤中的纤芯尺寸很小(通常 仅几微米)、光纤传播的模式很少、原那么上只能传送一种 模式的光纤(通常是芯径很小的低损耗光纤)。这类光纤传输 性能好(常用于干预型传感器),制成的传感器较多模传感器有 更好的线性、更高的灵敏度和动态测量范围。但单模光纤由 于纤芯太小、制造、连接和耦合都很困难。
3. 传播损耗
损耗原因：光纤纤芯材料的吸收、散射，光纤弯曲处的 辐射损耗等的影响。传播损耗〔单位为dB〕
Aa l 10g1I0 I
l—光纤长度； a—单位长度的衰减； I0—光导纤维输入端光强； I—光导纤维输出端光强。
与光纤耦合的电光与光电转换器件
实现电光转换的元件通常是发光二极管 或激光二极管。
光的全反射
当减小入射角时，进入介质2的折射光与分界面的夹角将 相应减小，将导致折射波只能在介质分界面上传播。对这

第9章 光纤传感器
光纤传感器的原理结构及种类
光的传输原理
光导纤维传感器的类型
功能型光纤传感器
非功能型光纤传感器
光纤传感器的应用
光纤即光导纤维是20世纪70年代的重要发明之一，它与激光器、半导体探测器一起构成新的光学技术，创造了光电子学新领域。光纤的出现产生了光纤通讯技术，特别是光纤在有线通讯网的优势越来越突出，它为人类21世纪的通讯基础------信息高速公路奠定了基础，为多媒体（符号、数字、语言、图形和动态图象）通信提供了实现的必须条件。
光导纤维传感器的类型
光纤传感器的分类
按测量对象分类 ：分为光纤温度传感器、光纤浓度传感器、光纤电流传感器、光纤流速传感器。
按光纤中光波调制的原理分类 ：分为强度调制型光纤传感器、相位调制型光纤传感器、偏振调制型光纤传感器、频率调制型光纤传感器、波长调制型光纤传感器。
按光纤在传感器中的作用分类 ：分为功能型光纤传感器（FF型，function fiber）和非功能型光纤传感器（NFF型，non function fiber）
高纯度石英（sio2）玻璃纤维，这种材料的光损耗比较小。
多组分玻璃纤维，用常规玻璃制成，损耗较小。
塑料光纤，用人工合成导光塑料制成，其损耗较大，但质量轻，成本低，柔软性好，适用于短距离导光。
2、按折射率分布分类，有阶跃折射率型和梯度折射率型 1）阶跃型光纤（折射率固定不变）：指纤芯和包层折射率不连续的光纤。 2）梯度型光纤（纤芯折射率近似呈平方分布）：在中心轴上折射率最大，沿径向逐渐变小，界面处 n1=n2，n1的分布大多按抛物线规律，其关系式为： n1=n.(1-A.r2/2) n为纤芯中心折射率，如1.525 A为常数，如A=0.5mm-2 r为径向坐标 采用梯度折射率光纤时，光射入光纤后会自动从界面向轴心会聚，故也称为自聚焦光纤。