单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/3/15,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/3/15,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/3/15,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/3/15,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/3/15,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,2021/3/15,*,2021/3/15,1,分布式光纤传感,技术与应用,2021/3/151分布式光纤传感技术与应用,2021/3/15,2,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,2021/3/152内容概要光纤传感技术简介,2021/3/15,3,一 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,2021/3/153一 光纤传感技术简介光纤传感器用光作为敏,2021/3/15,4,二 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,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,2021/3/154二 光纤传感器的分类根据光纤在传感器中的,2021/3/15,5,1.,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,2021/3/1551.根据光纤在传感器中的作用分类功能型（,2021/3/15,6,2.,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。,2021/3/1562.根据光受被测对象的调制形式分类光纤传,2021/3/15,7,根据光受被测对象的调制形式分类,频率调制光纤传感器,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。,2021/3/157根据光受被测对象的调制形式分类频率调制光,2021/3/15,8,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、,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,2021/3/158传感器光学现象被测量光纤分类干相位调制型,2021/3/15,9,三 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。,2021/3/159三 光纤传感技术的发展1.进入实用化阶,2021/3/15,10,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。,2021/3/1510光纤传感技术的发展2.新的传感技术不断,2021/3/15,11,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。,埋入了六根光纤的纺织品,2021/3/1511光纤传感技术的发展智能背心这是一件嵌入,2021/3/15,12,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。,2021/3/1512光纤传感技术的发展3 原理性研究仍处于,2021/3/15,13,四 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。,2021/3/1513四 分布式光纤传感技术利用光波在光纤中,2021/3/15,14,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。,2021/3/1514分布式光纤传感器的特征参量空间分辨率,2021/3/15,15,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,2021/3/1515典型的分布式光纤传感器4-1 相位调制,2021/3/15,16,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,2021/3/1516相位调制型光纤传感器相位调制是光在光纤,2021/3/15,17,光的干涉,光的干涉条件:,相干光源,S,1,、,S,2,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:,频率相同 振动方向相同 相位差恒定,2021/3/1517光的干涉光的干涉条件:相干条件:,2021/3/15,18,(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,2021/3/1518(1)M-Z干涉型光纤传感器用作分布式,2021/3/15,19,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变化,进而根据相位变化情况分析干扰产生原因。,利用,3*3,耦合器解调原理图,2021/3/1519M-Z干涉型光纤传感器的信号处理信号处,2021/3/15,20,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,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）,2021/3/1520M-Z干涉型光纤传感器的信号处理通过顺,2021/3/15,21,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结构图,2021/3/1521耦合器C2和C3构成M-Z干涉仪在计算,2021/3/15,22,(2),光纤,SAGNAC,干涉型分布式传感器,激光器发出的光经耦合器分为两束分别耦合进由同一光纤构成的光纤环中,沿相反方向传输,并于耦合器处再次发生干涉。,当传感光纤没有受到干扰时,干涉现象趋于稳定;受到外界干扰时,正反向两光束会产生不同的相移,并于耦合器处发生干涉,干涉信号的光强与干扰发生位置具有一定关系。,R,1,R,2,Sagnac,干涉仪的另一个典型应用是光纤陀螺,即当环形光路有转动时,顺逆时针的光会有非互易性的光程差,可用于转动传感,2021/3/1522(2)光纤SAGNAC干涉型分布式传,2021/3/15,23,光纤,SAGNAC,干涉型分布式传感器定位原理,当干扰源信号是正弦信号（或形如正弦信号）时,接收信号的功率幅值为,零点频率发生在,干扰源位置,R1,与第,N,个零频之间的关系为,通过分析接收光信号的零频点位置即可获得干扰源的位置,（上）有干扰时光强信号的理论计算值（下）实验值,2021/3/1523光纤SAGNAC干涉型分布式传感器定位,2021/3/15,24