分布式光纖傳感器的工作原理和應(yīng)用

福州華光天銳光電科技有限公司提供分布式光纖測(cè)溫系統(tǒng),廠家直銷,可以廣泛應(yīng)用于綜合管廊,電纜溝,油氣管道,變電站等。

分布式光纖傳感技術(shù)在光纖表征、故障定位以及光纖環(huán)境溫度、應(yīng)力和振動(dòng)等的監(jiān)測(cè)方面具有重要應(yīng)用。光時(shí)域反射技術(shù)、光時(shí)域分析技術(shù)、光頻域分析技術(shù)是分布式光纖傳感技術(shù)中的幾種常用技術(shù)。

分布式光纖傳感器已在電力、石化、交通、土木和航天等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。但是隨著各行業(yè)生產(chǎn)安全要求的提高，功能單一的分布式光纖傳感器已不能滿足需要，用戶為了更全面地了解工程安全狀況，往往需要同時(shí)對(duì)溫度、振動(dòng)、和應(yīng)變等參量進(jìn)行全方位實(shí)時(shí)監(jiān)控，一般需要配備至少兩套不同的分布式光纖傳感器才能滿足要求。

當(dāng)光纖受到外界環(huán)境(如溫度、應(yīng)力、振動(dòng)等)影響時(shí)，光纖中傳輸光的強(qiáng)度、相位、頻率等參量將會(huì)相應(yīng)的變化，通過檢測(cè)傳輸光的這些參量便可以獲得相應(yīng)物理量，這種技術(shù)稱為光纖傳感技術(shù)。光纖本身不帶電，抗電磁、耐輻射、耐高電壓、不產(chǎn)生電火花并且絕緣性能良好等特點(diǎn)，使得光纖傳感系統(tǒng)將成為傳感器系統(tǒng)的主流，并逐步替代傳統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)。光纖上的物理量諸如：壓力、溫度、濕度、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等發(fā)生變化時(shí)，會(huì)引起光纖的物理特性發(fā)生變化，從而使光纖中傳導(dǎo)的光波產(chǎn)生各種光學(xué)效應(yīng)，如：散射、偏振、強(qiáng)度改變等等。通過檢測(cè)光纖中光波的變化，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度、壓力、形變、水位等物理量的檢測(cè)。近年光電子器件的迅猛發(fā)展，特別是半導(dǎo)體激光器、波分復(fù)用和光耦合技術(shù)、光電信號(hào)的探測(cè)與處理等等技術(shù)的發(fā)展，使光纖用來做分布式傳感器系統(tǒng)成為了現(xiàn)實(shí)。

分布式光纖傳感技術(shù)憑借分布式測(cè)量方式、測(cè)量距離長(zhǎng)、具有抗電磁干擾和高絕緣強(qiáng)度的優(yōu)勢(shì)被廣泛應(yīng)用于建筑、橋梁、邊坡等大型基體的狀態(tài)監(jiān)測(cè)。在電氣領(lǐng)域中也應(yīng)用于海底電纜、架空輸電線路等電氣設(shè)備的溫度、應(yīng)變的測(cè)量，具有非常廣闊的應(yīng)用前景。目前基于分布式光纖傳感技術(shù)的變壓器繞組溫度、應(yīng)變的檢測(cè)鮮有報(bào)道。
光纖傳感器由于具有抗電磁干擾能力強(qiáng)、靈敏度高、電絕緣性好、安全可靠、耐腐蝕、可構(gòu)成光纖傳感網(wǎng)等諸多優(yōu)點(diǎn)，因而在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、生物醫(yī)療、國(guó)防等各領(lǐng)域均有廣闊應(yīng)用前景。
近年來，布里淵光時(shí)域分析儀作為分布式光纖傳感技術(shù)領(lǐng)域典型代表受到了廣泛的關(guān)注，與其他光纖傳感器相比，布里淵光時(shí)域分析儀具有高空間分辨率、超遠(yuǎn)距離傳感以及動(dòng)態(tài)測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)，可以同時(shí)對(duì)溫度和微應(yīng)變等物理量進(jìn)行高精度測(cè)量。由于光纖既作為傳感器件又作為信號(hào)傳輸信道，以光信號(hào)作為傳輸信號(hào)，因此可以有效降低結(jié)構(gòu)成本。

分布式光纖傳感技術(shù)由于具有傳感空間范圍大、傳感與傳光為同一根光纖、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用方便、單位長(zhǎng)度內(nèi)信號(hào)獲取成本低、性價(jià)比高等優(yōu)選被廣泛地應(yīng)用于管道泄漏的監(jiān)測(cè)技術(shù)中。

傳統(tǒng)的傳感器大多是電量型的，測(cè)量范圍小、并網(wǎng)困難，而且點(diǎn)式傳感器在測(cè)量大范圍、長(zhǎng)距離時(shí)，維護(hù)成本較高。相比之下，光纖傳感器的傳感器是光纖，光纖本身結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、抗電磁干擾、耐腐蝕、體積小、價(jià)格低廉，此外光纖的覆蓋面廣，可以對(duì)大范圍，空間分布廣的系統(tǒng)做測(cè)量。因此20世紀(jì)70年代末以來，分布式光纖傳感得到了廣泛的發(fā)展，出現(xiàn)了基于光時(shí)域反射技術(shù)(OTDR)、拉曼光時(shí)域反射技術(shù)(ROTDR)、布里淵光時(shí)域反射技術(shù)(BOTDR)、相位敏感光時(shí)域反射技術(shù)(Φ-OTDR)等。目前基于溫度測(cè)量拉曼光時(shí)域反射技術(shù)(ROTDR)已較為成熟。其中，拉曼光時(shí)域反射(ROTDR)技術(shù)是向光纖中注入脈沖光，光在光纖中傳播過程中，產(chǎn)生后向拉曼散射光譜的溫度效應(yīng)。當(dāng)入射的光量子與光纖物質(zhì)分子產(chǎn)生碰撞時(shí)，產(chǎn)生彈性碰撞和非彈性碰撞。彈性碰撞時(shí)，光量子和物質(zhì)分子之間沒有能量交換，光量子的頻率不發(fā)生任何改變，表現(xiàn)為瑞利散射光保持與入射光相同的波長(zhǎng)；在非彈性碰撞時(shí)，發(fā)生能量交換，光量子可以釋放或吸收聲子，表現(xiàn)為產(chǎn)生一個(gè)波長(zhǎng)較長(zhǎng)的斯托克斯光和一個(gè)波長(zhǎng)較短的反斯托克斯光。由于反斯托克斯光受溫度影響比較敏感，系統(tǒng)采用以斯托克斯光通道作為參考通道，反斯托克斯光通道作為信號(hào)通道，有兩者的比值可以消除光源信號(hào)波動(dòng)、光纖彎曲等非溫度因素，實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度信息的采集。