光纤传感器的原理课件

光纤传感器的原理光纤传感技术是用光纤对某些物理量的敏感特性,将外界物理量转换成可以直接测量的信号技术。由于光纤不仅作为光波的传播媒质;而且光纤中传播光波时,光波的特征参量(振幅、相位、偏振态、波长等)会因外界因素(温度、压力、应变、磁场、电场、位移、转动等)间接或直接地发生变化,从而可将光纤用作传感元件探测物理量,其原理如下图。光纤传感器的分类光纤传感器按工作方式可分点式、准分布式和分布式三类。根据光纤在传感器中的作用，光纤传感器可分为功能型、非功能型、拾光型三类。传感技术的发展经历了三个阶段，即结构型传感器、物性型传感器和智能型传感器。按光在光纤中被调制的原理不同，光纤传感器可分为：强度、相位、偏振态、频率和波长调制型等。迄今为止，光纤传感器能够测定的物理量已达七十多种。准分布式传感系统一般包括光纤传感器阵列和多个复用光纤传感器等

下图为典型的串联式准分布式光纤传感系统的结构分布式光纤传感技术中，光纤既是传输介质又是传感元件，如下图准分布式系统测量精度高、可测量参数多、信号处理较简单、实时性强；而分布式系统空间分辨率高、能够实现空间上连续检测、系统利用率高。功能型光纤传感器光纤不仅作为导光媒质也是敏感元件,光在光纤内受被测量调制;它的优点是结构紧凑、灵敏度高,但它须用特殊光纤和先进的检测技术,因此成本高。典型例子,如光纤陀螺等。拾光型光纤传感器采用光纤作为探头,接收由被测对象辐射的光或被其反射、散射的光。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。分布式光纤传感器分布式光纤传感器是将传感光纤沿场分布，并采用独特的探测技术，去感知光纤传输路径上待测场(如温度、压力)的空间分布和随时间变化的信息。分布式光纤传感技术是应用光纤几何上的一维特性进行测量的技术，它把被测量作为光纤位置长度的函数，可以在整个光纤长度上对沿光纤几何路径分布的外部物理参量进行连续的测量。分布式光纤传感技术具有同时获取在传感光纤区域内随时间和空间变化的被测量分布信息的能力。分布式光纤传感技术是基于光纤工程中广泛应用的光时域反射(OTDR)技术发展起来的一种新型传感技术，由于它具有其它传感技术所无法比拟的优点，因此成为目前传感技术研究领域的热点。并主要在以下四个方面发展突破：(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(4)基于前向传输模耦合的分布式光纤传感技术研究发现，当激发光进入光纤中，会产生相关的光散射。光纤中的光散射主要包括瑞利散射(RayleighScattering)，喇曼散射(RamanScattering)和布里渊散射(BrillouinScattering)三种类型的光散射。当外界环境发生变化时，这些散射光的中心频率或散射强度会随外界相应的参数发生改变，通过对散射光的检测可以实现对外界环境相关参数的测量。由于信号光在光纤中任意处都会产生散射，所以光纤的任意一段都可以看作是传感单元，通过对散射光的连续测量，从而实现正真意义上的分布式传感。1基于后向瑞利散射的分布式光纤传感技术由于光纤中存在成分和密度的不均匀，使得折射率的微观呈现不均匀性，当激光脉冲在光纤中传输时会产生瑞利(Rayleigh)散射。利用光时域反射计(OTDR)技术，在入射端就可测到光纤中的后向瑞利散射光强度随时间变化，由此产生了基于瑞利散射的分布式光纤传感技术。该技术的发展初期，主要是通过记录沿传感光纤后向瑞利散射光的强度，用于检查光纤的衰减和连续性，确定光纤各处的损耗，光纤故障点、断点的位置。2基于喇曼散射的分布式光纤传感技术激光注入传感光纤后，光子和光纤中热运动的分子发生非弹性碰撞，产生自发喇曼(Raman)散射光。Raman散射产生了频率下移的Stokes喇曼散射光和频率上移的反Stokes喇曼散射光。其中反斯托克斯光强度随温度变化显著,在入射端测到的反斯托克斯光强度随时间变化反应了沿传感光纤上温度的调制信息。由此产生了温度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在布里渊散射中，散射光的频率相对于泵浦光有一个频移，该频移通常称为布里渊频移。其中，散射光布里渊频移大小与光纤材料声子的特性有直接关系，当与散射光频率相关的光纤材料特性受温度和应变的影响时，布里渊频移大小将发生变化。因此，通过测定脉冲光的后向布里渊散射光的频移就可实现分布式温度、应变测量，这样就产生了基于布里渊散射的分布式光纤传感技术(BOTDR)。5干涉型分布式传感技术此类传感技术是采用双光源进入传感光纤进行干涉，探测外界参数，虽然灵敏度较高，但是系统对光源要求高、结构复杂、信号处理复杂、在长距离的情况下定位精度不高等缺点。基于后向散射分布式光纤传感系统后向散射分布式传感技术都是基于OTDR技术发展起来的，基本原理比较近似，最大的区别在于测量的后向散射光的频率不同。OTDR的原理是测量后向瑞利散射光信号，利用OTDR可以方便地从单端对光纤进行非破坏性的测量，它能连续显示整个光纤线路的损耗相对于距离的变化，其基本结构如下图所示。OTDR测试是通过将光脉冲注入到光纤中，当光脉冲在光纤内传输时，会由于光纤本身的性质、连接器、接头、弯曲或其它类似的事件而产生散射、反射，其中一部分的散射光和反射光经过同样的路径延时返回到OTDR中。相位敏感的光时域反射技术基于前面的研究成果，相位敏感的光时域反射分布式光