分布式光纤传感器

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。光纤声波传感器是光纤微压传感器中的一种,它具有一定的特殊性,要想实现声-光换能,不能缺少的器件就是光纤声波传感器,它具有很多优点,例如损耗较小,能够避免电磁干扰,能够在较远的距离间进行传输等,所以光纤声波传感器的应用十分广泛。目前,光纤水听器与光纤麦克风是光纤声波传感器的两个主要研宄方向。（三）布里渊散射布里渊散射是入射光与声波或传播的压力波(密度波)相互作用的结果。传播的压力波等效于一个以一定速度％(频率QB)移动的密度光栅，因此，布里渊散射可认为是入射光在移动的光栅上的散射，多普勒效应使得散射光的频率不同于入射光。散射光相对于泵浦光有一个频移，通常称为布里渊频移。其大小主要由光纤的声学特性和弹性力学特性决定，此外还与散射角和入射光频率有关：式中：Vs为布里渊散射光的斯托克斯光光频；Va为入射光光频；n为光纤折射率；Vo心为介质中声速；Vb为布里渊频移；θ为散射光与入射光的夹角。故背向布里渊散射的布里渊频移最大为：其中Va为温度和应变的函数。大量的理论和实验研究证明，光纤中布里渊散射信号的布里渊频移和功率与光纤所处环境和所承受的应变在一定条件下呈线性变化关系，并由下式给出：式中：△Vb为布里渊频移变化量；△ξ为应变的变化量；ΔT为温度变化量；CvT布里渊频移温度系数；Cvξ为布里渊频移应变系数；ΔPb为布里渊功率变化量；Cpt为布里渊功率温度系数；Cpξ为布里渊功率应变系数。因此，在已知温度、应变系数的情况下测定布里渊散射信号的频移和功率，通过上面两式就可以得到温度和应变信息，这就是基于布里渊散射的分布式传感技术的传感机理。二、发展现状（一）进入实用化阶段，逐步形成传感领域的一个新的分支1、不少光纤传感器以其特有的有点，替代或更新了传统的测试系统，同时出现了一些应用管线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只能结构。2、改造了传统的测试系统,把传统的电子式测量仪表改造成安全可靠的现金光纤是仪表。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（二）新的传感技术不断出现，促进了相关领域技术的发展光纤传感网络的出现，促进了智能材料和只能结构的发展，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事实现对其安全运转、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。（三）原理性研究扔出与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几点传感系统为目的，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。（四）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，距离商业化还有一定距离。三、应用领域（一）火灾检测与报警——港口/码头1、传送带火灾检测2、仓库火灾预测与报警3、柴油、两面、易燃原料垛露天场所火灾探测（二）电力电缆检测1、电缆状态检测2、探测和识别电力电缆的热点3、电力设备的保护4、优化输配电的资本5、变电站和开关柜的检测6、电缆隧道与电缆夹层火灾检测7、附件检测（三）管道检测（四）压力容器/油管监测1、过热点监测2、状态监测3、膨胀/压缩监测（五）发电厂监测（远程监测）四、未来趋势对光纤声波传感器的研究自20世纪90年代以来已经有了很大的进展.目前,国外已有根据各种原理研制的光纤声波传感器,如光纤微弯声波传感器、光纤光栅声波传感器和各种干涉型光纤声波传感器,并且还在继续对之进行研究,如UniversityofStrathclyde,NationalDefenseAcademyofJapan,BatteneMemorialInstitute等许多大学和科研单位都在对提高它的信噪比和动态测量范围等性能进行研究.分布式光纤声波传感器,它基于Sagnac非互易相位调制干涉原理,其特色在于测量数据的获得不是通过光时域反射法(OTDR)或光学频域反射法(OFDR),而是通过频域内的载波技术来实现的.由于光纤Sagnac干涉对由热和振动引起的低频变化不敏感,具有测量准确,定位精度高,测量距离长等优点.因此本技术在流体管道泄漏的实时监测方面有很好的应用前景.但此项技术需要解决以下关键问题:1)基于Sagnac效应的光纤陀螺仪原理，研究泄漏声发射信号对光信号的相位调制机理及泄漏声信号的光学参数表征。对于长距离管道泄漏检测而言，扰动信号为一声信号，即泄漏产生的声发射信号。该信号对于光纤中传播的光信号要进行相位调制,其调制信号与声信号的频率及其声信号的产生位置直接相关。2)当泄漏发生时，声发射信号的传播特征不同，如频率范围、幅度大小和在管内液体中的传播形式等对光纤的作用也不同，需要建立不同的调制模型进行分析研究。3)在传感器研制方面,采用集成技术，着重研究光纤的增敏(对声波敏感)技术。为保证干涉仪的互易性需要采取同光路、同模式及同偏振态的三同措施。这就需要对器件做优化选择。4)由于其调制信号为弱信号，因此在光电转换技术、弱信号检测电路以及相应的信号处理软硬件等方面需要做进一步研究。5)由于光纤干涉仪的相位随温度的变化而变化，因此对温度的影响要进行补偿，可以采用软件补偿措施，即进行温度标定。参考文献[1]王秀彦,吴斌,何存富,刘增华光纤传感技术在检测中的应用与展望[J].北京工业大学学报[2]李仁禄，郭锦锦，杨远洪基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的研究及进展[J].红外与激光工程[3]张靖涛光纤声波振动检测系统及分布式振动传感技术研究[D].北京邮电大学