光纤随机裂缝监测讲义

光纤随机裂缝检测实验KF-实验讲义（待修订版）1天津金飞博光通讯技术有限公司TianjinKingfiberCo.LTD.以光纤技术为代表的光电子技术的不断突破,极大地促进了光通讯产业的发展.人们在享受了半个多世纪电子技术带来的物质文明之后,已开始享受光的技术带来的革命和便利.有充分的理由使人们相信,人类已逐步进入由光主宰的技术世界.但是伴随着技术和应用的高速发展,我们的人才培养大大滞后,其中一个重要原因就是光电子教学实验技术的落后和缺乏,使我们的学生无法切实领会和进入深奥而又和谐美妙的光的世界.天津金飞博公司就是在这个时代的需求中应运而生,专业并且专职开发光纤通信、光纤传感和光电信息技术实验教学系列产品.它依托于教育部天津大学光电子技术开放实验室,结合着几十年光电子教学和科研的经验,汇集着从硅谷归来的青年才俊以及国内优秀的专家学者,引入充足的风险投资和充满活力的运营机制,在公司建立伊始,就专注于光纤通信技术实验,在公司成立的短短的几年时间里,开发出多项光纤通信、光纤传感和光电信息技术教学实验新产品,在清华大学、天津大学、复旦大学、南开大学、哈尔滨工业大学、北京理工大学、深圳大学等三十多所高校得到应用.同时,为了实现我们对质量的承诺,公司于2002年2月通过ISO9001质量管理体系国际认证,并按照国际通行Bellcore1209标准,建立光无源器件检测线.使我们的产品更有保证.借此我们向所有有志于发展光通讯教学和科研的高校及老师,推荐我们的产品和服务,并欢迎各位老师来我公司参观和开展各项合作.愿我们的产品能为我们的教育事业提供帮助,愿我们的光通讯事业更加蓬勃发展.2天津市金飞博光通讯有限公司目录【实验目的】...........................3【实验原理】...........................3【实验设计】..........................12【思考题】............................133【实验目的】1．了解光纤微弯的损耗基本原理。2．对OTDR有一个简单的了解，熟悉OTDR的操作和注意事项。3．通过对裂缝与光纤的角度不同，了解裂缝微弯损耗与光纤角度的关系曲线。4．通过不同大小的裂缝间隙，了解间隙大小与光纤微弯损耗大小的关系曲线。【实验原理】近年来，我国交通、地下管道等基础建设得到迅猛发展，各地兴建了大量的混凝土隧道、桥梁。在建造和使用过程中，有关因出现裂缝而影响工程质量甚至导致重大事故的报道屡见不鲜。混凝土开裂可以说是“常发病”和“多发病”，经常困扰着混凝土工程技术人员。其实，如果采取一定的监视测量措施，很多裂缝是可以克服修补的，达到防范于未然的作用。混凝土因其取材广泛、价格低廉、抗压强度高、可浇筑成各种形状，并且耐火性好、不易风化、养护费用低，成为当今世界建筑结构中使用最广泛的建筑材料。混凝土最主要的缺点是抗拉能力差，容易开裂。大量的工程实践和理论分析表明，几乎所有的混凝土构件均是带裂缝工作的，只是有些裂缝很细，甚至肉眼看不见（＜0.05mm），一般对结构的使用无大的危害，可允许其存在；有些裂缝在使用荷载或外界物理、化学因素的作用下，不断产生和扩展，引起混凝土碳化、保护层剥落、钢筋腐蚀，使混凝土的强度和刚度受到削弱，耐久性降低，严重时甚至发生垮塌4事故，危害结构的正常使用，必须加以监测。我国现行公路、铁路、建筑、水利等部门设计规范均采用限制构件裂缝宽度的办法来保障混凝土结构的正常使用。裂缝是混凝土建筑物中最令人关注的、首要的质量问题，防缝是混凝土施工的基本要求。而混凝土裂缝(包括贯穿缝、深缝、0.2～0.3mm以上的裂缝)就可能直接破坏了整体性，裂缝形成于混凝土内部的力学间断面，使其承载能力大为降低，是出现结构性危险的最明显的信号。按近代力学的观点，混凝土内部损伤的积累过程中的突变(灾变)。裂缝正是内部损伤达到危险程度的集中表现，故其信息含量很大，对于预示和征兆工程险情，具有关键性意义。因此，及时捕捉、检测到裂缝，必能有效地提高安全监测系统的耳目作用和预警作用，才能防患未然。理论和实践都启示我们：裂缝检测对于预防重大事故有宝贵价值。并非人们不懂得检测裂缝的重要性，而在于技术难度。裂缝的基本特点在于它的时空随机性，特别是空间随机性。只有对整体实施大范围、连续检测，才能不漏检。而由卡尔逊式或弦式电测传感器构成的常规系统实施的是点式观测。空间不连续使其捕捉不到位置不确定的裂缝。分布式光纤传感为随机裂缝的检测开辟了实现途径。而光纤传感用于裂缝监测比之传统技术具有明显优势：(1)可基于复用技术，在一条光纤上布置多个相同或不同的物理量测点，也可以使用分布式检测，分布与复用减少了单个传感器或测点的成本，比较适合混凝土结构监测时测点多，所测量的物理量多的要求；从根本上克服点式检测的空间不连续性造成的漏检、漏报险情问题；(2)精巧轻柔，不致影响埋设部位的混凝土的性能和力学参数，不影响观测值的代表性；(3)抗电磁干扰，可靠耐久，灵敏度高，易与光纤传输集成，共同构成遥测自动化系统。分布式光纤传感是光纤传感领域的最新发展，提供监测量沿光纤全程的连续分布，对裂缝监测特别有价值，能实现连续、立体检测。凡裂缝与任一光纤相交，即被感知，并加以定位。5光纤微弯原理的物理光学解释在折射率任意分布的长直光纤中，截面上任意点处的模场都以相同的相速度平行于光纤轴传播，因此等相位面与轴相垂直。但是如果光纤弯曲为恒定半径的平面弧线形状时，场和波前面显然就要以恒定的角速度围绕弯曲部分的曲率中心作旋转。从而平行于光纤轴的相速必须随着到曲率中心C的距离而线性的增加，由于光纤具有均匀的包层且相速不能超过光在该处的速率，因此在弯曲平面中存在一特定半径Rrad,在超过这一半径处相速不再维持比例增加，而且场也必然成为辐射性的。根据电磁波理论可以证明：在一个具有恒定弯曲半径的波导中，波动方程的所有的解表示了那些随着光纤纤芯轴线上的距离的增加而衰减的波。利用此方法可以计算出期望的因恒定弯曲半径所产生的损耗值。光纤弯曲损耗的几何光学解释我们也可以简单地由几何光学解释光纤的弯曲损耗。如下图所示的是光纤弯曲损耗机理的光线图。假定在光纤直的部分有一6根光线正向右传播，它在界面上的入射角θ小于临界角θc。在弯曲部分，光线则以大于θc的角度θ和纤芯—包层界面相交，所以光线将部分地由纤芯传播出去并进如包层中。在外侧界面上连续发生的每次反射时都将发生这种情况，因而可能产生很大的损耗。对于微弯光纤，微弯对光纤中光传播的影响示于下图。在光纤中当光线到达光纤微变形（因外界扰动）部分之前，以大于临界角的角度在纤芯中传播的光线全部被反射。而当光线到达光纤微小变形处时，在纤芯—包层界面上发生的相继反射中，光线以小于临界角的角度入射到界面表面，结果一部分光就传输到包层中去了。这就是利用光纤微弯来作为换能的机理。据耦合波理论可以认为：当多模光纤（或单模光纤）受到微弯时，一部分芯模能量会转化为包层模式能量，通过测量包层模式的能量变化（即：暗场传感）或芯模能量的变化（即：亮场传感）就能测量外界物理量。光纤微弯损耗的分析为了简化起见，将射线分析应用于正弦弯曲平板介质波导。7如上图，将弯曲平板波导的一个周期分为m个区域。第m个区域可以被认为是弯曲半径为mR的圆变形平板波导。若y为相对于轴线波导的位移，为1y和2y沿光路的角距离，则有m2222dy()()mmmynRRyηη（1）其中n是距离y处的折射率，mη是由mη＝()()cosmmmmnRδδθ确定，mδ为第m区域的起始点距轴向波导的起始位置，mθ为光线与轴线的起始角。折射率可能为y的任何形式的函数，设纤芯—包层折射率分布按抛物线变化，则82221()[12()yynny2212[12]nny（2）假设式中△为一常数。式中1n和2n分别为纤芯和包层折射率，ρ为平板厚度的一半。分析公式（1）可确定第（m）个区域的光线路径和第（m＋1）个区域的起始位移1m和起始角1m。逐个计算通过相继区域的光线路径就可确定整个周期内的光线路径。若用T表示两光束在界面固定的光管上的横向转换产生的光功率损耗比例系数，则可能出现3种情况：(1)光管中没有功率损耗，即T＝0；(2)光管中的光线全部折射到纤芯—包层界面之外，即T=1；(3)一部分光线辐射到外焦散线，T由（3）式决定：12222exp()3ccggccyTkRynRy（3）其中12122sin1()gcnn，cy为外焦散线的位置，cn为这一位置的折射率。R为弯曲光线在这一点的曲率半径。自由空间波数由k表示(/2k)。OTDR的基本原理光时域反射仪OTDR(OpticalTimeDomainReflectometer)9是表征光纤传输减、长度、故障点、断点、接头损耗等都是需要测量的项目。用OTDR对这些项目进行测试，其方法简单、操作方便、快速直观、又是一种非破坏性测试，因此得到广泛应用。光时域发射仪的原理结构方框图如图1所示。OTDR中的脉冲发生器发出宽度可调的窄脉冲驱动激光二极管(LD)，产生所需宽度的光脉冲(通常为10ns—20μs)，通过光路耦合到光纤中。光在光纤中传输产生两种反射：一种是纤芯纵向上局部折射率变化产生的菲涅尔反射光，另一种是纤芯内部存在直径小于波长的材料密度不均匀区，各区域之间微弱折射率偏差产生的瑞利散射光，且其中一部分光反射到光纤入射端，这一部分光称为瑞利背向散射光。OTDR法就是通过检测瑞利背向散射光，观测和分析从光纤中返回入射端的背向散射光的脉冲变化，测量光纤的总损耗、局部损耗及连接损耗。也可通过检测瑞利散射光和菲涅尔反射光，检测光纤的长度和断点。对于完全不产生菲涅尔反射光的故障，也可通过检测瑞利散射光检测其位置。10理论上OTDR方法的最小分辨率为ΔL＝WVg／2，W为注入光纤的光脉冲脉宽。Vg为光在光纤中传输的群速度(km／s)，这是因为在ΔL段内所有点的后面散射光将同时到达接收端。设注入光纤的脉冲功率为Pin，则光纤上距离始点2处所有分辨率范围内dz段散射光的总功率经后向传播并回到始端的功率P(z)为：222()0()3()/(8)()gzzinisaPzNAazdzneP（1）式中()saz为Z处光纤散射系数，()gza为Z处光衰减系数，NA为光纤数值孔径，in为纤芯折射率。根据背向散射光的功率公式，可测得1z和2z两处散射回来的光功率，并假定光纤结构参数沿轴向均匀，则1z和2z间光纤的平均衰减系数α为：11225()lg(/)()PzdBkmPzzz（2）与距离有关的信息是通过测量发出脉冲与接收后向散射光的时间差Δt和光纤的群折射率N值得到的，如下式所示L=cΔt/(2N)（3）其中c为真空中的光速。OTDR可以精确测量后向散射光的光功率，并通过式(2)和式(3)来测量沿光纤长度上任一点特性大的微小变化，如图2所示。11OTDR的显示与链路的关系曲线利用提到的微弯损耗原理和OTDR的基本原理，我们可以做这样的设计，将光纤以一定的网状结构铺设到混凝土建筑物的表面，当裂缝发生时，光纤发生微弯损耗，通过OTDR就能测量出损耗点的位置和损耗的大小。光纤出现裂缝微弯损耗点12【实验设计】裂缝调整装置的侧视图裂缝调整装置上不同角度光纤的粘贴图13要求设计一个实验，能够满足：1，测量出与裂缝不同角度的光纤损耗曲线。2，测量出裂缝大小宽度不同与光纤损耗的曲线关系。3，能测量出裂缝与光纤输入端的距离。【思考题】1，为什么试验中需要在光纤两次与裂缝相交之间增加一段光纤？2，为什么1550nm光源+功率计的测量精度比1310nm光源+功率计精度好，与OTDR的测量精度比较呢？思考题参考答案：1，因为OTDR的输出光脉冲有一定的宽度（时域上），这个时域上的脉宽在光纤上对应一定的空间长度，所以造成OTDR有空间分辨率。试验中要求两个裂缝之间的光纤长度远大于OTDR的空间分辨率。2，对于相同条件下的弯曲