光纖傳感原理

1、關(guān)于光纖傳感原理1*第一張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月特點：同時獲取在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時間和空間變化的被測量分布信息的能力。傳感空間范圍大、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、性價比低，具體而言：1：傳感元件僅為光纖；2：一次測量就可獲取整個光纖區(qū)域內(nèi)被測量的一維分布圖；3. 系統(tǒng)的空間分辨力一般在米的量級，對更窄范圍的變化只能測平均；4. 系統(tǒng)的測量精度與空間分辨力一般存在相互制約關(guān)系；5. 檢測信號一般較微弱，因而要求信號處理系統(tǒng)具有較高的信噪比；6. 在檢測過程中需進(jìn)行大量的信號加法平均、頻率的掃描、相位的跟蹤等處理，因而實現(xiàn)一次完整的測量需較長的時間。引言02*第二張，PPT共三十三頁，創(chuàng)

2、作于2022年6月分布式光纖傳感原理1 瑞利散射 拉曼散射 布里淵散射散射型偏振型相位型熒光型3*第三張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月I.瑞利散射 瑞利散射是入射光與介質(zhì)中的微觀粒子發(fā)生彈性碰撞所引起的，散射光的頻率與入射光的頻率相同。 在光纖傳感技術(shù)中，一般采用光時域反射（OTDR）結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)被測量的空間定位，典型傳感器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。4*第四張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 強(qiáng)度調(diào)制型 當(dāng)一束脈沖光在光纖中傳播時，由于光纖中存在折射率的微觀不均勻性，會產(chǎn)生瑞利散射。 如果外界物理量的變化能夠引起光纖的吸收、損耗特性或瑞利散射系數(shù)的變化，那么通過檢測后向散射光信號的強(qiáng)度

3、就能夠獲得外界物理量的大小。 目前基于對后向瑞利散射光進(jìn)行強(qiáng)度調(diào)制的分布式光纖傳感器有： 利用微彎損耗構(gòu)成的應(yīng)力傳感器 利用放射線所引起光損耗構(gòu)成的分布式輻射傳感器 利用化學(xué)染料對光的吸收特性構(gòu)成的分布式化學(xué)傳感器 利用液芯光纖瑞利散射系數(shù)與溫度的關(guān)系構(gòu)成的分布式溫度傳感器5*第五張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 偏振調(diào)制型 偏振態(tài)光時間域反射法（POTDR）最初由Rogers提出，其基本原理： 光纖受外界物理量的調(diào)制時，光的偏振態(tài)就會隨之發(fā)生變化； 瑞利散射光在散射點的偏振方向與入射光相同，在光纖的入射端對后 向瑞利散射光的偏振態(tài)和光信號的延遲時間進(jìn)行檢測就可獲得外界物理量的分布情

4、況； 由于磁場、電場、橫向壓力和溫度都能夠?qū)饫w中光的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制，因此該技術(shù)可用于實現(xiàn)多個物理量的測量。 基于后向瑞利散射的傳感技術(shù)是現(xiàn)代分布式光纖傳感技術(shù)的基礎(chǔ)，它在80年代初期得到了廣泛的發(fā)展。目前由于技術(shù)難度較大，在這方面的研究者較少，據(jù)我們所知只有：中國、新加坡、意大利等幾個單位在繼續(xù)研究。6*第六張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月7*第七張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月II.拉曼散射 1928年，C. Raman爵士發(fā)現(xiàn)拉曼效應(yīng)：在非線性光學(xué)介質(zhì)中，高能量（波長較短）的泵浦光散射，將一小部分入射功率轉(zhuǎn)移到另一頻率下移的光束，此過程稱為拉曼效應(yīng)。 光通過光纖時，光

5、子和光纖中的光聲子會產(chǎn)生非彈性碰撞，發(fā)生拉曼散射，波長大于入射光為斯托克斯光，波長小于入射光為反斯托克斯光?；诶⑸涞姆植际絺鞲蟹Q為：ROTDR8*第八張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 基于拉曼散射的分布式溫度傳感技術(shù)是分布式光纖傳感技術(shù)中最為成熟的一項技術(shù)。 對該技術(shù)開展研究工作的主要有英國的King大學(xué)，中國的重慶大學(xué)和中國計量學(xué)院。 目前，該類傳感器的一些產(chǎn)品已出現(xiàn)在國際、國內(nèi)市場，最為著名的是英國York公司的DTS80，它的空間分辨力和溫度分辨力分別能達(dá)到1m、1，測量范圍為48km。9*第九張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月III.布里淵散射 1964年，首次

6、發(fā)現(xiàn)布里淵散射效應(yīng)。 光通過光纖時，光子和光纖中因自發(fā)熱運動而產(chǎn)生的聲子會產(chǎn)生非彈性碰撞，發(fā)生自發(fā)布里淵散射。 散射光的頻率相對入射光的頻率發(fā)生變化，這一變化的大小與散射角和光纖的材料特性有關(guān)。 基于布里淵散射的分布式傳感稱為：BOTDR10*第十張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月IV. 偏振型 偏振型分布式光纖傳感器是利用保偏光纖在受到外界的作用時，產(chǎn)生兩正交偏振模間的耦合效應(yīng)傳感。 檢測利用Michelson干涉儀進(jìn)行掃描獲得作用點的位置。11*第十一張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月V. 相位型 相位型分布式光纖傳感器是利用保偏光纖在受到外界的作用時，兩路光產(chǎn)生相位差進(jìn)行

7、傳感。 檢測利用各種干涉儀進(jìn)行掃描獲得作用點的位置。VI. 熒光型 （參加教材P41-44）12*第十二張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 基于布里淵散射的雙路分布式光纖傳感器傳感應(yīng)用舉例2泵浦波通過電致伸縮產(chǎn)生聲波，然后引起介質(zhì)折射率周期性調(diào)制。泵浦引起的折射率光柵通過布拉格衍射散射泵浦光，由于多普勒效應(yīng)，散射光產(chǎn)生了頻移：其中，n為光纖纖芯折射率， a為聲波速度， 為入射泵浦光波長。13*第十三張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月當(dāng)光纖受溫度或者軸向應(yīng)力影響時，布里淵頻移會發(fā)生變化: 考慮到聲波是呈指數(shù)衰減的，布里淵增益譜具有洛侖茲線形其中，g0是布里淵散射峰值增益系數(shù)，B是

8、布里淵散射譜半峰全寬，0為布里淵增益譜的中心頻率.14*第十四張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月15*第十五張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 1550nm窄線寬DFB激光器出射連續(xù)光被C1分為兩條光路：探測光路和參考光路。 5端的輸出作為探測光路，經(jīng)過偏振控制器(PC)，進(jìn)入11 Gbs的電光調(diào)制器(EOM)產(chǎn)生光脈沖，然后經(jīng)過摻鉺光纖放大器(EDFA)放大，再經(jīng)過環(huán)形器1和光纖布拉格光柵FBG1(中心波長為1 550nm，3 dB帶寬為01 nm，反射率為80)組合濾波，濾除放大后的ASE噪聲。最后得到高功率、高消光比、低噪聲的探測脈沖信號。該脈沖信號在進(jìn)入探測光纖前，經(jīng)過

9、一個955的耦合器c2，將5的脈沖信號輸人光示波器監(jiān)控脈沖形狀。探測脈沖經(jīng)過光隔離器通過5050的光耦合器c3分別進(jìn)入兩根傳感光纖. 耦合器C1的95端口輸出的信號作為參考光，通過偏振控制器，進(jìn)入12.5 GHz的電光調(diào)制器，被103 GHz的微波信號調(diào)制成兩個邊頻信號，與返回的頻移約為11GHz的布里淵散射信號混頻后，用探測帶寬為1GHz雙平衡光電探測器進(jìn)行探測。擾偏器(PS)消除信號的偏振噪聲。16*第十六張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月17*第十七張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 Background OTDR：Barnoski and Jensen，1976; Po

10、larization OTDR(POTDR)：Rodgers,1981； Important technique to produce high sensitive fiber sensor. Principle Rayleigh scatter in the fiber, the backscattered light , spatial distribution of the polarization property, analyzer element ,the polarization information, intensity variation. (please refer to

11、 Fig.1.) CharacteristicThe backscattered light is very low, about -50dB ; The same SOP as the incoming light. POTDR318*第十八張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月Two samples of POTDRA ModelOTDRAttenuatorDetectorPGDFBLAOMPCPolarizerEDFACirculatorFiber19*第十九張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月Two samples of POTDR(Continued)B ModelPGDF

12、BLStockesAnalyzerOpticalReceiverDigitizingScopeEDFAEDFAEDFAFiberCirculatorRotatablePolarizer20*第二十張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月POTDR application Experimental setup OTDRMW9076B7FiberPolarizationControllerFiberPolariserFiber Under StressFiber1 Fiber215Km12KmPolarizationController15 km12 kmFiberAnritsu, MX9076

13、00A 21*第二十一張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 Application to a sensitive stress sensor system 1.Waveforms nearby the location of FUS 22*第二十二張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 2.Waveforms close to the end23*第二十三張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 Application to the polarization investigation 1.Location of the polarization variation24*第二十四張

14、，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 2. Simple measurement of polarization variation25*第二十五張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月 3. In-depth measurement of polarization variation26*第二十六張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月POTDR Experiment Improved POTDR systemModulatorPPGMP1632CFiber14KmEDFA 1Filter1PC 1Fresnel reflectionFiberPolariserEDFA 2SDA50

15、00ALeCroyLD1550nmPC 2CouplorFilter2 27*第二十七張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月Experimental resultRayleigh scatter of 14km fiber28*第二十八張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月Fiber2kmGlycerin（甘油）FiberPolariserSDA5000A CouplorDetectorGlycerinPC脈沖光源瑞利散射2km(a)(b)29*第二十九張，PPT共三十三頁，創(chuàng)作于2022年6月ConclusionsPOTDR is more sensitive than OTDR and will be applied to the sensitive fiber-optic sensing system ;POTDR technique is a powerful method to diagnose the polarization properties along the fiber;Shorten the optical pulses, lessen the