分布式光纤传感技术发展

近年来, 光纤传感技术迅速发展,受到人们越来越多的关注,正逐步成为继光纤通信产业发展之后又一大光纤应用技术产业。其中,分布式光纤传感是目前国内外研究的热点之一。

分布式光纤传感测量是利用光纤的一维空间连续特性进行测量的技术。光纤既作传感元件,又作传输元件,可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量,同时获得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。 分布式光纤传感技术主要有:基于光纤拉曼散射或布里渊散射的光时域反射及频域反射技术(R/B-OTDR/OFDR)、基于光纤瑞利散射的偏振光时域反射技术(P-OTDR)、长距离光干涉技术以及准分布式光纤布拉格光栅复用技术等。

分布式光纤传感技术原理

基于后向散射的分布式光纤传感技术

当光波在光纤中传输时,会产生后向散射光,包括瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射。检测由光纤沿线各点产生的后向散射,通过这些后向散射光与被测量(如温度、应力、振动等)的关系,可以实现分布式光纤传感基于拉曼散射的分布式光纤温度传感。

测量光纤中的反斯托克斯喇曼反射信号可以实现分布式温度传感。从 20 世纪 80 年代开始,国内外对反斯托克斯拉曼散射信号的光时域测量技术进行了大量的研究。

利用光纤背向拉曼散射的温度效应,光纤所处空间各点的温度场调制了光纤中反斯托克斯背向拉曼散射光的强度,利用光纤的光时域反射技术(OTDR)检测对所测温度点定位。这种技术测量原理简单,造价相对低廉,目前已经能够实现 10 km 以上的测量距离,并得到一定程度的应用。但是它需要高功率、短脉冲的光源和高速信号放大采集器件,其测温精度和空间分辨率受到器件性能和造价的限制。

近年来光频域反射技术 (OFDR) 也得到较快发展。OFDR 技术,采用功率调制的连续激光做光源,因此其后向拉曼散射功率比同样入射条件下的 OTDR技术高近 2000 倍,信号虽然高速调制,但是频带窄,容易通过滤波除去噪声,能够大大提高传感信号的信噪比,在空间分辨率、检测精度和实时性方面具有更大的优势。

基于布里渊散射的分布式光纤温度/应力传感

用窄线宽连续激光对单模光纤进行抽运时,布里渊散射是一种主要的非线性效应。布里渊散射的散射性能可以用布里渊散射频移大小来描述,其大小与介质的声子速率有关,而该速率依赖于温度和应变。通过光谱分析获得温度或应力信息,并采用脉冲光对参量场分布进行定位,即可实现分布式光纤温度和应力传感。

基于受激布里渊散射的分布式光纤传感技术对于温度、应力等单一分布参数的测量有很高的精度和空间分辨率,是近年来发展起来的一种最具潜力和突破性的技术。它一般采用抽运-探测(Pump-Probe)结构,称为布里渊光学时域分析(BOTDA)。目前,基于受激布里渊散射的分布式光纤传感技术主要包括基于脉冲激光抽运的 BOTDA、基于相关连续波的 BOTDA 以及基于暗脉冲激光抽运的 BOTDA。

基于偏振光时域反射的分布式传感

偏振光时域反射(POTDR)传感是通过检测光纤中偏振态变化来达到分布式光纤传感目的的一种新型传感技术。POTDR 技术是在 OTDR 技术的基础上发展起来的, 其工作原理为:基于待测单模光纤中的后向瑞利散射光包含着偏振态沿光纤变化的附加信息。将线偏振光耦合进光纤, 光脉冲在光纤中传输时发生瑞利散射, 散射过程中光的偏振态随外界参量对纤的作用而变化,同时光的偏振性是位置的函数,因此探测后向散射光的偏振特性, 即可得知光纤中偏振特性的时间分布及空间分布,从而获得被测量的场 分布分布式光纤传感技术具有极优异的测量精度、可靠性和动态测量特性,而且本质安全,易于工程铺设,因此在民用工程、航空航天、电力、石油化工、医疗等领域中都有着广泛的应用。

民用工程结构中的应用

分布式光纤传感技术广泛应用于民用工程结构如桥梁等建筑的安全检测、岩石变形测量、道路和场地测量以及周界安防监控中,可为监测交通工具的速度、载重及种类提供很重要的数据。这种传感器的测量精度可以达到几个微应变级,具有很好的可靠性,可实现动态测量,采用分布式埋入还可以实现对整个建筑物的健康状况监测,从而防止工程及交通事故的发生。

航空航天领域中的应用

在航空航天领域,飞行安全是人们十分关注的一个方面。光纤传感器具有体积小、重量轻、灵敏度高等优点。分布式光纤传感技术早在 1988 年就成功地在航空航天领域中用于无损检测。将光纤传感器埋入飞行器或者发射塔结构中,构成分布式智能传感网络,可以对飞行器及发射塔的内部机械性能及外部环境进行实时监测。波音公司在这方面进行了许多研究。目前可以使用分布式光纤传感技术实现飞机机翼、羽翼、稳定轴、支撑杆等处应变及位移监测,并且还有电机、电路等连接部位的运行温度实时在线测量。

船舶工业中的应用

光纤传感技术在船舶工业中也有着广泛应用,如船体关键位置的应变监测、损伤评估和超负荷条件下的早期报警。船舶的结构缺陷常常影响其安全性能,基于分布式光纤传感技术的大型结构健康监测系统可以实时监测船体的健康状态,从而预防事故的发生。将光纤传感技术大规模用于船舶、潜艇损伤的实时检测。

电力工业中的应用

电网规模迅速扩大和电压等级的不断提高,对电力设备的可靠性和安全运行提出了更高要求,而高压检测技术却跟不上形势的发展,常规检测设备已不能满足当前的需要。目前分布式光纤传感器是较理想的一种检测技术,在高压电力系统的安全监控中有着重要应用。比如可以用于电缆温度和电缆导体载流量的监控,利用分布式光纤传感可以实时监测长距离输电线路表面的温度,计算导体温度许用负载和载流量,进而为输电线路的故障监测和负荷管理提供全面而有效的解决方案,保障输电线路的安全,可以提高资产利用率,发现潜在故障,实现预防性维护。

石油化工业中的应用

泄漏是输油管道运行的主要故障,往往也会由此造成巨大损失。因而,输油管道泄漏检测是石油行业亟待解决的重要问题。利用铺设在管道附件的传感器,拾取管道由于泄漏、附近机械施工和人为破坏等事件产生的压力和振动信号,进一步可以通过传感相关技术检测管道泄漏并进行定位。分布式光纤传感技术由于能够获得被测物理场沿空间和时间上的连续分布信息,非常适合用于长距离管道泄漏检测。另外,利用分布式光纤传感技术还可实时监测高压管道应变和弯曲状况。

医学中的应用

光纤传感器柔软、小巧、自由度大、绝缘、不受射频和微波干扰、测量精度高,在医学中的应用具有明显优势,例如对人体血管等的探测,人体外科校正和超声波场测量等。光纤内窥镜使得检查人体的各个部位几乎都是可行的,且操作中不会引起病人的痛苦与不适,其中光纤血管镜已应用于人类的心导管检查中。光纤内窥镜不仅用于诊断,目前也正进入治疗领域中,例如息肉切除手术等。微波加温治疗技术是当前治疗的有效途径,但微波加温治疗技术的温度难以把握,而光纤温度传感器恰可以对微波加温治疗技术的有效温度进行监测。光纤温度传感器在癌症治疗方面的研究和应用正日益兴起。

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