光纖傳感技術(shù)在長(zhǎng)輸管道的泄漏檢測(cè)與定位中的應(yīng)用

1、北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文光纖傳感技術(shù)在長(zhǎng)輸管道的泄漏檢測(cè)與定位中的應(yīng)用姓名：孫文韜申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：碩士專業(yè)：光學(xué)指導(dǎo)教師：宋晏蓉20070501摘要由于自然腐蝕、老化以及人為破壞等原因，長(zhǎng)輸管道泄漏時(shí)有發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境破壞甚至人員傷亡。因此對(duì)于管道泄漏的檢測(cè)與定位技術(shù)的研究就具有重大意義目前，分布式光纖傳感器的研究是國(guó)內(nèi)外無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，但是，雖然國(guó)內(nèi)外針對(duì)用于大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的分布式光纖溫度、應(yīng)變傳感器進(jìn)行了許多卓有成效的研究工作，但這些傳感器一般用以檢測(cè)靜態(tài)損耗和變化緩慢擾動(dòng)，不適合管道泄漏實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且對(duì)小泄漏不敏感。迄今為止，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有形成一套完善的、有效的用于

2、長(zhǎng)距離管道泄漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的分布式光纖傳感系統(tǒng)。本課題特點(diǎn)在于，采用基于效應(yīng)的分布式光纖聲學(xué)傳感器對(duì)管道泄漏進(jìn)行檢測(cè)和定位。綜述了管道泄漏監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀和使用的傳統(tǒng)方法，以及分布式光纖傳感技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展方向等內(nèi)容。理論上研究了泄漏聲發(fā)射信號(hào)對(duì)光信號(hào)的相位調(diào)制機(jī)理和泄漏聲信號(hào)的光學(xué)參數(shù)表征；討論了非互易相位調(diào)制的干涉原理，并用此原理設(shè)計(jì)了分布式光纖聲學(xué)傳感器：從理論上討論了壓電陶瓷（）模擬聲發(fā)射信號(hào)的機(jī)理，并設(shè)計(jì)了用于模擬泄漏信號(hào)的相位調(diào)制器。闡述了偏振控制器的工作原理，比較了幾種常用的偏振控制器，給出了描述傳輸光偏振態(tài)的方法及偏振角的計(jì)算方法。將分布式光纖聲學(xué)傳感器應(yīng)用到管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)中，首

3、先判斷是否有泄漏發(fā)生，并對(duì)泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)總長(zhǎng)時(shí)，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際泄漏點(diǎn)相對(duì)誤差為；采用直線型結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)總長(zhǎng)為時(shí)，測(cè)量結(jié)果與實(shí)際泄漏點(diǎn)相對(duì)誤差為，關(guān)鍵詞：效應(yīng)：分布式光纖傳感；泄漏檢測(cè)：偏振，鋤屺，鉀饑￥鰣矗幅，娜：，矧融吒即吐鋤，缸￥剮剮璃，胛蹴：，越。強(qiáng)坫。幅托掣骶，蜮￥，帳、佗曙罄剛衛(wèi)北：強(qiáng)，：￥；月蒯；獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過(guò)的研究成果，也不包含為獲得北京工業(yè)大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過(guò)的材

4、料。與我一同工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說(shuō)明并表示了謝意。簽名：鹼壘撿日期：亟：關(guān)于論文使用授權(quán)的說(shuō)明本人完全了解北京工業(yè)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。（保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）簽名：豳！盤拯導(dǎo)師簽名：燧日期：互塑蘭，引言第章緒論現(xiàn)代管道運(yùn)輸起始于世紀(jì)中葉，自年在美國(guó)賓夕法尼亞洲泰特期紹爾油田內(nèi)建成世界上第一條輸油管道（管徑，長(zhǎng)）至今，管道運(yùn)輸業(yè)已有近年的歷史。管道具有特殊優(yōu)勢(shì)，尤其是在輸送氣體、液體等物質(zhì)的時(shí)候其優(yōu)勢(shì)就更加明

5、顯，因此，管道運(yùn)輸業(yè)已經(jīng)成為與鐵路、公路、航空、水運(yùn)并駕齊驅(qū)的五大運(yùn)輸手段之一年，我國(guó)在克拉瑪依油田建成了第一條長(zhǎng)距離輸油管道【；此后，隨著大慶、遼河、勝利等油田的開發(fā)，我國(guó)的長(zhǎng)輸管道建設(shè)進(jìn)入了一個(gè)新的發(fā)展時(shí)期。截至年底，我國(guó)已經(jīng)建成天然氣管道總長(zhǎng)度萬(wàn)余公里。其中，陸上管道已超過(guò)萬(wàn)公里，海洋管道達(dá)多公里，目前在建和擬建的管道總里程也有萬(wàn)多公里，城市天然氣管網(wǎng)也以前所未有的速度在發(fā)展【塒。城市供水系統(tǒng)也是極為龐大的管道網(wǎng)絡(luò)。年底，僅北京市區(qū)供水管線總長(zhǎng)度就達(dá)到公里【”。管道運(yùn)輸主要用于能源輸送，普遍用于石油、天然氣、液化石油氣，化工原料等的輸送。在全球已建成的多萬(wàn)公里管道中，輸氣管道占近，原油管

6、道和成品油管道各占多，化工和其他管道不足。目前，世界管道總長(zhǎng)度已超過(guò)了世界鐵路總里程，成為能源運(yùn)輸?shù)闹饕绞?，世界上的天然氣、以上的原油的運(yùn)輸是通過(guò)管道輸送實(shí)現(xiàn)的。在發(fā)達(dá)國(guó)家，成品油的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸主要靠管道。歐美發(fā)達(dá)國(guó)家和中東產(chǎn)油區(qū)的油品運(yùn)輸現(xiàn)已全部實(shí)現(xiàn)了管道化【】。但是，由于老化、腐蝕、人為損壞等原因，管道泄漏事件頻頻發(fā)生。總的來(lái)說(shuō)，我國(guó)的大型油氣管網(wǎng)敷設(shè)技術(shù)己達(dá)到或接近國(guó)際先進(jìn)水平，能夠成功地在各種地質(zhì)條件復(fù)雜、地理環(huán)境特殊的地區(qū)建設(shè)油氣管道。但是，管網(wǎng)運(yùn)行安全檢測(cè)技術(shù)相當(dāng)落后，而且由于管道所傳輸?shù)慕橘|(zhì)的危險(xiǎn)性和污染性，一旦發(fā)生事故將會(huì)造成巨大的生命財(cái)產(chǎn)損失和環(huán)境污染。，因此，對(duì)長(zhǎng)輸管道泄漏

7、檢測(cè)和定位技術(shù)的研究具有很高的學(xué)術(shù)和工程實(shí)用價(jià)值，可為流體管網(wǎng)泄漏的測(cè)定、評(píng)估和安全管理提供科學(xué)對(duì)策和方法。管道泄漏檢測(cè)、管道泄漏檢測(cè)的現(xiàn)狀國(guó)內(nèi)外對(duì)管道泄漏檢測(cè)方法的研究已經(jīng)有幾十年的歷史了，但是由于管道泄漏檢測(cè)的復(fù)雜性，管道輸送介質(zhì)的多樣性、管道所處環(huán)境的多樣性、泄漏形式的多樣性等等，現(xiàn)在沒(méi)有一種簡(jiǎn)單、可靠、通用的方法能夠很好地解決管網(wǎng)的各種泄漏的檢測(cè)問(wèn)題。管道泄漏檢測(cè)的傳統(tǒng)方法管道泄漏檢測(cè)技術(shù)從不同的側(cè)重點(diǎn)出發(fā)有不同的分類方法：按采用的技術(shù)不同可分為基于硬件的方法和基于軟件的方法；按檢測(cè)方式不同可分為外部檢測(cè)法和內(nèi)部檢測(cè)法；按是否依賴管網(wǎng)流體力學(xué)參數(shù)可分為依賴管網(wǎng)流體力學(xué)參數(shù)的方法和不依賴

8、管網(wǎng)流體力學(xué)參數(shù)的方法。雖然檢測(cè)技術(shù)的分類各不相同，但總結(jié)起來(lái)，國(guó)內(nèi)外管道泄漏檢測(cè)的傳統(tǒng)方法主要有：（）負(fù)壓波法當(dāng)管道泄漏時(shí)，泄漏點(diǎn)的壓力會(huì)突然下降，因此在流體中會(huì)產(chǎn)生一個(gè)瞬態(tài)負(fù)壓波，負(fù)壓波沿管道向上下游傳播。由于管道的波導(dǎo)作用，負(fù)壓波可傳播數(shù)十公里的距離。根據(jù)負(fù)壓波向上下游傳播的時(shí)間差和負(fù)壓波的傳播速度即可以對(duì)泄漏進(jìn)行定位”】負(fù)壓波檢漏法的特點(diǎn)是能迅速地檢測(cè)出大的泄漏，對(duì)于檢測(cè)過(guò)程中突然爆發(fā)的泄漏檢測(cè)效果好，但對(duì)于比較小的泄漏或者緩慢泄漏效果不佳特別是，當(dāng)泄漏已經(jīng)發(fā)生，負(fù)壓波法將失去檢測(cè)能力（）管道爬機(jī)法將管道爬機(jī)從一端放入管道，順流而下，利用超聲波、渦流、錄像等技術(shù)采集有關(guān)管道內(nèi)流動(dòng)和管壁

9、完好程度的信息【“”。在國(guó)外，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并己用于各種管道檢測(cè)中，該方法檢測(cè)準(zhǔn)確，精度較高；但是，對(duì)管道要求嚴(yán)格，只適用于沒(méi)有太多接頭和轉(zhuǎn)彎的管道。（）聲發(fā)射技術(shù)（。簡(jiǎn)稱）利用流體泄漏時(shí)引發(fā)的沿管壁傳播的應(yīng)力波來(lái)判斷泄漏和定位。作為一種動(dòng)態(tài)無(wú)損檢測(cè)方法，聲發(fā)射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)結(jié)構(gòu)區(qū)域或整體的大范圍檢測(cè)，檢測(cè)效率較高，因此該方法對(duì)于管道的泄漏監(jiān)測(cè)具有潛在的特殊優(yōu)勢(shì)【”但是，由于泄漏聲發(fā)射信號(hào)及影響其傳播因素的復(fù)雜性，使得泄漏聲發(fā)射檢測(cè)技術(shù)推廣應(yīng)用于工業(yè)管道泄漏檢測(cè)面臨一些亟待解決的問(wèn)題，如信號(hào)解釋問(wèn)題、定位問(wèn)題和噪聲剔除問(wèn)題等【“（）流量平衡法基于管道流體流動(dòng)的質(zhì)量守恒關(guān)系，根據(jù)管道進(jìn)出

10、口的流量測(cè)量值，結(jié)合管道中流體的流量分析，確定管道是否發(fā)生泄漏【”該方法簡(jiǎn)單直觀，但是不能定位，而且對(duì)任何一個(gè)擾動(dòng)都很敏感，易造成誤檢。（）壓力坡降檢測(cè)法基于正常輸送時(shí)站間管道的壓力波降呈斜線，當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，漏點(diǎn)前的流量變大，坡降變陡，而漏點(diǎn)后流量變小，坡降變平，因此，沿管線的壓力坡降呈折線狀。折點(diǎn)即為泄漏點(diǎn)，據(jù)此可算出實(shí)際泄漏位置”光纖傳感器檢測(cè)管道泄漏目前，光纖因其抗電磁干擾能力強(qiáng)、電絕緣、耐腐蝕、重量輕、靈敏度高，測(cè)量對(duì)象廣泛等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)開始取代一些傳統(tǒng)的傳感技術(shù)，并且應(yīng)用于各種外界物理量的測(cè)量中。目前廣泛應(yīng)用于長(zhǎng)輸管道的泄漏檢測(cè)中。光纖傳感器的基本原理是】：光波在光纖中傳播時(shí)表征光波的特

11、征參量（強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)、波長(zhǎng)等）因外界因素（如溫度、壓力應(yīng)變、磁場(chǎng)、電場(chǎng)、位移、轉(zhuǎn)動(dòng)等）的作用而間接或直接的發(fā)生變化，從而可使光纖用作傳感元件來(lái)探測(cè)各種物理量。與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感器具有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)：靈敏度高。光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器。尤其是在測(cè)量一些特殊物理量的時(shí)候，如加速度、磁場(chǎng)、水聲等，光纖傳感器的靈敏度顯著要高于一般傳感器。重量輕、體積小。光纖除了具有重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)外還可繞曲，這對(duì)于制作不同外型和尺寸的傳感器提供了很大的方便和可能?？闺姶鸥蓴_、電絕緣、耐腐蝕由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而且光纖又是耐腐蝕、電絕緣的傳輸煤質(zhì)，因此光纖傳感器安全可靠，尤其適用

12、于檢測(cè)石油化工等強(qiáng)電磁干擾和易燃易爆的惡劣環(huán)境中。對(duì)被測(cè)介質(zhì)影響小、成本低、易于復(fù)用。此外，由于同時(shí)獲得的信息量大，單位時(shí)間所需的費(fèi)用大大降低，性價(jià)比很高，所以很適合長(zhǎng)距離管道泄漏的實(shí)施監(jiān)測(cè)。光纖傳感器按傳感原理可分為非功能型和功能型。非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測(cè)量變化，而光纖僅作為傳輸煤質(zhì)，所以又稱作傳光型傳感器。功能型光纖傳感（分布式光纖傳感）系統(tǒng)原理則是同時(shí)利用光纖做為傳感敏感元件和傳輸信號(hào)介質(zhì)，采用先進(jìn)的技術(shù)，探測(cè)出沿著光纖不同位置的溫度和應(yīng)變的變化，實(shí)現(xiàn)真正分布式的測(cè)量。本文中采用分布式光纖傳感技術(shù)，以下所說(shuō)的光纖傳感即為分布式光纖傳感。分布式光纖傳感技術(shù)分布式光纖傳

13、感技術(shù)的研究歷史在光通信系統(tǒng)中，光纖被用做遠(yuǎn)距離傳輸光波信號(hào)的媒質(zhì)。顯然，在這類應(yīng)用中，光纖傳輸?shù)墓庑盘?hào)受外界干擾越小越好但是，在實(shí)際的光傳輸過(guò)程中，光纖易受外界環(huán)境因素影響，如溫度、壓力、電磁場(chǎng)等外界條件的變化將引起光纖光波參數(shù)如光強(qiáng)、相位、頻率、偏振、波長(zhǎng)等的變化。因此，人們發(fā)現(xiàn)如果能測(cè)出光波參數(shù)的變化，就可以知道導(dǎo)致光波參數(shù)變化的各種物理量的大小，于是產(chǎn)生了光纖傳感的構(gòu)想上世紀(jì)年代，科學(xué)家首次將低損耗光纖用于傳感而非通訊目的的實(shí)驗(yàn)但是受到光源光功率特別是光纖傳輸損耗的限制，光纖傳感器誕生之初，主要進(jìn)行單點(diǎn)測(cè)量，還不能實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離分布式測(cè)量。然而隨著大功率光源和低傳輸損耗光纖的出現(xiàn)，使長(zhǎng)距離

14、分布式光纖傳感成為可能。自從上個(gè)世紀(jì)年代首個(gè)分布式光纖傳感原理被提出以來(lái)嗍，隨著研究的深入，光纖傳感在多個(gè)領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用由于它具有可以獲得被測(cè)量信息在時(shí)間上和空問(wèn)上連續(xù)分布的特點(diǎn)，以及光纖作為傳感元件的諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適用于工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測(cè)。年提出了光時(shí)域反射（）技術(shù)，這是實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感的關(guān)鍵技術(shù)。等在年提出了一種基于和干涉儀組合的新型分布式光纖傳感系統(tǒng)對(duì)沿光纖長(zhǎng)度上的擾動(dòng)進(jìn)行檢測(cè)和定位。年等開發(fā)了基于弘效應(yīng)的分布式光纖聲學(xué)傳感器蚓。來(lái)檢測(cè)用以保護(hù)地下電纜的管道內(nèi)絕緣液的泄漏。根據(jù)檢測(cè)空間范圍的不同，分布式光纖傳感器可以分為全分布式光纖傳感器和準(zhǔn)分布式光纖傳感器下面我們主要介紹全分布式傳感技

15、術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)使利用一根光纖作為延伸的敏感元件，光纖上的任意一段既是敏感單元又是其它敏感單元的信息傳輸通道，因而可獲得被測(cè)量的沿此光纖空間和時(shí)間變化的分布信息。它消除了傳統(tǒng)傳感器存在的“盲區(qū)”，從根本上突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測(cè)量限制，是真正意義上的分布式光纖傳感器。另外，由于全分布光纖傳感器利用一根光纖取代大量的分立傳感器，大大降低了造價(jià)，可以獲得較高的性價(jià)比，因此在檢測(cè)中越來(lái)越廣泛應(yīng)用全分布式光纖傳感技術(shù)的方法主要有光時(shí)域反射法（唧）和干涉法。光時(shí)域反射法光時(shí)域反射（）技術(shù)是由“在年提出的，是實(shí)現(xiàn)分布式傳感的關(guān)鍵技術(shù)。它的基本原理是光源發(fā)出的光在沿光纖向前傳輸?shù)倪^(guò)程中產(chǎn)

16、生后向散射，后向散射光強(qiáng)在向后傳播過(guò)程中隨著距離增長(zhǎng)而按一定規(guī)律衰減，在光速不變的情況下，距離與時(shí)間成正比；因此根據(jù)探測(cè)器探測(cè)到的后向散射光強(qiáng)及其到達(dá)探測(cè)器的時(shí)間，就可以知道沿光纖路徑上任一點(diǎn)的初始后向散射光強(qiáng)。圖是基于后向散射的光纖分布式傳感器的測(cè)量原理圖：圖卜后向散射光纖傳感器原理（馴當(dāng)光通過(guò)被測(cè)物理場(chǎng)時(shí)，光的能量一部分沿著光纖傳輸通道繼續(xù)傳播：一部分在傳輸過(guò)程中被吸收損耗或是散射至光纖外；一部分被耦合至接收通道，被光電探測(cè)器探測(cè)。后向散射光強(qiáng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：（）魯晶（）（咖缸（）（）式中尸砂一一時(shí)刻后向反射到光纖入射端的光功率；。一一光脈沖在光纖中傳播速度；尼一輸入光功率：俐一一后向反射

17、因子：口（）一一單位散射系數(shù)；口（）一光散射和光吸收系數(shù)沿光程上積分和的一半光的后向散射包括瑞利散射（士）、拉曼散射（）和布里淵散射（）三種形式。（）基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)瑞利散射是由光纖材料不均勻?qū)е鹿饫w的折射率不均勻所引起的，它是光與物質(zhì)之間發(fā)生的彈性散射，在散射過(guò)程中不發(fā)生頻移。光的后向散射中，瑞利散射的光功率比拉曼散射和布里淵散射的光功率大很多，因此，主要通過(guò)測(cè)量瑞利后向散射光強(qiáng)的變化來(lái)進(jìn)行擾動(dòng)定位當(dāng)窄帶光脈沖被注入到光纖中時(shí)，系統(tǒng)通過(guò)測(cè)后向散射光強(qiáng)隨時(shí)間變化的關(guān)系來(lái)檢查光纖的連續(xù)性并測(cè)出其衰減。瑞利散射的光功率為：足（）（）（）式中一一距光纖注入端的距離；一一光纖的衰減系數(shù)

18、；一一光纖注入端的脈沖功率；一一后向散射系數(shù)；如一一與光纖瑞利散射截面有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)激光脈沖在光纖中傳輸時(shí)，在光纖中產(chǎn)生瑞利散射。利散射光返回到光纖入射端所需的時(shí)間為，則有：三：三，距入射端處的局域瑞（）式中，一一光在光纖中的速度，且二刀一一真空中的光速：矗一一光纖折射率在利用后向瑞利散射的光纖傳感技術(shù)中，一般采用光時(shí)域反射（鼬結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)被測(cè)量的空間定位技術(shù)可以確定光纖的損耗，光纖故障點(diǎn)、斷點(diǎn)的位置因此，根據(jù)技術(shù)的特性可以將其應(yīng)用到分布式光纖傳感技術(shù)中，用以進(jìn)行沿光纖長(zhǎng)度上的擾動(dòng)定位。（）基于拉曼背向散射的分布式光纖傳感技術(shù)激光脈沖注入光纖，由于非彈性散射而產(chǎn)生拉曼散射，其中背向拉曼散射中因分

19、子能級(jí)間的轉(zhuǎn)換，包含有高于入射光頻率的斯托克斯光（）和低于入射光頻率的反斯托克斯光（）斯托克斯光和反斯托克斯光的光強(qiáng)表達(dá)式分別為：（）嵋晶（一口。一口），），、只（）：。麓（一一）凡（）式中，髟一一與光纖斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射截面有關(guān)的系數(shù)；一一光纖的背向散射因子：略，屹一一斯托克斯和反斯托克斯散射光子頻率；一一入射光光纖傳輸損耗；一一斯托克斯散射光光纖傳輸損耗：一一反斯托克斯散射光光纖傳輸損耗；一一光纖待測(cè)局域處長(zhǎng)度；（），兄（）一一與光纖分子低能級(jí)和高能級(jí)上布居數(shù)有關(guān)的系數(shù)。由于反斯托克斯光強(qiáng)大于斯托克斯光強(qiáng)，且對(duì)溫度敏感，因此可通過(guò)光時(shí)域反射技術(shù)測(cè)量背向散射的反斯托克斯光強(qiáng)，得到沿

20、光纖長(zhǎng)度各點(diǎn)的溫度分布。但由于拉曼散射光強(qiáng)較弱，且存在環(huán)境噪音影響，所以用這種方法測(cè)量溫度分布，距離短、信號(hào)弱、空間分辨力低因此我們采用雙通道雙波長(zhǎng)比較的方法來(lái)提高測(cè)溫精度。以光強(qiáng)較大的反斯托克斯光作為信號(hào)通道，斯托克斯光作為參考通道，通過(guò)兩者比較解調(diào)溫度。（）基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)布里淵散射是光波與聲波在光纖中傳播時(shí)相互作用而產(chǎn)生的光散射過(guò)程，在不同的條件下，布里淵散射又分別以自發(fā)散射和受激散射兩種形式表現(xiàn)出來(lái)。利用布里淵散射技術(shù)測(cè)量溫度和應(yīng)變較拉曼散射有更多的優(yōu)點(diǎn)：其信號(hào)較強(qiáng)（約比拉曼散射大糾）。如果用單模光纖作為傳感光纖，其工作波長(zhǎng)可為和。特別地，是光纖的第三個(gè)窗口波長(zhǎng)，光信

21、號(hào)的衰減和色散都很小，適用于長(zhǎng)距離測(cè)試。因此，基于布里淵散射的分布式光纖傳感器較基于拉曼散射的分布式光纖傳感器有更好的發(fā)展?jié)摿??；诓祭餃Y散射的分布式光纖傳感技術(shù)主要有布里淵時(shí)域分析法（）和布里淵時(shí)域反射計(jì)法（：）其主要區(qū)別在于利用自發(fā)布里淵散射，只需要單端測(cè)量，實(shí)際使用方便；而則需要兩個(gè)光源，系統(tǒng)較復(fù)雜，但是精度要高一些。干涉法光纖干涉型傳感器主要是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化量來(lái)確定光的相位變化量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息【】。干涉式光纖傳感器以其具有的高靈敏度、大動(dòng)態(tài)范圍

22、等特點(diǎn)，近年來(lái)得到了快速發(fā)展，且一些傳感器已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，如光纖陀螺、水聽器等等。隨著光纖傳感技術(shù)的快速發(fā)展，越來(lái)越多的人開始著手研究用于長(zhǎng)時(shí)間、大面積、實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的傳感器，而分布式傳感技術(shù)恰能滿足這一要求。干涉型傳感器是我們所研究的重點(diǎn)，其原理將在下一章詳細(xì)分析分布式光纖傳感技術(shù)的發(fā)展方向雖然，這二三十年來(lái)，隨著光電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)也有了長(zhǎng)足的進(jìn)步，但是，光纖傳感技術(shù)的現(xiàn)狀仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要，還有許多有待解決的問(wèn)題。近些年來(lái)，雖然世界各國(guó)科研人員對(duì)各種各樣的光纖傳感機(jī)理進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)，但是，被人們寄予厚望的光纖傳感器始終沒(méi)有成為主導(dǎo)傳感技術(shù)還有很多問(wèn)題需要研

23、究解決為了實(shí)現(xiàn)高效、精確的測(cè)量，今后還有在以下幾個(gè)方面繼續(xù)努力：傳感器的實(shí)用化研究，提高測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量范圍，減少測(cè)量時(shí)間，提高傳感系統(tǒng)，尤其是傳感器的性價(jià)比新傳感機(jī)理的研究，開拓新型光纖傳感器。將新型光纖材料（如，增敏和去敏光纖、熒光光纖、電極化光纖等）用于傳感系統(tǒng)，以適用于不同的測(cè)量要求。，充分發(fā)揮微處理技術(shù)和計(jì)算機(jī)軟件功能以改善和補(bǔ)償光纖傳感器的性能。形成數(shù)字化、集成化、自動(dòng)化的光纖傳感系統(tǒng)本文的主要研究?jī)?nèi)容分布式光纖傳感器的研究是國(guó)內(nèi)外無(wú)損檢測(cè)領(lǐng)域的一個(gè)熱點(diǎn)，但是，雖然目前國(guó)內(nèi)外針對(duì)用于大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)的分布式光纖溫度、應(yīng)變傳感器進(jìn)行了許多卓有成效的研究工作，但這些傳感器一般用以檢測(cè)靜態(tài)

24、損耗和變化緩慢擾動(dòng)，不適合管道泄漏實(shí)時(shí)檢測(cè)，并且對(duì)小泄漏不敏感。迄今為止，國(guó)內(nèi)外還沒(méi)有形成一套完善的、有效的用于長(zhǎng)距離管道泄漏實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的分布式光纖傳感系統(tǒng)本課題特點(diǎn)在于，采用基于效應(yīng)的分布式光纖聲學(xué)傳感器對(duì)管道泄漏進(jìn)行檢測(cè)和定位。文章結(jié)構(gòu)如下：第一章緒論，綜述了管道泄漏監(jiān)測(cè)的現(xiàn)狀和使用的傳統(tǒng)方法，以及分布式光纖傳感技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展方向等內(nèi)容第二章介紹了光纖傳感原理，主要對(duì)相位型光纖傳感理論進(jìn)行了闡述理論上研究了泄漏聲發(fā)射信號(hào)對(duì)光信號(hào)的相位調(diào)制機(jī)理；研制了基于非互易相位調(diào)制干涉原理的分布式光纖聲學(xué)傳感器采用壓電陶瓷（）來(lái)模擬聲發(fā)射信號(hào)，并從理論上證明了其可行性。第三章闡述了偏振控制器的工作

25、原理和數(shù)學(xué)描述第四章實(shí)驗(yàn)，對(duì)分布式光纖聲學(xué)傳感器在管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。引言第章光相位調(diào)制原理光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來(lái)的一種以光為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界信號(hào)（被測(cè)量）的新型傳感技術(shù)口”。外界信號(hào)按照其變化規(guī)律使光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奈锢硖卣鲄⒘?，如?qiáng)度（功率）、波長(zhǎng)，頻率、相位和振幅等發(fā)生變化。因此，光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同又可分為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器、頻率調(diào)制光纖傳感器、偏振調(diào)制光纖傳感器和波長(zhǎng)調(diào)制光纖傳感器。本章主要分析外界信號(hào)變化對(duì)光纖中傳輸光的相位調(diào)制機(jī)理。在光纖中傳輸?shù)墓獠捎梅匠瘫硎緸椋ǎ┦街欣谝灰还?/p>

26、波的振幅；一一頻率；口一一初相位。式（一）中包含五個(gè)參數(shù)，即強(qiáng)度霹，頻率，波長(zhǎng)厶，相位（甜）和偏振態(tài)，被測(cè)量在敏感頭內(nèi)與光發(fā)生相互作用，如果作用的結(jié)果是改變了光的強(qiáng)度，就叫強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器，其它依此類推。因此，就得到了五種調(diào)制類型的光纖傳感器。但是，無(wú)論是探測(cè)哪種物理量，其工作原理無(wú)非都是用被測(cè)量的變化調(diào)制傳輸光光波的某一參數(shù)，使其隨之變化，然后對(duì)已調(diào)制的光信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)，從而得到被測(cè)量。我們所研究的光纖干涉型傳感器，也被稱為相位調(diào)制型光纖傳感器。因此本章我們主要闡述光相位調(diào)制原理。光相位調(diào)制原理的類型光相位調(diào)制的基本原理是利用被測(cè)對(duì)象對(duì)敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，

27、而導(dǎo)致光相位的變化，使兩柬單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過(guò)檢測(cè)干涉條紋的變化量來(lái)確定光的相位變化量，從而得到被測(cè)對(duì)象的信息。利用光相位調(diào)制來(lái)實(shí)現(xiàn)一些物理量的測(cè)量可以獲得極高的靈敏度。其開發(fā)應(yīng)用已經(jīng)有一百多年的歷史，廣泛應(yīng)用于高分辨率實(shí)驗(yàn)室測(cè)量裝置。功能型光相位調(diào)制原理。功能型調(diào)制，外界信號(hào)通過(guò)光纖的應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)、熱應(yīng)變效應(yīng)、彈光效應(yīng)等使傳感光纖的幾何尺寸和折射率等參數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光纖中的光相位變化，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光相位的調(diào)制。光波通過(guò)長(zhǎng)度為，的光纖相位延遲為妒（）式中戶一一光波在光纖中的傳播常數(shù)，盧咄，；其中刀一一纖芯折射率；毛一一光在真空中的波數(shù)，衫凡；一一光真空中的波長(zhǎng)。當(dāng)傳感光纖受機(jī)

28、械力或溫場(chǎng)作用時(shí)，將導(dǎo)致一系列物理效應(yīng)，使光纖的參數(shù)變化，其中的縱向應(yīng)變效應(yīng)使光纖的長(zhǎng)度，變化（，）；橫向泊松效應(yīng)使光纖的芯徑紐變化（口），進(jìn)而導(dǎo)致傳播常數(shù)變化（）；彈光效應(yīng)和熱光效應(yīng)使光纖的纖芯折射率刀變化（）傳感光纖的上述參數(shù)變化都將引起光纖中的光波相位變化將（）微分，得到艫出班（孚）愕）惺，式中第一項(xiàng)表示傳感光纖長(zhǎng)度變化引起的相位差，第二項(xiàng)為傳感光纖折射率變化引起的相位差，第三項(xiàng)為傳感光纖芯徑變化引起的相位差，由于其值相對(duì)很小，一般可以忽略不計(jì)。則（）式可簡(jiǎn)化為艫（孚愕血睜），效應(yīng)光相位調(diào)制效應(yīng)相位調(diào)制，是指外界信號(hào)不改變光纖本身的參數(shù)，而是通過(guò)旋轉(zhuǎn)慣性場(chǎng)中的環(huán)形光纖，使其中相向傳播的兩

29、束光產(chǎn)生相應(yīng)的光程差，以實(shí)現(xiàn)對(duì)光相位的調(diào)制。如圖盯蕾止運(yùn)動(dòng)圖效應(yīng)示意圖【蚓掣圖一所示，當(dāng)環(huán)形光路靜止時(shí)，光束進(jìn)入系統(tǒng)后分成兩束相反方向傳播的光波，它們?cè)诮?jīng)過(guò)相同光路，以相反方向傳播后返回分束點(diǎn)。圖所示，當(dāng)環(huán)形光路在慣性空間繞垂直于光路平面的軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，光路內(nèi)相向傳播的兩列光波之間將因光波的慣性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生光程差，從而導(dǎo)致光的干涉。設(shè)環(huán)形光路半徑為，以角速度繞垂直于環(huán)路所在平面并通過(guò)環(huán)心的軸旋轉(zhuǎn)。環(huán)路中的兩列光波同時(shí)從膨處開始分別沿順時(shí)針（）方向和逆時(shí)針?lè)较颍ǎ┫嘞騻鞑?。設(shè)光波在靜止環(huán)路中傳播一周所需時(shí)間為，則，為環(huán)路中的光速。根據(jù)慣性運(yùn)動(dòng)原理，與環(huán)路旋轉(zhuǎn)同向的順時(shí)針?lè)较颍ǎ┎性跁r(shí)間內(nèi)超前達(dá)到，其光

30、程為鉀（）與環(huán)路旋轉(zhuǎn)反向的逆時(shí)針?lè)较颍ǎ┎性跁r(shí)間內(nèi)遲后達(dá)到，其光程為【石（）則順、逆兩列波在環(huán)路中傳播一周產(chǎn)生的光程差為。垃（面一羆）竿，一尬。由于光纖環(huán)路面積為，則世：蘭蘭（）式（）說(shuō)明，沿順時(shí)針?lè)较颍ǎ┖湍鏁r(shí)針?lè)较颍ǎ﹤鞑サ膬杉砉夤獬滩钆c閉合回路的旋轉(zhuǎn)角速度及回路面積成正比，與真空中的光速成反比如果采用單模光纖構(gòu)成長(zhǎng)度為上的環(huán)形光路，則光波渡越光纖環(huán)路產(chǎn)生的相位移為：（）式中，一一光波頻率刀一一光纖纖芯折射率一一真空中光速對(duì)（）式中工進(jìn)行微分，并將（）式代入，可以得到與光程差業(yè)相應(yīng)的相位差疊：墮墮（）厶，外界信號(hào)可通過(guò)旋轉(zhuǎn)光纖環(huán)對(duì)光纖中的光束進(jìn)行相位調(diào)制，產(chǎn)生相應(yīng)的和兩列光波的相位差光纖

31、相位調(diào)制相位調(diào)制光纖傳感器的基本傳感原理呻是：通過(guò)被測(cè)能量場(chǎng)的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再用干涉測(cè)量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢測(cè)出待測(cè)的物理量。從式（）的分析可知，光纖中的光相位由光纖波導(dǎo)的物理長(zhǎng)波】、折射率及其分布、橫向幾何尺寸所決定。一般而言，應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等外界物理量能直接改變上述三個(gè)波導(dǎo)參數(shù)，產(chǎn)生相位變化，實(shí)現(xiàn)光纖的相位調(diào)制。下面具體討論引起敏感光纖中光相位調(diào)制的兩種物理效應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變對(duì)光纖相位的影響當(dāng)光纖受到軸向的機(jī)械應(yīng)力作用時(shí)，光纖的長(zhǎng)度、芯徑纖芯折射率都將發(fā)生變化，這些變化導(dǎo)致光波的相位變化。上文已經(jīng)提到，光波在外界因素作用下。相位的變化可以寫成（）式所表達(dá)

32、的形式妒螂）叫（孚愕）（警）血由此可看出，（）式中，第一項(xiàng)表示由光纖長(zhǎng)度變化引起的相位延遲（應(yīng)變效應(yīng)）；第二項(xiàng)表示感應(yīng)折射率變化引起的相位延遲（光隙效應(yīng)）；第三項(xiàng)表示光柵的半徑改變引起的相位延遲（泊松效應(yīng)）根據(jù)彈性力學(xué)原理，對(duì)各向同性材料，其折射率的變化與對(duì)應(yīng)的應(yīng)變毛有如下關(guān)系（）式中，幾，兒是光纖的光彈系數(shù)，其中凡（。一：）；毛和毛是光纖的橫向應(yīng)變；島為光纖的縱向應(yīng)變。因?yàn)椋用δ?，批，所以印一圭司鹋（垃）假設(shè)光纖芯為各向同性材料，有毛毛，且一碼瑪，則有，一互萬(wàn)（。：）毛，。：毛，：一互捍（。：）毛：毛，一【崩：毛，毛】（）（）（）（）設(shè)盧，歸鈿州凡，毛，則（）式可改寫為妒毛三聘（）氣島扇丌

33、爿艮庇肌凡用幾蛆迥迥蛆皚餞只有縱向應(yīng)變時(shí)，毛島，由于光纖中光的傳播是沿橫向偏振的，僅考慮折射率的徑向變化，將式（）代入式（）得到妒（）島（）徑向應(yīng)變引起的相位變化此時(shí)毛，對(duì)于軸向?qū)ΨQ的徑向應(yīng)變毛毛絲，考慮泊松效應(yīng)時(shí)，由（）得妒馴意（警）（，卜枷，式中，蔓傳播常數(shù)的應(yīng)變因子。不考慮泊松效應(yīng)時(shí)有吉（）（）光彈效應(yīng)引起的相位變化此時(shí)縱、橫向效應(yīng)同時(shí)存在，將式（）代入式（一）得相位變化為萬(wàn)三島一玎（，。：）毛一廳：島（）一般形式的相位變化當(dāng)縱向應(yīng)變?yōu)樯扉L(zhǎng)時(shí)，橫向應(yīng)變?yōu)榭s短；縱向應(yīng)變?yōu)榭s短時(shí)，橫向應(yīng)變?yōu)樯扉L(zhǎng)。兩者符合相反，符合虎克定律。，悼，（）毛式中，是泊松比，為常數(shù)；且毛毛則式（）寫為艫慨工

34、8;以一）卜伽警毛浯。，溫度應(yīng)變對(duì)光纖相位的影響溫度應(yīng)變效應(yīng)與應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)相似【。將光纖放置在變化的溫度場(chǎng)中，且把溫度場(chǎng)變化等效為作用力，則，將同時(shí)對(duì)光纖纖芯折射率和光纖長(zhǎng)度工的變化產(chǎn)生影響。由引起的光相位變化為害（嘉舭（蕓）（騫呈箬）（）式中第一項(xiàng)表示由折射率變化引起的光相位變化；第一項(xiàng)表示由光纖長(zhǎng)度變化引起的光相位變化。式中忽略了光纖直徑變化引起的光相位變化。用溫度變化和相位變化表示（）式得盟工（魯）一（等（）由于光纖中的光是橫向偏振光，所以當(dāng)僅考慮徑向折射率變化時(shí)，其相位隨溫度的變化為笪：三立。一墮弘月（）吉嘉吉卜（）¨凡毛式中，和毛與應(yīng)力應(yīng)變的物理意義相同，且應(yīng)變毛、毛與光纖

35、材料性質(zhì)有關(guān)干涉式分布光纖傳感技術(shù)因?yàn)槟壳暗墓馓綔y(cè)器只能探測(cè)到光的強(qiáng)度信號(hào)，而不能直接探測(cè)光的相位信號(hào)，所以要采取一定的方式將光相位信號(hào)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的光強(qiáng)信號(hào)，這種轉(zhuǎn)換方式就是干涉法，按照干涉法構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)統(tǒng)稱為干涉儀【”】。由于干涉條紋記錄了光的相位，當(dāng)相位變化時(shí)干涉條紋隨之變化，因此根據(jù)探測(cè)系統(tǒng)探測(cè)的干涉條紋變化情況可以解調(diào)出光相位的變化。例如，有振幅為和的兩束相干光，若其中一束光的相位由于某種因素的影響受到調(diào)制，則這兩束光產(chǎn)生干涉。干涉場(chǎng)中各點(diǎn)的光強(qiáng)可表示為（妒）（）式中，一是相位調(diào)制引起的兩相干光之間的相位差。通過(guò)探測(cè)干涉光強(qiáng)度的變化，就可以確定兩光束間的相位的變化，進(jìn)而得到待測(cè)物理量

36、的大小。下面我們具體介紹幾種光纖相位干涉儀。邁克爾遜（）光纖干涉儀圖邁克爾遜干涉儀工作原理圖怔細(xì)日如圖所示為邁克爾遜干涉儀的工作原理圖。當(dāng)和鴆到的光程差小于激光器的相干長(zhǎng)度時(shí)，入射到光探測(cè)器上的兩相干光束便產(chǎn)生干涉干涉光強(qiáng)由式（）確定。兩相干光的相位差為世，（）式中，毛是光在空氣中的傳播常數(shù)；越是兩相干光的光程差。由式（）和（）可知，每移動(dòng)，長(zhǎng)度，光探測(cè)器的輸出就變化一個(gè)周期基于干涉儀的分布式光纖傳感結(jié)構(gòu)如圖圖基于邁克爾遜干涉儀的分布式光纖傳感器圖所示系統(tǒng)，由光源、耦合器、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡、檢光器以及傳感光纖和傳輸光纖組成。傳感光纖中傳輸?shù)墓庠谀骋煌饨缥锢韴?chǎng)的作用下相位被調(diào)制，導(dǎo)致兩路光的相位不同

37、，通過(guò)解調(diào)干涉光的相位變化可以獲得物理場(chǎng)的信息。這種基于涉儀的分布式光纖傳感器中要求傳感臂和參考臂等長(zhǎng)，且光源有較高的同調(diào)長(zhǎng)度，這是發(fā)生干涉的條件。但要使傳感臂和參考臂的光纖完全等長(zhǎng)是很難實(shí)現(xiàn)的，因此存在著由于兩臂不完全等長(zhǎng)而引起的噪音。其優(yōu)點(diǎn)在于兩個(gè)法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的應(yīng)用，可使兩路光的偏振態(tài)保持一致，因此不會(huì)出現(xiàn)偏振引起的信號(hào)衰減現(xiàn)象。馬赫一曾德（）光纖干涉儀馬赫一曾德爾光纖干涉儀是一種大型的光學(xué)儀器，適用于研究氣體密度迅速變化的狀態(tài)嗍其結(jié)構(gòu)如圖光源圖馬赫一曾德干涉儀工作原理圖作為一個(gè)工程實(shí)用的傳感器，最好采用全光纖干涉儀。圖就是基于干涉儀的分布式全光纖傳感結(jié)構(gòu)。（）耦合器耦合器圖基于馬赫一曾德

38、干涉儀的分布式光纖傳感器副珂噶盯吐電刊圖所示的系統(tǒng)，由光源、個(gè)耦合器、檢光器以及傳感光纖和傳輸光纖組成。其工作原理是，光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器被分為兩束，分別經(jīng)傳感光纖和參考光纖傳輸并在第二個(gè)耦合器處會(huì)合且發(fā)生干涉。其中參考臂與外界物理場(chǎng)隔離，以保證參考臂中傳輸?shù)墓獠皇芡饨缬绊?，傳感臂中傳輸?shù)墓庠谕饨缥锢韴?chǎng)作用下相位被調(diào)制，導(dǎo)致兩路光產(chǎn)生相位差，通過(guò)解調(diào)干涉信號(hào)中的相位可獲得物理場(chǎng)的信息基于干涉儀的分布式全光纖傳感器與基于干涉儀的分布式光纖傳感器同樣要求傳感臂與參考臂等長(zhǎng)，光源有高的同調(diào)長(zhǎng)度，且參考臂與外界物理場(chǎng)隔離其優(yōu)點(diǎn)則在于體積小，機(jī)械性能穩(wěn)定法布里一珀羅（）光纖干涉儀年，由法國(guó)物理學(xué)家法布里

39、與珀羅首先發(fā)明的多光束干涉儀”】，作為科學(xué)研究的精密光學(xué)儀器，已日益得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用帥】乏刻傳感器光源一：光探測(cè)苴盎定反射鏡可移動(dòng)反射鏡圖法布里一珀羅干涉儀工作原理圖衲苜與邁克爾遜（）干涉儀、馬赫一曾德（）干涉儀等單光束、雙光束干涉儀不同，法布里一珀羅（）干涉儀是一種多光束干涉器件，它通常由兩塊平行放置的平板玻璃（平面鏡）、激光器、光檢測(cè)器和換能器等部分組成，在相對(duì)的兩個(gè)平板玻璃上鍍有薄銀膜或其它具有高反射系數(shù)（）的薄膜，兩鍍銀平板作為諧振腔其間隔可以改變。激光器輸出的光束入射到干涉儀，在兩個(gè)平行相對(duì)的反射鏡表面做多次往返，透射出去的平行光束由光探測(cè)器接受。根據(jù)多光束干涉原理，探測(cè)器上探

40、測(cè)到的干涉光強(qiáng)的變化為仁厶靜掰圳協(xié)”式中一一反射鏡的反射率；一一一相鄰光束間的相位差由式（）可知，當(dāng)反射鏡的反射率值一定時(shí)，透射的干涉光強(qiáng)隨毋變化當(dāng)（為整數(shù)）時(shí)，干涉光強(qiáng)有最大值；當(dāng)（廳弦（為整數(shù)）時(shí)，干涉光強(qiáng)有最小值（告景）厶；這樣，透射的干涉光強(qiáng)的最大值與最小值之比為；塑一月可見(jiàn)，反射率越大，干涉光前變化越顯著，即有高的分辨率，這是法布里珀羅干涉儀最突出的特點(diǎn)。通常，可以通過(guò)提高反射鏡的反射率來(lái)提高干涉儀的分辨率，從而使干涉儀測(cè)量有極高的靈敏度】。部分透射反射鏡部分透射反射鏡圖基于法布里一珀羅干涉儀的分布式光纖傳感器目蛐日?qǐng)D所示為法布里珀羅光纖干涉儀。它與一般法布里珀羅干涉儀的區(qū)別在于以光

41、纖光程代替了空氣光程，以光纖特性變化來(lái)調(diào)制相位代替了以傳感器控制反射鏡移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)相。薩格納克（）光纖干涉儀效應(yīng)是法國(guó)物理學(xué)家。在年首次發(fā)現(xiàn)并得到證實(shí)。輸入圖干涉儀原理圖而它由一個(gè)分光器和三個(gè)反射鏡構(gòu)成閉合回路，輸入光經(jīng)分光器分成兩柬方向相反的光，這兩束光最后又回到分光器，且在這里發(fā)生干涉，干涉光從探測(cè)器輸出當(dāng)整個(gè)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩束光產(chǎn)生一定的光程差，光程差的大小正比于轉(zhuǎn)動(dòng)角速度，即光程差與其旋轉(zhuǎn)速度的解析關(guān)系。即外界信號(hào)可通過(guò)旋轉(zhuǎn)光纖環(huán)對(duì)光纖中的光束進(jìn)行相位調(diào)制。當(dāng)把這種干涉儀裝在一個(gè)繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺(tái)上且平臺(tái)以角速度轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，根據(jù)效應(yīng)，兩束傳播方向相反的光束到達(dá)光探測(cè)器的延遲不同其延

42、遲已由（）式給出礦：罌墮從式中我們可以看出，通過(guò)探測(cè)器檢測(cè)干涉光強(qiáng)的變化，便可確定旋轉(zhuǎn)角速度。由此可見(jiàn)，光纖干涉儀是構(gòu)成光纖陀螺儀的基礎(chǔ)圖干涉儀型光纖傳感器￥基于效應(yīng)的分布式光纖傳感器如圖所示，利用經(jīng)過(guò)同一路徑的兩路相反方向的光，在某一外界物理場(chǎng)的作用下，使兩路光相位改變而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。由于兩路相反方向的光通過(guò)物理場(chǎng)位置的時(shí)間不同，使光波間的相位變化也不同，因此干涉信號(hào)包含了不同的感應(yīng)相位，解調(diào)干涉信號(hào)后即可得到時(shí)變物理場(chǎng)?；谛?yīng)的分布式光纖傳感器主要優(yōu)點(diǎn)在于，零光程差的特點(diǎn)，使之對(duì)光源同調(diào)長(zhǎng)度要求低，易于發(fā)生干涉。本文中主要采用基于效應(yīng)的分布式光纖聲學(xué)傳感器進(jìn)行管道泄漏檢測(cè)研究，下面主要介

43、紹其檢測(cè)原理?；诟缮鎯x原理的分布式光纖聲學(xué)傳感器檢測(cè)原理基于效應(yīng)的分布光纖聲學(xué)傳感器系統(tǒng)基于干涉儀原理的管道泄漏檢測(cè)技術(shù)，較馬赫曾德干涉儀傳感器的優(yōu)點(diǎn)是，干涉儀為零光程差，因此不存在兩傳感臂長(zhǎng)度不一致引起的噪音。且對(duì)光源要求低，可使用高功率的寬帶光源，更適合長(zhǎng)距離管道檢測(cè)。圖所示的干涉儀應(yīng)用于管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)，由光源、光纖環(huán)、光電轉(zhuǎn)換器、耦合器、鎖相放大器、信號(hào)處理和相位調(diào)制器幾部分組成。光源發(fā)出的光經(jīng)×耦合器分光后，分別沿干涉儀光纖環(huán)的順時(shí)針和逆時(shí)針?lè)较騻鞑?，并先后?jīng)過(guò)圖所示的泄漏點(diǎn)橙群瘁世繁袒漏位直磁擎島蘭蘭芻、愛(ài)霉：口圖干涉型管道泄漏檢測(cè)系統(tǒng)目日管道中流體泄漏后產(chǎn)生的沖擊力作用到光纖上，使光纖沿長(zhǎng)度發(fā)生變化，導(dǎo)致光纖中傳播的導(dǎo)光相位被調(diào)制，經(jīng)調(diào)制后的兩路光在光電轉(zhuǎn)換器處發(fā)生干涉。由于順逆兩束光經(jīng)過(guò)泄漏點(diǎn)的時(shí)間不同，兩路光被調(diào)制后產(chǎn)生相位差，根據(jù)效應(yīng)，兩束光在光電轉(zhuǎn)換器處的干涉信號(hào)為：，彳占口（）：國(guó)（）式中一和占正比于輸入功率；（一一管道中流體泄漏引起的兩道光在干涉儀中的相位差；中：