基于布里淵散射原理的分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感器

BOTDR篇石強(qiáng)2010.12.09目錄一、分布式光纖傳感器二、BOTDR基本理論分析三、BOTDR系統(tǒng)設(shè)計(jì)四、BOTDR性能分析 五、布里淵分布式傳感器發(fā)展方向一、分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感器基本原理應(yīng)用方向主要分類1.1分布式光纖傳感器基本原理從光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器注入光纖，由光纖傳輸而通過敏感元件，光在通過敏感元件時(shí)，因敏感元件是暴露在被測對(duì)象(如溫度、壓力、磁場等)之中且對(duì)被測對(duì)象極其敏感，使光在這里受到被測對(duì)象的調(diào)制，如光的強(qiáng)度、偏振面、頻率和相位等；然后，調(diào)制光由耦合器進(jìn)入光纖，再經(jīng)光纖傳輸?shù)叫畔⑻幚砥魃希?jīng)光電檢測和信號(hào)處理而得到被測對(duì)象的信息圖1.1光纖傳感器原理示意圖1.2分布式光纖傳感器分類注:“——”表示不可以測量;“……”表示無此參數(shù);“*”表示仿真結(jié)果基于不同原理的分布式光纖傳感器性能對(duì)比1.3光纖傳感器應(yīng)用光纖傳感技術(shù)的應(yīng)用研究主要有以下四大類：1、光纖層析成像技術(shù)2、智能材料3、光纖陀螺與慣導(dǎo)系統(tǒng)4、常規(guī)工業(yè)工程傳感器二、BOTDR性能分析基本原理布里淵散射是光在不均勻的介質(zhì)中傳播時(shí)發(fā)生的一種散射現(xiàn)象，它的頻率和強(qiáng)度相對(duì)于入射光均會(huì)發(fā)生變化。布里淵頻移和強(qiáng)度與光纖材料中的聲速有關(guān)，而聲速受到光纖材料的熱光特性和彈光特性的影響，所以光纖中的溫度和應(yīng)變的變化都會(huì)引起布里淵頻移和強(qiáng)度的變化。

光通過光纖時(shí),光子和光纖中自發(fā)熱運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的聲子產(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(duì)入射光的頻率發(fā)生變化,變化的大小與散射角和光纖的材料特性有關(guān)（折射率、楊氏模量、泊松比、密度）.以上特性主要受溫度T和應(yīng)變?chǔ)诺挠绊?。通過測定脈沖光的后向布里淵散射光的頻移就可實(shí)現(xiàn)分布式溫度、應(yīng)變測量2.1布里淵頻移與溫度和應(yīng)變的關(guān)系9式中為斯托克斯光頻率，，c為真空中光速，為光纖中的聲速，θ為散射角

式中E為楊氏模量，κ為泊松比，ρ為光纖纖芯密度2.1.1布里淵頻移與溫度和應(yīng)變的關(guān)系2.1.2布里淵頻移與溫度和應(yīng)變的關(guān)系由上式可知布里淵頻移與溫度呈線性關(guān)系，溫度每變化1，布里淵頻移變化約1.2MHz

由上式可知布里淵頻移與應(yīng)變呈線性關(guān)系，應(yīng)變每變化10-3所引起的布里淵頻移變化Δ約為50MHz。

當(dāng)應(yīng)變?yōu)?，溫度為20，泵浦光波長為1550nm時(shí)，普通單模石英光纖≈1.46，≈5890m/s，布里淵頻移為11.2GHz。

2.2布里淵強(qiáng)度與溫度和應(yīng)變的關(guān)系P0為入射脈沖光功率，s為布里淵散射背向捕捉系數(shù)，為布里淵散射損耗系數(shù)，W為脈沖寬度，

為光線中速度。

λ為真空中光波長，n為纖芯折射率，為光纖有效面積。

K為波爾茲曼常數(shù)，T為絕對(duì)溫度，p12為光線彈光系數(shù)，ρ為光纖材料密度，VA為光纖中聲波縱模聲速。=9.5Χ10-11m2，p12=0.27，k=1.38Χ10-23J/K

計(jì)算可得：布里淵強(qiáng)度變化的溫度系數(shù)約為0.34%/K計(jì)算可得：布里淵強(qiáng)度變化的應(yīng)變系數(shù)約為-0.982Χ10-4

%/με

2.2.1布里淵強(qiáng)度與溫度和應(yīng)變的關(guān)系2.3溫度和應(yīng)變的分布式同時(shí)測量在BOTDR系統(tǒng)中，通常是利用布里淵頻移來確定溫度或應(yīng)變，一般由布里淵頻移確定應(yīng)變時(shí)假設(shè)溫度保持不變，而由它測定溫度時(shí)假設(shè)應(yīng)變不變。但在實(shí)際應(yīng)用中，往往是溫度和應(yīng)變同時(shí)變化，由于布里淵頻移和強(qiáng)度隨它們同時(shí)變化，這就出現(xiàn)了傳感光纖布里淵散射譜參數(shù)對(duì)溫度和應(yīng)變交叉敏感的問題。研究發(fā)現(xiàn)布里淵頻移隨光纖的溫度和應(yīng)變近似線性變化，布里淵強(qiáng)度隨溫度的上升而近似線性增加，隨應(yīng)變?cè)黾佣凭€性下降?？刹捎萌缦卤磉_(dá)式來說明：、PB0分別為參考溫度、應(yīng)變下的布里淵頻移和強(qiáng)度；ΔT和Δ

ε分別為溫度和應(yīng)變的變化量；Cvt、Cvε、CPT、CPε

分別為布里淵頻移、強(qiáng)度的溫度和應(yīng)變系數(shù)。這些系數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)來確定。

14三、基于LPR的微波外差檢測BOTDR系統(tǒng)設(shè)計(jì)

LPR的微波外差檢測BOTDR系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)信號(hào)采集與處理子系統(tǒng)光發(fā)射子系統(tǒng)光脈沖調(diào)制子系統(tǒng)布里淵外差接收子系統(tǒng)下變頻器子系統(tǒng)3.1光發(fā)射子系統(tǒng)發(fā)射子系統(tǒng)窄譜光源中心波長1550nm線寬<1MHz

光脈沖參數(shù)設(shè)計(jì)

光脈沖寬度10ns光脈沖峰值功率光脈沖重復(fù)頻率f=c/2L*n寬譜光源