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光学传感常用术语光学原理
  • 分布式光纤测温系统
  • 光时域反射测量技术
  • 拉曼散射效应
  • 光纤布拉格光栅
  • 多模光纤
  • 单模光纤
  • 光纤耦合器
  • 布拉格光栅传感器
  • 布里渊光纤时域分析
  • 布里渊光纤时域反射法
  • 布拉格光栅
  • 针对光纤而言,是指一根或多根光纤组成的有保护的光缆
  • DTS :Distributed Temperature Monitoring Solutions
  • OTDR:Optical Time-Domain Reflectometry
  • Raman scattering
  • FBG:Fiber Bragg Grating
  • Multi Mode Fiber
  • Single Mode Fiber
  • Coupler
  • BGS: Brag grating sensor
  • BOTDA: Brillouin optical biber time domain analysis
  • BOTDR: Brillouin optical biber time domain reflectometry
  • Bragg grating
  • Cable

1) 拉曼散射原理

激光光脉冲射入传感用的光纤之中,在光脉冲向前的传播过程中,由于光纤的密度、应力、材料组成、温度和弯曲变形等原因发生散射现象,有一部分的散射光会按照入射光相反的方向传播,称之为背向散射光,返回的背向散射光包括:

瑞利(RayLeigh)散射,由光纤折射率的微小变化引起,其频率与入射光脉冲一致;

拉曼(Raman)散射,由光子与光声子相互作用引起,其频率与入射光脉冲相差几十太赫兹;

布里渊(Brillouin)散射,由光子与光纤内弹性声波场低频声子相互作用引起。其频率与入射光脉冲相差几十吉赫兹;

针对温度检测需求,Rayleigh 散射信号对温度变化不敏感;Brillouin 散射信号的变化与温度和应力有关;Raman 散射信号的变化与温度有关,而且 Raman 散射信号相对容易获取和分析,因此工业应用主要采集Raman 散射信号进行温度分析。


      



Raman散射会产生两个不同频率的信号:斯托克斯(Stokes)光(比光源波长长的光)和反斯托克斯(Anti-Stokes)光(比光源波长短的光),光纤受外部温度的调制使光纤中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光强发生变化,Anti-Stokes与Stokes的比值提供了温度的绝对指示,利用这一原理可以实现对沿光纤温度场的分布式测量。此原理光纤单通道监测距离在30km以内,采用单模光纤进行光信号传输。

2) 法布里-帕罗腔

(1)压力传感器原理

压力传感器采用光纤法布里-帕罗腔结构,由两光纤端面形成的空腔在光学上称作法布里-帕罗腔,简称法帕腔,如下图。






激光由一端光纤进入法帕腔时,部分光能量在该端的光纤端面形成反射;其余光能量继续前向传播,继而由第二个光纤端面反射,并且反向进入第一段光纤。两次反射的激光在探测器表面形成干涉,干涉光谱由法帕腔腔长唯一决定,在频率域为正弦波。外界压力P和法帕腔的腔长值之间成反比关系!


⑵温度传感器原理


                                         温度传感器原理图


利用紫外激光光束照射光纤,被照射区间段纤芯的折射率发生了周期性的变化,此折射率变化区域称为光纤光栅。光纤光栅的实质是在纤芯内形成一个窄带滤波器或反射镜,对入射的宽带光进行选择性反射,反射一个受光栅区调制的窄带光,透射光继续沿光纤传递。

每只光纤光栅在出厂前都对应着一个中心波长,该中心波长值与光纤光栅所处位置的温度有关,二者满足线性输出。

3) 分布式测量技术

分布式测量技术采用了光学时域反射技术(OTDR)原理。其最初用于评价通信光纤、光缆和耦合器的性能,是用于检验光纤损耗、光纤故障的手段。其工作机理是向被测光纤发射光脉冲,在光纤中形成背向散射光和前向散射光。其中,背向散射光向后传播至光纤的起始端(也就是光脉冲的注入端),由于每一个背向传播的散射光都对应光纤上的一个散射点,因此,根据背向散射光的行进时间便可判断出光纤上发生散射点的位置。

d=(c×t) / 2 × (IOR)

其中,c是光在真空中的速度,而t是信号发射后到接收到信号(双程)的总时间,IOR是光纤折射率。

通过采集和分析入射光脉冲从光纤的一端(注入端)注入后在光纤内传播时产生的背向反射光的时间和强度信息得到相应的位置和温度/应变(拉曼/布里渊散射)信息,在得知每一点的监测温度/应变和位置信息后,就可以得到一个关于整根光纤的不同位置的温度/应变曲线。




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