分布式光纤传感器:3分钟了解分布式光纤传感技术

2021/11/01 15:55 · 传感器知识资讯 ·  · 分布式光纤传感器:3分钟了解分布式光纤传感技术已关闭评论
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分布式光纤传感器:3分钟了解分布式光纤传感技术文/靳宝全太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室在工程上应用的分布式光纤传感技术根据传感光类型不同可分为散射光传感和前向光传感两类。其中,散射光又分为瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射三类。基于不同光学效应的传感技术可以检测不同的物理参量。基于瑞利散射的光纤传感技术工程上主要用于检测

分布式光纤传感器:3分钟了解分布式光纤传感技术

文 / 靳宝全 太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室
在工程上应用的分布式光纤传感技术根据传感光类型不同可分为散射光传感和前向光传感两类。其中,散射光又分为瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射三类。
基于不同光学效应的传感技术可以检测不同的物理参量。基于瑞利散射的光纤传感技术工程上主要用于检测振动与声音信号,基于拉曼散射的光纤传感技术工程上主要用于温度的测量,而基于布里渊散射的光纤传感技术工程上主要用于应变与温度的双参数测量,基于前向光干涉的光纤传感技术工程上主要用于振动与声音的检测。
前向光干涉的分布式光纤传感技术
基本干涉型结构的分布式光纤传感在工程上主要使用主马赫-泽德尔、迈克尔逊、萨格奈克干涉三种类型,其光路结构如图1所示,均是扰动改变了相位,进而通过干涉光强变化来检测振动。马赫-泽德尔使用两个耦合器,迈克尔逊、萨格奈克干涉使用一个耦合器,不同的是迈克尔逊干涉需要两个旋转镜。上述结构的光纤传感在工程上应用需铺设两根光纤。
图1 基本干涉法的光路结构
如图2是一种直线型萨格奈克方案。其特点在于仅需一根传感光纤即可实现对信号的拾取,实用性强。两束干涉光光程差相同,对光源线宽要求低,成本低,检测灵敏度高,信号还原性能好。然而其依然存在振动定位难、无法多点定位等问题,导致在需要精确定位及多点振动监测领域应用受限。
图2 直线型萨格奈克系统结构
散射光干涉的分布式光纤传感技术
1.R-OTDR(Raman Optical Time-Domain Reflectometry )拉曼光时域反射分布式光纤传感技术
分布式拉曼温度传感系统的结构如图3所示。入射脉冲光产生后向拉曼散射光,其光强随光纤温度的变化而变化,对探测到的后向拉曼散射光进行解调,光电探测器完成光电转化,转化后的微弱电信号经信号放大电路放大,由数据采集卡采集并传输给计算机,通过数据处理便可获得光纤沿线的温度。工程上应用于矸石山火险预警、电缆温度检测、带式输送机火险预警以及隧道火险预警等场景。
图3 分布式拉曼温度传感系统结构
R-OTDR的进一步发展仍面临很多挑战,如在单模光纤的应用中信噪比不高导致的测量精度低的问题,进一步提升传感距离、空间分辨率、测温精度及响应速度等问题。
2.φ-OTDR(Phase Sensitive Optical Time-Domain Reflectometry)相位敏感光时域反射分布式光纤传感技术
φ-OTDR在工程上主要有直接探测与相干探测两种方案。其中,直接探测结构更为简单,信号处理简单,但准确还原波形较为困难。相干探测的信号灵敏度更高,拥有更高的空间分辨率和信噪比,频带响应范围更宽,能准确还原信号。工程上主要应用在燃气管线、周界安防、轨道交通、电缆舞动、地震波探测、局部放电等检测场合。
直接探测型通过差分扰动前后的散射曲线来进行振动定位,其效果受振动频率、差分点数和脉冲重复频率的影响。直接探测型φ-OTDR的系统结构如图4所示,其原理为通过对后向散射曲线采集与处理,检测振动信号对光相位和强度的影响,实现对振动信号的定位、还原。
图4 直接探测型φ-OTDR系统结构
相干探测型φ-OTDR系统结构如图5所示,与直接探测型的区别在于,引入本征光提升散射光信号功率,增强系统信噪比。光电探测器输出的信号经IQ解调可获得正交信号,经过进一步的处理便可解调出振动信号的幅值与相位。
图5 相干探测型φ-OTDR系统结构
当前φ-OTDR分布式光纤振动传感技术发展面临的挑战主要有:信号衰落的抑制与实时振动波形还原、传感距离与空间分辨率提升、振动方向识别与振动类型智能模式识别。
3.B-OTDR(Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry)布里渊光时域反射分布式光纤传感技术
BOTDR是在OTDR基础上结合光纤中的自发布里渊散射效应完成温度/应变测量的分布式光纤传感技术。当光纤受到拉伸或压缩时,应力变化会导致后向布里渊散射光产生频率漂移,通过解调漂移量可实现应变测量;光纤的温度变化同样会导致布里渊散射光发生频率漂移,根据频移量可解调出温度信息。
BOTDR是基于布里渊效应的单端抽运光时域反射技术,具有很大的优势,结构简单,只需在一端输入激光,在工程中应用前景广泛。基于BOTDR的分布式光纤传感系统结构如图6所示。在光路进行相干探测,在电路进行频率扫描,最后进行数据处理后可得到光纤沿程的布里渊频移量,即可解调出应变与温度信息。这种方法可用于建筑变形监测、地质沉降监测、桥梁变形监测、隧道变形监测等。
图6 BOTDR系统结构
在工程上如何实现实时布里渊频移解调、长距离高空间分辨率高精度检测、解决温度与应变交叉敏感等问题是BOTDR进一步应用所面临的一系列挑战。
综述所述,基于前向光干涉与散射光原理的分布式光纤传感技术在工程上均获得了应用,随着成本的进一步降低、指标参数的进一步提升、可靠性的进一步提高,同时具有长距离、抗电磁干扰、多参数测量等优势,分布式光纤传感技术在工程上的应用必将越来越广泛。
作者
简介
靳宝全,太原理工大学教授,博士生导师。任新型传感器与智能控制教育部重点实验室副主任,山西省传感器产业技术创新战略联盟负责人,山西省光电传感与检测科技重点领域创新团队负责人。主要从事光纤传感、光电智能仪器等方面的研究,开发了布里渊光时域反射仪、相位敏感光时域反射仪等仪器。主持国家自然科学基金、企业技术开发等各类项目30余项,先后获省部级科学技术奖5项。
靳宝全教授同期也在“光言万物”直播间作了相关分享,如果想了解更多详细内容,可在本公众号菜单栏“系列直播”中查看视频回放。
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光电汇-光电产品一站式导购服务平台分布式光纤传感器:3分钟了解分布式光纤传感技术  第1张

分布式光纤传感器:分布式光纤传感器

图1是分布式光纤传感器原理框图  图2总结了用于构成分布式光纤传感器系统的各种技术。典型的是利用对特定被测场增敏的传感光纤,测量沿光纤长度上的基本损耗或散射。通常采用otdr (光时域反射计)技术,从输出信息中获得被测场的空间变化信息。因此,此种连续分布传感器可以一定的空间分辨率获取被测场沿光纤长度的分布。otdr技术是目前在光纤通讯中作为故障(如断点)定位和诊断的必不可少的设备。  分布式光纤传感器最基本的形式是直接采~otdr探测沿光纤长局部过大的损耗(例如由微弯引起了产生的后向散射光)。  最初演示的分布式光纤温度传感.是利用了后向散射系数随温度变化的特征 为了提高测量灵敏度,采用了液芯光纤。这种方案的缺点是实芯光纤灵敏度极低,液芯光纤又不切实际且接收信号与模式结构有关。  另一种分布式光纤传感器,是应用偏振光时域反射计(potdr)探测单模光纤中瑞利后向散射光偏振态作为时间函数的变化。由于单模光纤中双折射参数对许多物理量敏感,如应变、压力, 电场、磁场等。所以这种衍生的otdr技术具有广阔的应用潜力。  基本的otdr技术实质上是一种光学雷达。普通雷达和分布式光纤传感器中应用的光学测距之间在原理上是相似的。为了提高测量的空间分辨率, 又衍生了各种技术,如连续波调额测距(fmcw),这些技术本质上是光频域反射技术(ofdr)。  若干研究者报导了利用拉曼散射与温度的关系构成分布式温度传感。一种是用改进的otdr分析斯托克斯与反斯托克斯后向散射分量之比。最近报导了只测量反斯托克斯分量和双端拉曼otdr的分布温度传感, 测量长度达950m, 温度分辨率。  此方案主要不足之处是拉曼散射系数很小, 几乎比瑞利散射低3个数量级,因此需要大功率激光器及高增益低噪声放大器。  近来有人研究了利用稀土光纤的温度与吸收或与荧光的关系构成分布式温度传感。然而利用荧光特性要求稀土光纤有短的荧光寿命。以期达到要求的分辨率,故实现困难。  当前,也开展了利用非线性光学效应构成分布光纤传感。如研究受激拉曼放大和光学克尔效应。也报导了采用高双折射光纤偏振模式耦台及新颖的干涉方案等。近几年光频域反射技术(ofdr)取得巨大进展,它不仅可以检测光纤通讯中故障(如断点)定位和诊断,分辨率可达10um,而且可以测量温度或应变,传感空间分辨可达1mm,是目前分辨率最高的一种技术,但测试距离较短,一般可达到100m。

分布式光纤传感器:分布式光纤传感系统

应用领域: 电力行业 电力电缆的表面温度检测监控、事故点定位 电缆隧道、夹层的火情监测 发电厂和变电站的加的温度监测、故障点的检测和火灾报警 水利土木建筑行业 大坝、河堤的渗漏,桥梁及其他混凝土结构裂变的监测 大坝、河堤、桥梁的混凝土凝固与养护温度与应变监测 大型民用工程的结构健康监测 公路 、地铁隧道行业 隧道、地铁、公路的火灾监测和报警 石油天然气行业 石油、天然气输送管线或储罐泄漏监测 油库、油管、油罐的温度监测及故障点的检测分布光纤温度传感系统通过光纤对远处的一个空间各个点的温度进行实时测量,主要应用于油库、煤矿、军火库、地下商场、隧道、大中型变压器和电缆沟等的测温,并可通过监测温度变化达到温度报警。与传统测温方法比较,分布光纤温度传感系统可以在易燃、易爆的环境下同时测量几万个点,并可对每个温度测量点进行准确定位。分布式光纤传感器:3分钟了解分布式光纤传感技术  第2张

分布式光纤传感器:基础建设对分布式光纤传感器需求增加 应变传感器或成为市场黑马

分布式光纤传感器是采用独特的分布式光纤探测技术,对沿光纤传输路径上的空间分布和随时间变化信息进行测量或监控的传感器。新思界产业研究中心出具的《2021年全球及中国分布式光纤传感器产业深度研究报告》显示,全球分布式光纤传感器产业市场规模将从2021年的8.7亿美元增长到2026年的15.5亿美元,复合年增长率为12.2%。分布式光纤传感器在石油和天然气、基础建设领域、安全与安保领域的日益普及,将推动市场的需求。

在预测期内,应变传感器将成为增长最快的细分产品
分布式应变传感器市场规模将以最高的复合年增长率增长,分布式应变传感器市场的增长主要原因是在基础设施开发中的应用越来越多,如水坝和管道建设,应变传感对于地面运动和威胁检测,以及查明易发生风险的位置具有非常大的优势。分布式光纤传感器在石油和天然气领域的应用增加是市场增长的驱动因素之一,全球不断增长的基础设施项目将为应变传感市场的增长带来机会。
基础建设应用市场将成为预测期内增长最快的应用市场
在预测期内,基础建设领域中对分布式光纤传感器的需求增长速度最快,主要因为基础建设中对铁路线、建筑物、桥梁、建筑物、隧道和管道、水坝、道路、岩土工程和历史古迹等的结构健康监测的需求在不断增加。此外,光纤电缆可以设计并机械耦合到水坝和管道等结构当中,能够检测到地面运动并确定位置中的威胁,这也可以通过与光缆集成的分布式传感器来完成。
亚太地区市场规模将以最高的增速增长
亚太地区的市场将在预测期内以最高速度增长,中国、日本、印度和印度尼西亚等国家对分布式光纤传感器的需求在不断增加,中国和印度等国家的对分布式光纤传感器的大量投资也推动了亚太地区上述市场的增长。此外,不断发展的城市化、不断增加的可支配收入、更换需求、严格的安全法规和技术创新等因素也有助于推动亚太地区对分布式光纤传感器的需求。
全球分布式光纤传感器市场中的主要竞争者包括 Schlumberger(美国)、Halliburton(美国)、Yokogawa Electric(日本)、Weatherford International(瑞士)、Luna Innovations(美国)、OFS(美国)、Bandweaver(美国)、Omnisens(瑞士)、AP Sensing(德国)和DarkPulse(美国)等。

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