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光學傳感常用術語光學原理
  • 分布式光纖測溫系統
  • 光時域反射測量技術
  • 拉曼散射效應
  • 光纖布拉格光柵
  • 多模光纖
  • 單模光纖
  • 光纖耦合器
  • 布拉格光柵傳感器
  • 布里淵光纖時域分析
  • 布里淵光纖時域反射法
  • 布拉格光柵
  • 針對光纖而言,是指一根或多根光纖組成的有保護的光纜
  • 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

激光光脈沖射入傳感用的光纖之中,在光脈沖向前的傳播過程中,由于光纖的密度、應力、材料組成、溫度和彎曲變形等原因發生散射現象,有一部分的散射光會按照入射光相反的方向傳播,稱之為背向散射光,返回的背向散射光包括:

瑞利(RayLeigh)散射,由光纖折射率的微小變化引起,其頻率與入射光脈沖一致;

拉曼(Raman)散射,由光子與光聲子相互作用引起,其頻率與入射光脈沖相差幾十太赫茲;

布里淵(Brillouin)散射,由光子與光纖內彈性聲波場低頻聲子相互作用引起。其頻率與入射光脈沖相差幾十吉赫茲;

針對溫度檢測需求,Rayleigh 散射信號對溫度變化不敏感;Brillouin 散射信號的變化與溫度和應力有關;Raman 散射信號的變化與溫度有關,而且 Raman 散射信號相對容易獲取和分析,因此工業應用主要采集Raman 散射信號進行溫度分析。


      



Raman散射會產生兩個不同頻率的信號:斯托克斯(Stokes)光(比光源波長長的光)和反斯托克斯(Anti-Stokes)光(比光源波長短的光),光纖受外部溫度的調制使光纖中的反斯托克斯(Anti-Stokes)光強發生變化,Anti-Stokes與Stokes的比值提供了溫度的絕對指示,利用這一原理可以實現對沿光纖溫度場的分布式測量。此原理光纖單通道監測距離在30km以內,采用單模光纖進行光信號傳輸。

2) 法布里-帕羅腔

(1)壓力傳感器原理

壓力傳感器采用光纖法布里-帕羅腔結構,由兩光纖端面形成的空腔在光學上稱作法布里-帕羅腔,簡稱法帕腔,如下圖。






激光由一端光纖進入法帕腔時,部分光能量在該端的光纖端面形成反射;其余光能量繼續前向傳播,繼而由第二個光纖端面反射,并且反向進入第一段光纖。兩次反射的激光在探測器表面形成干涉,干涉光譜由法帕腔腔長唯一決定,在頻率域為正弦波。外界壓力P和法帕腔的腔長值之間成反比關系!


⑵溫度傳感器原理


                                         溫度傳感器原理圖


利用紫外激光光束照射光纖,被照射區間段纖芯的折射率發生了周期性的變化,此折射率變化區域稱為光纖光柵。光纖光柵的實質是在纖芯內形成一個窄帶濾波器或反射鏡,對入射的寬帶光進行選擇性反射,反射一個受光柵區調制的窄帶光,透射光繼續沿光纖傳遞。

每只光纖光柵在出廠前都對應著一個中心波長,該中心波長值與光纖光柵所處位置的溫度有關,二者滿足線性輸出。

3) 分布式測量技術

分布式測量技術采用了光學時域反射技術(OTDR)原理。其最初用于評價通信光纖、光纜和耦合器的性能,是用于檢驗光纖損耗、光纖故障的手段。其工作機理是向被測光纖發射光脈沖,在光纖中形成背向散射光和前向散射光。其中,背向散射光向后傳播至光纖的起始端(也就是光脈沖的注入端),由于每一個背向傳播的散射光都對應光纖上的一個散射點,因此,根據背向散射光的行進時間便可判斷出光纖上發生散射點的位置。

d=(c×t) / 2 × (IOR)

其中,c是光在真空中的速度,而t是信號發射后到接收到信號(雙程)的總時間,IOR是光纖折射率。

通過采集和分析入射光脈沖從光纖的一端(注入端)注入后在光纖內傳播時產生的背向反射光的時間和強度信息得到相應的位置和溫度/應變(拉曼/布里淵散射)信息,在得知每一點的監測溫度/應變和位置信息后,就可以得到一個關于整根光纖的不同位置的溫度/應變曲線。




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