光纖傳感介紹

隨著我國信息技術(shù)的迅猛發(fā)展以及物聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)興起，與之匹配的各種傳感器得到廣泛應(yīng)用，光纖傳感是一種新型傳感技術(shù)，通過光的反射、折射和吸收效應(yīng)，光學(xué)多普勒效應(yīng)、聲光、電光、磁光和彈光效應(yīng)等，可使光波的振幅、相位、偏振態(tài)和波長等參量直接/間接地發(fā)生變化，因而，可將光纖作為敏感元件來探測各種物理量。

該技術(shù)源自1977年，伴隨光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來，世界上已有光纖傳感技術(shù)上百種，諸如溫度、壓力、流量、位移、振動、轉(zhuǎn)動、彎曲、液位、速度、加速度、聲場、電流、電壓、磁場及輻射等物理量都實現(xiàn)了不同性能的傳感。此外，光纖工作頻帶寬，動態(tài)范圍大，適合于遙測遙控，是一種優(yōu)良的低損耗傳輸線；在一定條件下，光纖特別容易接受被測量或場的加載，是一種優(yōu)良的敏感元件；光纖本身不帶電，體積小，質(zhì)量輕，易彎曲，抗電磁干擾，抗輻射性能好，特別適合于易燃、易爆、空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用。

光纖傳感技術(shù)

當(dāng)光通過不均勻介質(zhì)時會向四面八方傳播，即為光的散射。散射是光波與光纖介質(zhì)的粒子相互作用的結(jié)果。當(dāng)光在光纖中傳輸時，由于光纖中折射率分布不均勻，也會發(fā)生散射，主要有瑞利散射，布里淵散射與拉曼散射三種形式。

光纖傳感的測量原理是利用光在光纖中傳輸能夠產(chǎn)生后向散射原理。即在光纖中注入一定能量和寬度的激光脈沖，通過脈沖在光纖中傳輸?shù)耐瑫r不斷產(chǎn)生后向散射光波，該光波的狀態(tài)受到所在光纖散射點的影響而改變，將散射回來的光波經(jīng)波分復(fù)用、檢測解調(diào)后，送入信號處理系統(tǒng)便可將信號實時顯示出來，并且由光纖中光波的傳輸速度和背向光回波的時間可對這些信息定位。

根據(jù)光纖傳感技術(shù)的工作原理所形成的光纖傳感器及智能儀器儀表系統(tǒng)，主要包括光源、傳輸光纖、傳感元件、光電探測器和信號處理單元等五個部分。光源相當(dāng)于一個信號源，負(fù)責(zé)信號的發(fā)射；光纖是傳輸媒介，負(fù)責(zé)信號的傳輸；傳感元件是感知外界信息，相當(dāng)于調(diào)制器；光探測器負(fù)責(zé)信號的轉(zhuǎn)換，將光纖送來的光信號轉(zhuǎn)關(guān)成電信號；信號處理電路的作用是還原外界信息，相當(dāng)于解調(diào)器。

隨著技術(shù)和需求的發(fā)展，光纖傳感由單點檢測逐漸發(fā)展成為多點準(zhǔn)分布式和全分布式檢測。分布式光纖傳感測量是利用光纖的一維空間連續(xù)特性進(jìn)行測量的技術(shù)。光纖既作為傳感元件，又作為傳輸元件，可以在整個光纖長度上對沿光纖分布的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測量，同時獲得被測量的空間分布狀態(tài)和隨時間變化的信息，由于分布式傳感技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍測量場中分布信息的提取，可解決目前測量領(lǐng)域的眾多難題，因此成為未來國內(nèi)外研究的熱點。

分布式光纖傳感的應(yīng)用分類體系如下：

分布式光纖傳感技術(shù)的廣泛應(yīng)用

分布式光纖傳感器技術(shù)是一項當(dāng)今世界令人矚目的迅猛發(fā)展起來的高新技術(shù)之一，也是當(dāng)代科學(xué)技術(shù)發(fā)展的一個重要標(biāo)志，它與通信技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)構(gòu)成信息產(chǎn)業(yè)的三大支柱。根據(jù)智研咨詢的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，2019年中國分布式光纖傳感器市場規(guī)模約44.4億元，2014年至2019年CAGR為20.06%。假設(shè)該復(fù)合增速不變，據(jù)此預(yù)測2022年市場規(guī)模約76.8億元、2023年市場規(guī)模約92.2億元。

由于分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)中的檢測光纖本征無源不帶電，耐高電壓和強(qiáng)電磁場、耐電離輻射，抗射頻和電磁干優(yōu)，防雷、防爆、抗腐蝕，能在有害環(huán)境中安全運行，是實用的本安型傳感器，因此，在電力系統(tǒng)、交通領(lǐng)域、隧道、大壩、石油、化工、煤礦等危險區(qū)域的大面積、大范圍的溫度報警和火情監(jiān)測等領(lǐng)域，已成為光纖傳感技術(shù)和檢測技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢。從應(yīng)用分布看，2019年中國分布式光纖傳感市場應(yīng)用以油氣為主，包括油氣管道、油氣井下和油氣抗震的應(yīng)用，占了整體應(yīng)用的45%。

3.1電力工業(yè)

智能電網(wǎng)的基本特征就是信息化、自動化和互動化，要實現(xiàn)這一目標(biāo)，作為信息采集的關(guān)元器件，傳感器是不可或缺的，而光纖傳感器由于其自身的優(yōu)點，必將在電力系統(tǒng)中獲得廣泛的應(yīng)用。

采用分布式光纖傳感器對輸電線路進(jìn)行溫度測量在國外已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，而國內(nèi)也在積極地開展這方面的研究工作分布式光纖傳感器在輸電環(huán)節(jié)的另一種應(yīng)用，則是對輸電線路的塔、線的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，尤其是監(jiān)測輸電塔、線在惡劣環(huán)境(覆冰、大風(fēng)、高低溫等)下的受力情況，確保電力系統(tǒng)的安全可靠運行，這方面的研究處于起步階段。如何充分利用光纖傳感器多參數(shù)測量的優(yōu)勢，如何將分布式光纖傳感系統(tǒng)對溫度和應(yīng)力進(jìn)行測量與電纜故障診斷技術(shù)相結(jié)合，構(gòu)成基于光纖傳感器的電纜在線故障診斷系統(tǒng)，實現(xiàn)電纜溫度、應(yīng)力應(yīng)變的實時監(jiān)測和動態(tài)載流量分析，實時進(jìn)行電纜電氣故障分析、識別和定位，保障智能電網(wǎng)的安全可靠運行，將是分布式光纖傳感器在輸電環(huán)節(jié)應(yīng)用的重點發(fā)展方向。

高壓電氣設(shè)備中由于微波和電磁干擾的影響，傳統(tǒng)的測溫方法難于或者根本無法得到真實的測試結(jié)果。而分布式光纖溫度傳感器與傳統(tǒng)的各類溫度傳感器相比，其具有一系列獨特的優(yōu)點：使用光纖作為傳輸和傳感信號的載體，有效克服了電力系統(tǒng)中存在的強(qiáng)電磁干擾；利用一根光纖為溫度信息的傳感和傳導(dǎo)介質(zhì)，可以測量沿光纖長度上的溫度變化；采用先進(jìn)的 OTDR 技術(shù)和 Raman 散射光對溫度感的特性，探測出沿著光纖不同位置的溫度的變化；實現(xiàn)真正分布式的測量， 非常適合各種長距離的溫度測量、在線實時監(jiān)測等。

3.2在鐵路災(zāi)害防治中的應(yīng)用

山坡上布置基于布里淵散射的分布式光纖布里淵應(yīng)力傳感器。這種傳感器利用光纖中的背向布里淵散射進(jìn)行測量，可以同時測量光纖沿線的溫度和應(yīng)力情況，并且可以精確定位測量點的位置。將這種光纖固定山體上的錨桿中，當(dāng)山體發(fā)生滑坡時，碎石帶動錨桿移動，從而拉扯光纖產(chǎn)生應(yīng)力。根據(jù)散射光的強(qiáng)度和返回時間，即可知道山體滑坡發(fā)生的地點。該傳感器只需要使用普通光纖，成本較為低廉，同時其測量范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于光纖光柵傳感器，可以達(dá)到幾公里甚至幾十公里。

在北方，嚴(yán)重結(jié)冰發(fā)生的概率更大，每年都給鐵路交通運輸造成很大損失。分布式光纖布里淵應(yīng)力傳感器可用于輸電線的結(jié)冰監(jiān)測。其方法是，將測量光纜與輸電線安裝在一起，當(dāng)有結(jié)冰和積雪發(fā)生時，會導(dǎo)致測量光纜被拉伸，通過應(yīng)力測量即可知道輸電線纜是否有斷裂的危險，并可準(zhǔn)確地知道事故發(fā)生地點的位置。這種傳感器體積小、質(zhì)量輕，不會給輸電帶來額外的負(fù)荷；抗電磁干擾能力強(qiáng)，可以傳輸很遠(yuǎn)的距離；同時它準(zhǔn)確判斷位置的能力也是電類傳感器無法做到的。

3.3工程應(yīng)用

應(yīng)用于工程領(lǐng)域的光纖傳感技術(shù)主要有光纖光柵（FBG）、瑞利散射光時域反射（OTDR）和拉曼光時 域反射（ROTDR）、布里淵光時域反射（B0TDR）或布里淵光時域分析（BOTDA）。每種光纖傳感技術(shù)的特 點不同。適用于不同的監(jiān)測對象。FBG 技術(shù)主要進(jìn) 行點式高精度監(jiān)測，具有高速實時監(jiān)測的性能，適用 于橋梁、隧道的重點部位的監(jiān)測，成本適中，但是其監(jiān) 測點數(shù)有限并存在盲區(qū)。其他幾種傳感技術(shù)的特點 及應(yīng)用如表所示。

3.4管道檢測

分布式光纖管道監(jiān)測技術(shù)屬于長距離、低靈敏度的靜態(tài)監(jiān)測，對了解管道結(jié)構(gòu)性能的整體變化趨勢較為適用。日本ANDO公司研制開發(fā)了基于BOTDR技術(shù)的光纖應(yīng)變/損耗分析儀，該分析儀對光纖沿線應(yīng)變信息可達(dá)到最長80km的有效檢測，測量精度和空間分辨率可達(dá)到±0.003%和1m；加拿大OZ公司的ForesightTM傳感器系統(tǒng)可在50km測量范圍內(nèi)達(dá)到±2με和±0.1℃的應(yīng)變和溫度測量精度，同時空間分辨率可達(dá)到10cm。分布式光纖管道監(jiān)測系統(tǒng)通常都可以對管道應(yīng)變和溫度同時進(jìn)行測量，進(jìn)而實現(xiàn)管道變形狀況的實時連續(xù)監(jiān)測。

3.5安防

隨著經(jīng)濟(jì)迅速發(fā)展和治安狀況愈加復(fù)雜，一些重大工程項目和重點保護(hù)區(qū)域，如機(jī)場，火車站，軍區(qū)等，都對安防提出了很高要求。而傳統(tǒng)安防技術(shù)存在 性能差，誤報率高，容易遭受雷擊，使用銅纜等缺點，光纖周界防范系統(tǒng)可以有效地克服現(xiàn)行周界安防系統(tǒng)的缺點，而且還具有監(jiān)控距離長，無電磁輻射，抗干 擾能力強(qiáng)，可靠性高，工程施工相對簡單等優(yōu)點，是當(dāng) 今安防市場發(fā)展的主流方向。

目前正在運行的光纖傳感安防系統(tǒng)，都是采用光 纖傳感和視頻監(jiān)控、紅外對射混合使用的手段，且這 種混合組網(wǎng)安防技術(shù)會存在相當(dāng)長的一段時間。

3.6石油工業(yè)領(lǐng)域

光纖傳感技術(shù)的出現(xiàn)極大的豐富了油田的測試領(lǐng)域。近年來，分布式光纖傳感技術(shù)的發(fā)展已趨于成熟，目前雖然光纖傳感技術(shù)還未廣泛地應(yīng)用于油田開發(fā)領(lǐng)域，但它作為一種有著巨大潛力的新技術(shù)，必將廣泛應(yīng)用于石油開發(fā)領(lǐng)域并發(fā)揮巨大作用。光纖傳感器技術(shù)是改變石油產(chǎn)業(yè)游戲規(guī)則的關(guān)鍵技術(shù)，光學(xué)油田將是未來油田發(fā)展的必然趨勢。

3.7復(fù)合材料領(lǐng)域

近年來分布式光纖檢測技術(shù)在復(fù)合材料中的應(yīng)用受到高度重視。在復(fù)合材料中埋入光纖,從而賦予結(jié)構(gòu)智能功能,以監(jiān)控結(jié)構(gòu)的制造過程及運行狀態(tài)。為了精確地確定應(yīng)力點位置與應(yīng)力大小,目前發(fā)展了POTDR(偏振光時域反射)、OCDR(光相干域反射)、OFDR(光頻域反射)和FMCW(調(diào)頻載波)等技術(shù),POTD是在OTDR基礎(chǔ)上發(fā)展起來的技術(shù),與OTDR相似,它需要高功率短脈沖技術(shù),且其空間分辨率較低。

FMCW技術(shù)實質(zhì)上是一種OFDR技術(shù),可以獲得比POTDR高的空間分辨率,但受頻率掃描非線性限制。OCDR可以獲得高的空間分辨率和大的距離動態(tài)范圍,但是它需要將光束經(jīng)邁克爾遜空間干涉光路后耦合入光纖,因而給耦合帶來一定困難。