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(zhǎng)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(cè)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(dòng)、轉(zhuǎn)動(dòng)、彎曲、液位、速度、加速度、聲場(chǎng)、電流、電壓、磁場(chǎng)及輻射等物理量都實(shí)現(xiàn)了不同性能的傳感。此外，光纖工作頻帶寬，動(dòng)態(tài)范圍大，適合于遙測(cè)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(cè)量或場(chǎng)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(shí)會(huì)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(shí)，由于光纖中折射率分布不均勻，也會(huì)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(cè)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(shí)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(diǎn)的影響而改變，將散射回來的光波經(jīng)波分復(fù)用、檢測(cè)解調(diào)后，送入信號(hào)處理系統(tǒng)便可將信號(hào)實(shí)時(shí)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(shí)間可對(duì)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(cè)器和信號(hào)處理單元等五個(gè)部分。光源相當(dāng)于一個(gè)信號(hào)源，負(fù)責(zé)信號(hào)的發(fā)射；光纖是傳輸媒介，負(fù)責(zé)信號(hào)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(cè)器負(fù)責(zé)信號(hào)的轉(zhuǎn)換，將光纖送來的光信號(hào)轉(zhuǎn)關(guān)成電信號(hào)；信號(hào)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(diǎn)檢測(cè)逐漸發(fā)展成為多點(diǎn)準(zhǔn)分布式和全分布式檢測(cè)。分布式光纖傳感測(cè)量是利用光纖的一維空間連續(xù)特性進(jìn)行測(cè)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(gè)光纖長(zhǎng)度上對(duì)沿光纖分布的環(huán)境參數(shù)進(jìn)行連續(xù)測(cè)量，同時(shí)獲得被測(cè)量的空間分布狀態(tài)和隨時(shí)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(cè)量場(chǎng)中分布信息的提取，可解決目前測(cè)量領(lǐng)域的眾多難題，因此成為未來國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。

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(xiàng)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(gè)重要標(biāo)志，它與通信技術(shù)、計(jì)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(jì)數(shù)據(jù)，2019年中國分布式光纖傳感器市場(chǎng)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(cè)2022年市場(chǎng)規(guī)模約76.8億元、2023年市場(chǎng)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(cè)光纖本征無源不帶電，耐高電壓和強(qiáng)電磁場(chǎng)、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(yùn)行，是實(shí)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(xiǎn)區(qū)域的大面積、大范圍的溫度報(bào)警和火情監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，已成為光纖傳感技術(shù)和檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用的發(fā)展趨勢(shì)。從應(yīng)用分布看，2019年中國分布式光纖傳感市場(chǎng)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(dòng)化和互動(dòng)化，要實(shí)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(diǎn)，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(duì)輸電線路進(jìn)行溫度測(cè)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(duì)輸電線路的塔、線的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測(cè)，尤其是監(jiān)測(cè)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(yùn)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(cè)量的優(yōu)勢(shì)，如何將分布式光纖傳感系統(tǒng)對(duì)溫度和應(yīng)力進(jìn)行測(cè)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(shí)現(xiàn)電纜溫度、應(yīng)力應(yīng)變的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和動(dòng)態(tài)載流量分析，實(shí)時(shí)進(jìn)行電纜電氣故障分析、識(shí)別和定位，保障智能電網(wǎng)的安全可靠運(yùn)行，將是分布式光纖傳感器在輸電環(huán)節(jié)應(yīng)用的重點(diǎn)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(cè)溫方法難于或者根本無法得到真實(shí)的測(cè)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(dú)特的優(yōu)點(diǎn)：使用光纖作為傳輸和傳感信號(hào)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(cè)量沿光纖長(zhǎng)度上的溫度變化；采用先進(jìn)的 OTDR 技術(shù)和 Raman 散射光對(duì)溫度感的特性，探測(cè)出沿著光纖不同位置的溫度的變化；實(shí)現(xiàn)真正分布式的測(cè)量， 非常適合各種長(zhǎng)距離的溫度測(cè)量、在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)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(cè)量，可以同時(shí)測(cè)量光纖沿線的溫度和應(yīng)力情況，并且可以精確定位測(cè)量點(diǎn)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(shí)，碎石帶動(dòng)錨桿移動(dòng)，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(shí)間，即可知道山體滑坡發(fā)生的地點(diǎn)。該傳感器只需要使用普通光纖，成本較為低廉，同時(shí)其測(cè)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(yùn)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(cè)。其方法是，將測(cè)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(shí)，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量光纜被拉伸，通過應(yīng)力測(cè)量即可知道輸電線纜是否有斷裂的危險(xiǎn)，并可準(zhǔn)確地知道事故發(fā)生地點(diǎn)的位置。這種傳感器體積小、質(zhì)量輕，不會(huì)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(shí)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(shí)域反射（OTDR）和拉曼光時(shí) 域反射（ROTDR）、布里淵光時(shí)域反射（B0TDR）或布里淵光時(shí)域分析（BOTDA）。每種光纖傳感技術(shù)的特 點(diǎn)不同。適用于不同的監(jiān)測(cè)對(duì)象。FBG 技術(shù)主要進(jìn) 行點(diǎn)式高精度監(jiān)測(cè)，具有高速實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的性能，適用 于橋梁、隧道的重點(diǎn)部位的監(jiān)測(cè)，成本適中，但是其監(jiān) 測(cè)點(diǎn)數(shù)有限并存在盲區(qū)。其他幾種傳感技術(shù)的特點(diǎn) 及應(yīng)用如表所示。

3.4管道檢測(cè)

分布式光纖管道監(jiān)測(cè)技術(shù)屬于長(zhǎng)距離、低靈敏度的靜態(tài)監(jiān)測(cè)，對(duì)了解管道結(jié)構(gòu)性能的整體變化趨勢(shì)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(duì)光纖沿線應(yīng)變信息可達(dá)到最長(zhǎng)80km的有效檢測(cè)，測(cè)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(cè)量范圍內(nèi)達(dá)到±2με和±0.1℃的應(yīng)變和溫度測(cè)量精度，同時(shí)空間分辨率可達(dá)到10cm。分布式光纖管道監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通常都可以對(duì)管道應(yīng)變和溫度同時(shí)進(jìn)行測(cè)量，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)管道變形狀況的實(shí)時(shí)連續(xù)監(jiān)測(cè)。

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(xiàng)目和重點(diǎn)保護(hù)區(qū)域，如機(jī)場(chǎng)，火車站，軍區(qū)等，都對(duì)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(bào)率高，容易遭受雷擊，使用銅纜等缺點(diǎn)，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(diǎn)，而且還具有監(jiān)控距離長(zhǎng)，無電磁輻射，抗干 擾能力強(qiáng)，可靠性高，工程施工相對(duì)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，是當(dāng) 今安防市場(chǎng)發(fā)展的主流方向。

目前正在運(yùn)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(duì)射混合使用的手段，且這 種混合組網(wǎng)安防技術(shù)會(huì)存在相當(dāng)長(zhǎng)的一段時(shí)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(cè)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(shì)。

3.7復(fù)合材料領(lǐng)域

近年來分布式光纖檢測(cè)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(yùn)行狀態(tài)。為了精確地確定應(yīng)力點(diǎn)位置與應(yīng)力大小,目前發(fā)展了POTDR(偏振光時(shí)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(shí)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(dòng)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。