分布式光纤传感器.docx

光纤分布式声波传感技术刘德中通信学院06内容摘要声波属于物质波,其实质是质点振动、应力、压力等在弹性介质中的多样表现形式。在声学的研究领域中,声波的产生机制、传播形式以及检测方法是会共同涉及的内容。目前的声波检测技术就是利用声波信号在弹性介质内的传播变化实现对检测目标的测探、准确识别、定位等。在光纤传感领域,当前的一个研究热点就是光纤声波检测,它可以用作水听器,应用于海洋、陆地石油、天然气勘探输油管道实时检测预警系统;也可用作光纤麦克风,用光纤光栅制成的声波传感探头基元以光纤光栅的中心波长调制来获得传感信息的,它具有灵敏度高、抗干扰能力强、全光纤的特点,同时还具有能够实现波分复用、检测探头的微型化等特点。关键词:声波检测光纤传感技术分布式震动传感布里渊散射技术原理基于光纤光栅的传感器基于光纤光栅的传感器的原理是当温度、应变、折射率、应力、浓度等外界环境因素出现变化时,光纤光栅的有效折射率或者是光纤光栅周期就会发生改变,从而使得光纤光栅的中心波长出现变化,对这一变化量经过信号处理之后,就能够获得所需要检测的参数。这一过程中,传感信号的获得方式是通过光纤光栅中心波长的调制实现的,相比于强度调制传感器而言,光纤光栅传感器的灵敏度更高,更广的动态测量范围。所以,基于光纤光栅的传感器以其自身强大的抗干扰能力、高灵敏度以及对光源的稳定性及能量特征要求低的特性,使其在精确、精密测量方面十分合适,光纤光栅传感器目前已经占据了以光纤为主要材料的44%左右。光纤声波传感器声音属于微压动态信号,要想测量声音信号,可以通过监测频率或声压来实现。一般情况下,人们在传递和探测声信号时,会使用电子式传声器,该传声器具有声-电换能原理,然而在一些特殊的环境中,如在核磁共振、强电磁干扰或易燃易爆环境中,一些电子式传声器会失去作用,加之信号衰减会给传感器端的弱电量信号带来不利影响,所以在较远的距离间无法使用电子式传声器,这给远距测量带来了诸多难题。为了让信息能够准确传递出去,必须研宄一种无源传声器,这种传声器不受电磁的干扰,还能在较远的距离间进行传输。光纤声波传感器是光纤微压传感器中的一种,它具有一定的特殊性,要想实现声-光换能,不能缺少的器件就是光纤声波传感器,它具有很多优点,例如损耗较小,能够避免电磁干扰,能够在较远的距离间进行传输等,所以光纤声波传感器的应用十分广泛。目前,光纤水听器与光纤麦克风是光纤声波传感器的两个主要研宄方向。布里渊散射布里渊散射是入射光与声波或传播的压力波(密度波)相互作用的结果。传播的压力波等效于一个以一定速度%(频率QB)移动的密度光栅,因此,布里渊散射可认为是入射光在移动的光栅上的散射,多普勒效应使得散射光的频率不同于入射光。散射光相对于泵浦光有一个频移,通常称为布里渊频移。其大小主要由光纤的声学特性和弹性力学特性决定,此外还与散射角和入射光频率有关:式中:Vs为布里渊散射光的斯托克斯光光频;Va为入射光光频;n为光纤折射率;Vo心为介质中声速;Vb为布里渊频移;θ为散射光与入射光的夹角。故背向布里渊散射的布里渊频移最大为:其中Va为温度和应变的函数。大量的理论和实验研究证明,光纤中布里渊散射信号的布里渊频移和功率与光纤所处环境和所承受的应变在一定条件下呈线性变化关系,并由下式给出:式中:△Vb为布里渊频移变化量;△ξ为应变的变化量;ΔT为温度变化量;