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分布式光纖應變傳感技術及應用


  來源: 中電儀器-中電科40、41所 時間:2016-05-06 作者:袁明 閆寶東 閆繼送
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Garus等人設計的實驗系統可以在1km的光纖上獲得3m的空間分辨率。BOFDA最大的優點在于信噪比較高,而且不需要高速的采樣和數據采集技術,可以降低系統成本,其低噪聲特性使得它非常合適于短程傳感。

德國的薩克森紡織研究所使用該技術在堤壩監測方面做了一些探索性的研究。意大利Bernini R等也在理論方面取得了一些突破,他們在Garus等人的實驗基礎上利用諧波重建算法對Garus方案中的BOFDA系統進行了比較實驗和計算,證實BOFDA系統可以獲得小于1 m的空間分辨率。2009年,Aldo Minardo與Romeo Bernini等人搭建了BOFDA單端測試系統,在5km的光纖上取得了1m的空間分辨率。2011年,Romeo Bernini與Aldo Minardo等人搭建的BOFDA系統得到了29mm的空間分辨率,驗證了BOFDA技術高空間分辨率的可行性。雖然BOFDA技術與剛提出時的性能有了很大的改進,但是現在還沒有見到基于BOFDA的實際產品與工程應用出現,對于BOFDA的研究與開發還需更加深入。

4、OFDR技術

圖4 OFDR原理圖

光頻域反射計(OFDR)結構包括線性掃頻光源、邁克爾遜干涉儀結構、光電探測器和頻譜儀(或信號處理單元)等,基于光外差探測,其原理可用圖4進行表示,。2006年,Brian J. Soller與Steven T. Kreger等人利用OFDR系統在70m長的光纖上實現了2mm的空間分辨率以及±1/0.1℃的應變/溫度分辨率;D.K.Gifford與M.E.Froggatt等人搭建的OFDR系統在800米的光纖上取得了9cm的空間分辨率;Jia Song與Wenhai Li等人在2014年搭建的OFDR實驗系統在300m光纖上實現了7cm的空間分辨率以及2.3/0.7℃的應變/溫度分辨率。目前,OFDR的主要生產商是美國LUNA公司,但是OFDR昂貴的價格以及測試距離的限制等原因,導致其主要應用領域被限制在精密加工、實驗室研究等領域,還無法大規模進行工程應用。

5、BOCDA技術

布里淵光相關域分析技術(BOCDA)基于時頻混合的連續光整合技術,將連續的探測光與泵浦光進行頻率調制,利用探測光與泵浦光相互作用得到測試結果。

布里淵光相關域分析技術的工作原理如圖5所示,在激光器中加入周期性正弦的頻率調制,并將其一分為二,分別作為探測光和泵浦光。當探測光和泵浦光在傳感光纖中相遇時,泵浦光和探測光在特定的區域中產生相關(correlation),從而只在相關峰(correlation peak)處產生布里淵效應。改變激光器的頻率調制的周期,就可以改變相關峰的位置,使其在傳感光纖中掃描,從而實現分布式的布里淵傳感。空間分辨率由激光器光頻率調制的周期(或頻率)和調制深度決定。

近年來,BOCDA的相關研究取得了許多新的研究成果,如今BOCDA已經能夠實現2cm~30cm的空間分辨率,且采樣頻率也可達到1kHz,測試量程最高可達1km。但是由于BOCDA作用距離較短、系統復雜等原因,目前尚未發現BOCDA的產品及其實際工程應用。

圖5 布里淵光相關域分析技術原理示意圖

6、BOCDR技術

布里淵光相關域反射技術(BOCDR)基于自發布里淵散射信號,將探測光進行頻率調制,利用泵浦光與參考光的相互作用得到測試結果,其系統實驗裝置如圖6所示。

關鍵詞:儀器儀表 分布式光纖傳感 OFDR BOTDA BOTDR    瀏覽量:2166

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