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分布式光纤应变传感技术及应用


  来源: 中电仪器-中电科40、41所 时间:2016-05-06 作者:袁明 闫宝东 闫继送
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Garus等人设计的实验系统可以在1km的光纤上获得3m的空间分辨率。BOFDA最大的优点在于信噪比较高,而且不需要高速的采样和数据采集技术,可以降低系统成本,其低噪声特性使得它非常合适于短程传感。

德国的萨克森纺织研究所使用该技术在堤坝监测方面做了一些探索性的研究。意大利Bernini R等也在理论方面取得了一些突破,他们在Garus等人的实验基础上利用谐波重建算法对Garus方案中的BOFDA系统进行了比较实验和计算,证实BOFDA系统可以获得小于1 m的空间分辨率。2009年,Aldo Minardo与Romeo Bernini等人搭建了BOFDA单端测试系统,在5km的光纤上取得了1m的空间分辨率。2011年,Romeo Bernini与Aldo Minardo等人搭建的BOFDA系统得到了29mm的空间分辨率,验证了BOFDA技术高空间分辨率的可行性。虽然BOFDA技术与刚提出时的性能有了很大的改进,但是现在还没有见到基于BOFDA的实际产品与工程应用出现,对于BOFDA的研究与开发还需更加深入。

4、OFDR技术

图4 OFDR原理图

光频域反射计(OFDR)结构包括线性扫频光源、迈克尔逊干涉仪结构、光电探测器和频谱仪(或信号处理单元)等,基于光外差探测,其原理可用图4进行表示,。2006年,Brian J. Soller与Steven T. Kreger等人利用OFDR系统在70m长的光纤上实现了2mm的空间分辨率以及±1/0.1℃的应变/温度分辨率;D.K.Gifford与M.E.Froggatt等人搭建的OFDR系统在800米的光纤上取得了9cm的空间分辨率;Jia Song与Wenhai Li等人在2014年搭建的OFDR实验系统在300m光纤上实现了7cm的空间分辨率以及2.3/0.7℃的应变/温度分辨率。目前,OFDR的主要生产商是美国LUNA公司,但是OFDR昂贵的价格以及测试距离的限制等原因,导致其主要应用领域被限制在精密加工、实验室研究等领域,还无法大规模进行工程应用。

5、BOCDA技术

布里渊光相关域分析技术(BOCDA)基于时频混合的连续光整合技术,将连续的探测光与泵浦光进行频率调制,利用探测光与泵浦光相互作用得到测试结果。

布里渊光相关域分析技术的工作原理如图5所示,在激光器中加入周期性正弦的频率调制,并将其一分为二,分别作为探测光和泵浦光。当探测光和泵浦光在传感光纤中相遇时,泵浦光和探测光在特定的区域中产生相关(correlation),从而只在相关峰(correlation peak)处产生布里渊效应。改变激光器的频率调制的周期,就可以改变相关峰的位置,使其在传感光纤中扫描,从而实现分布式的布里渊传感。空间分辨率由激光器光频率调制的周期(或频率)和调制深度决定。

近年来,BOCDA的相关研究取得了许多新的研究成果,如今BOCDA已经能够实现2cm~30cm的空间分辨率,且采样频率也可达到1kHz,测试量程最高可达1km。但是由于BOCDA作用距离较短、系统复杂等原因,目前尚未发现BOCDA的产品及其实际工程应用。

图5 布里渊光相关域分析技术原理示意图

6、BOCDR技术

布里渊光相关域反射技术(BOCDR)基于自发布里渊散射信号,将探测光进行频率调制,利用泵浦光与参考光的相互作用得到测试结果,其系统实验装置如图6所示。

关键词:仪器仪表 分布式光纤传感 OFDR BOTDA BOTDR    浏览量:1923

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