普信&DTS光纤温度传感系统

来源:    日期:2012-2-23    浏览次数5083
 
分布式光纤传感技术是在2O世纪70年代末提出的,它将信号传输与传感媒质合二为一,可实现几十甚至上百公里的整个光纤长度上的全分布式测量。光纤传感器的突出优点使其得到了飞速的发展。与常规传感器相比,光纤传感器具有体积小、重量轻、测量灵敏度高、耐高压、耐腐蚀、电绝缘性能好、抗电磁干扰、雷电和噪声能力强、适应恶劣环境等诸多优点。将传感光纤埋设于被测体内或表面,可对参数变化进行实时监测,适用于自检测、自诊断的智能化结构和材料的性能改善,也能适应人类社会大范围网络化和智能化的发展要求。目前,在长距离分布式温度与应变同时测量的光纤传感方面应用较多的是基于布里渊光时域反射(Brillouin Optical Time Domain Reflectometer,BOTDR)和布里渊光时域分析(Brillouin OpticalTime Domain Analysis,BOTDA)的两种技术。基于BOTDR的分布式光纤传感器检测的是自发布里渊散射光,由于光功率较弱,因而难以实现高精度、长距离的分布式传感。
 
1 BOTDA光纤传感技术的原理


1.1 原理
 
基于BOTDA的分布式光纤传感器利用直流探测光和脉冲泵浦光之间的受激布里渊散射,通过受激布里渊效应对探测光的放大,实现接收信号强度大、测量精度高和宽的动态范围等特性。此外由于测量系统较为简单,因而实现方便[2]。基于检测受激布里渊散射(Stimulated Brillouin Scattering,SBS)信号的BOTDA 技术在长距离及高精度测量上与其他传感技术相比具有明显优势。BOTDA光纤传感系统如图1所示。采用1.5 5/zm工作波长的窄线宽激光器,通过3 dB耦合器将光源分为两路。其中一路光信号由电光调制器(E0M)1调制成脉冲光(泵浦光脉冲),经过掺铒光纤放大器(ED—FA)放大后再经隔离器(ISO)进人传感光纤。另一路光信号经EOM2调制后产生频移约为11 GHz的光信号。为了获得最大的输出信号和平坦的传输特
性,EOM 前需加偏振控制器(PC)进行偏振态的控制。经过调制后的光信号作为探测光进入传感光
纤。当泵浦光和探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时,在该区域就会产生布里渊放大效
应(即SBS),两光束之间发生能量转移。由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系,因此,对两路光
的频率进行连续调节的同时,通过检测从光纤一端耦合出来的连续光的功率,就可确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差,从而实现温度、应变信息的分布式测量。

 


2.1 国内研究现状

在国内 目前以跟踪国外研究为主,天津大学等高校已有关于BOTDA技术的理论和实验研究的报道,但尚无关于传感系统方面的实验报道。浙江大学采用了单激光器微波外调制的实验方案。采用基于电光调制的光时域分析系统,用频率扫频方式得到传感光纤各处的布里渊散射频谱,经过数字累加平均器(BOXCAR)进行累加处理来提高信噪比,最后把信号送到计算机进行存储、显示。在25 km光纤上进行温度或应变传感,达到了3℃
的温度分辨率、5 m 的空间分辨率 ]。华北电力大学也做了一些SBS阚值分析等方面的理论研究和系统方案设计。

2.2 国外研究与应用现状

1990年,Horiguchi等人曾指出早期的基于布里渊散射的光纤传感器包含了系统误差,这将会限
制传感器的性能。在最早的BOTDA温度传感实验系统中,空间分辨率和温度分辨率分别为100 m 和
3℃ ,测温范围为一30~60。C E73。1999年,E.Geinitz等人提出对系统误差进行补偿,实验测试了12 km光纤,温度误差从20 降到3 ,应变误差从833 £降到33 £,空间分辨率为2O m[ 。同年,B.W.Anthony等人比较全面系统地分析了影响基于布里渊散射的分布式光纤传感器精度的因素及相互关系,通过调整激光脉冲宽度、系统信噪比、布里渊线宽和光纤长度等方法,来得到较小的应变和温度测量误差以及较高的空间分辨率。实验结果表明,在500 mm 的空间分辨率下应变误差为2O £,在250 mm 的空间分辨率下应变误差为4O £_g];信噪比每下降10 dB,应变误差提高10倍;布里渊线宽每增加lo MHz,应变误差提高l“£[。2002年,Hotate等人提出了一种可大大提高BOTDA系统空间分辨率的技术方案l】卜”]。他们
采用频率调制连续泵浦光和探测光并求两者互相关函数的技术设计的BOTDA实验系统的空间分辨率理论上可达到毫米量级,目前实验达到了i cm的空问分辨率,并可实现应变的静态和动态测量。不过该技术方案存在测量范围较小的不足。X.Bao等人在BOTDA技术研究中做了大量有价值的工作。1993年率先在布里渊损耗型BOT—DA系统研究中取得突出进展,在系统中连续光(cw)的频率高于脉冲光的频率,CW 探测光在光纤中满足布里渊频移的位置发生损耗,不会产生泵浦耗尽现象,大大增加了传感距离。2004年,用保偏光纤实现了1O~3O £应变分辨率、1~2℃温度分辨率和1.5 cm缝隙的测量 ,目前加拿大OZ公司已将其产品化。2005年,采用由斯托克斯光信号强度对频率和位置求二阶偏微分的方法,在入射脉冲宽度为2 ns的条件下,实现了空间分辨率5 cm、应变分辨率16 e的测量[1 。2006年,提出了一种基于现象学模型的信号处理方法改善空间分辨率,通过布里渊增益谱与脉冲频谱的卷积修改瞬态布里渊增益谱,考虑漏光作用使基于稳态SBS方程的解析解适用于瞬态域分析。该模型能精确地从测量到的谱中反卷积出应变谱,从而达到精确的应变测量。2007年,采用考虑了脉冲信号消光比(ER)的信号处理技术使空间分辨率提高[1 ,并对系统偏压控制
做了完善 。2009年,提出使用一对不同宽度的脉冲的布里渊光时域分析(Different Pulse Pair Bril—louin O’ptical Time Domain Analysis,DPP—BOT—DA)方法,在几公里长的光纤中,使用较低的泵浦和
探测光功率达到了厘米级的空间分辨率口 。X.Bao等人的研究小组在该领域的理论、实验和应用
等方面都取得了丰硕的成果,目前已开展了通过微波电光调制和色散控制提高测量精度的研究_1。 。

2.3 BOTDA技术的商用化
 
由于BOTDA传感方式的信噪比较高,因此很多国家对它的研究投入相对多一些。日本Neubrex公司的产品在10 km 测量范围内能实现空间分辨率50 cm、温度测量精度1。C;1 km测量范围内空间分辨率10 em、温度测量精度1℃ 。Neubrex公司在该基础上开发了新一代应变测量技术— — 脉冲预泵浦BoTDA(PPP—BOTDA)技术,实现了10 em的空间分辨率和±7.5 £的应变测量精度口 。瑞士的Smartec和Omnisens公司的商用化BOTDA系统DiTeSt在10 km 测量范围内空间分辨率为1 m、温度分辨率为0.5℃;在2.5 km测量范围内空间分辨率为0.8 m,温度和应变的分辨率分别为1℃和2O £。加拿大OZ公司最新的ForesightTM 系列产品采用专利光缆设计,能实现空间分辨率10 cm的温度和应变同时测量,在5O km范围内测量精度为0.1℃和±2 £。

2.4 BOTDA技术存在的主要问题

BoTDA技术存在的主要问题如下:(1)交叉敏感问题。BOTDA技术中所检测的布里渊频移信号同时受温度和应变的影响,无法由单一的布里渊频移解析温度和应变信息,这种交叉敏感问题制约了传感系统的实用化。
(2)偏振衰落问题。布里渊增益的变化与泵浦光和探测光的偏振态有关。当两束光的偏振态相同时,布里渊增益最大;当两束光的偏振态正交时,无增益。这种信号波动影响传感系统的稳定性。为了抑制偏振衰落,可采用偏振控制器、偏振开关和扰偏器来消除偏振噪声,还可采用偏振分集方
法抑制偏振衰落。

3 应用领域及发展趋势

3.1 在电力系统中的应用

在电力系统中光缆的种类繁杂多样,我国地域辽阔而且各地地理环境差异大,所以光缆的应用环境也很复杂,其中温度和应变是影响光缆性能的主要环境因素。基于BOTDA的光纤传感技术是一种分布式的测温技术,可实现空间温度分布场的实时测量,能对电力系统中的高压电缆进行全线的实时温度监测,识别在地下电缆网络系统中所出现的温度异常点 。随着风力发电的发展,叶片的故障诊断和维护受到广泛关注。利用BOTDA系统对应变的高精度、高分辨率的同时测量,可实现对风机叶片裂缝、损耗和雷击伤害等故障隐患的监测。相关报道已提出了基于BOTDA 的风机叶片结构健康监测方法,实现了对温度、应变和1.5 cm裂缝的测量Ⅲ2 。

3.2 在基础设施健康监测中的应用

工程中的结构监测已成为光纤传感应用中最活跃的领域。结构参数的测量对桥梁、隧道、大坝和高
层建筑等工程的维护是至关重要的。利用BOTDA技术高空间分辨率的特性,测量建筑物的应变分布,可以预知局部荷载的状态。BOTDA分布式光纤传感器既可贴在已有结构的表面,也可在浇筑时埋人结构,从而实现对结构的实时测量,监测结构缺陷的形成和生长,排除安全隐患。

3.3 在其他领域的应用

BOTDA分布式光纤传感系统还可应用于其他很多领域,如在交通运输中,用于路面的结冰探测和铁路监测;在安全系统中,用于火情探测和山体滑坡监测;在环境测量中,用于海洋、森林等野外场所的长期温度测量等。

3.4 发展趋势

如何消除偏振衰落、解决交叉敏感 提高系统精度和增加传感距离将成为下一步的研究方向。现阶段对布里渊分布式光纤传感器的研究仅限于单根光纤轴向上的一维探测信息的传感。随着信息量和监测范围的扩大以及系统精度和稳定性的不断提高,利用逐渐成熟的BOTDA技术实现二维网络式的分布式光纤传感将是重要的发展趋势。
 
 

4 结束语

基于布里渊散射的分布式光纤温度和应变传感的研究已成为近年来研究的热点,其中基于BOT—DA的分布式光纤传感技术以其在温度、应变测量中所达到的高精度和高空间分辨率得到了越来越广泛的关注。
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