光纤传感技术论文篇1

关键词光纤传感技术;流量计量仪;研制;应用

中图分类号TE9文献标识码A文章编号1674-6708(2010)23-0156-02

光纤传感技术与控制技术在油田联合站应用研究,是利用光纤传感技术的高精度、非电、非接触式检测等特点,实现联合站多项工艺参数的检测;利用多级分布式控制技术和网络技术实现联合站主要工艺过程自动控制和远程监控指挥功能。近年来,我们通过在河南油田与双河联合站技术人员合作,在现有的光纤传感产品基础上,开发了光纤流量计量仪,探索一条用于我国油田联合站综合性生产过程的安全状态监测与评估新途径,对油田联合站综合性生产过程的安全状态监测与评估,在科学研究中也具有十分重要的意义。

光纤计量仪采用容积式流量计介质计量方式,由计量腔、转子体、传动机构、转换机构、计数显示机构、流量发讯机构、转速传感器、光电转换器等组成。当被测液体流经流量计时,流体的动压力使进出口间形成一个压差而推动转子旋转,随着转子的转动,流体经由计量腔不断地排出流量计。转子每转动一圈排出的液体体积是一个固定值,即排出量与转子轴转数成正比,通过传动机构和转换机构,经调整将旋转次数输送到计数显示机构,显示瞬时量和累计量,同时经信号发讯机构将流量信号送至二次表。

1量发讯器

流量发讯器由转数传感器和光电转换器组成,其工作原理见图1,转数传感器通过专用联轴器与被测流量计转轴联接,传感器用的光学编码器将被测轴的转动转变成光脉冲信号,经光缆传送到操作室内的光电转换器,转变成方波电脉冲信号,再进入其他二次仪表。

2转速传感器

转速传感器内有一个光学编码器,它由一根主轴与外界相联。转速传感器的光学编码器与光纤液位变送器的光学编码器很相似,也是由光码盘、轴及光纤探头组成,只是只有一个光纤探头。因为流量计只向一个方向转动,不需要判别方向。红外光从光电转换器中发出,经光纤光缆到达光纤探头,当光码盘转动时其齿孔对光进行调制,使光不断地被遮挡或通过,就形成光脉冲,通过光纤光缆传输到光电转换器。由于只有一路光纤探头,光码盘每转输出的脉冲数也比光纤液位变送器的要少,为每转输出100个脉冲,光纤探头的安装也相对要方便一些。其光学编码器的结构可参见图2。

3光电转换器

流量发讯器的光电转换器与光纤液位变送器的光电转换器基本相同,也是放在控制室内,与现场的转速传感器用光缆相连,其电源为5VDC来自二次仪表。不同的是只有一套光源和光电转换装置,光缆采用二芯光缆。其采用的红外半导体光发射器LED是惠普公司生产的,光敏器件PIN是邮通讯元件硅光电池。LED发出的连续红外光经光学编码器调制后,变成光脉冲被PIN接收,变成电脉冲并经整形放大后输出。它输出的方波信号与传统的发讯器相同,可以与流量计算仪,转数显示仪表或计算机接口等配合使用。

4光纤流量计量仪的测试数据

光纤传感技术论文篇2

【关键词】光纤光栅;正交异性钢桥面板;横向拉应力

1工程背景

近年发展起来的光纤光栅传感技术，具有传统电类传感技术无可比拟的优势，满足现代工程结构监测的高精度、远距离、分布式和长期性的技术要求，为实现对现代工程结构长期实时健康监测和安全评估，提供了一种良好的技术手段。经过十几年，光纤光栅传感技术取得了快速的发展，光纤光栅传感技术应用于桥梁健康监测系统中具有很大的发展前景。

2光纤光栅传感器的工作原理

布喇格光栅是光纤纤芯折射率受到周期性调制的光栅。由耦合模理论（CMT）知，光纤布喇格光栅（FBG）Bragg波长：

（1-2）

式中，λd―布喇格波长;Λ―为光栅周期;neff―光纤模式的有效折射率。

光纤光栅的反射或透射波长光谱主要取决于光栅周期改变量和反向耦合模的有效折射率neff，它们与波长改变量B之间具有如下关系：

（1-3）

当温度和应变同时发生变化时，FBG本身无法分辨出两者分别引起的Bragg波长变化。要精确测量应变，必须解决应变、温度交叉敏感问题。本文中采用光纤光栅温度补偿传感器进行克服应变及温度交叉敏感问题。

3光纤光栅传感器网络布置

FBG传感器的最大优势是它可以实现应力或温度的准分布测量。也就是在同一根光纤的若干个部位写入不同栅距的光纤光栅，使它们具有不同的、并且各光纤光栅不存在重叠的光谱反射，实现分布式光纤传感监测。多通道传感系统网络的其中部分通道单独测量温度应变以消除其他通道的温度应变;实现多点测量以及找出惟一由应力引起的的参数变化对应值。

4光纤光栅传感器在正交异性钢桥面铺装检测工程中的应用

大跨径钢桥铺装面铺筑在柔性的正交异性钢桥面板上，为计算方便，将粘结层和铺装层视为整体。计算模型选取如下：钢桥面板宽为3m，板长取四个横隔板三跨的距离9.6m，横隔板高度取0.5m。各边界条件：横隔板底部完全固结，铺装层和钢桥面板无水平位移但允许竖向位移。

图1正交异性板铺装模型

其中正交异性桥面板的应力以及挠曲变形的测试断面为L/8截面、L/4截面、跨中截面。在每个断面设置2个光纤光栅传感器及1个温度补偿传感器，共计7个补偿传感器。对于正交异性板铺装局部模型单轮加载位置如图2所示：

图2荷载位及纵向加载位置

三种加载位单轮加载的计算结果如表1所示。

表1加强梁段不同加载位置计算结果

加强梁段不同加载位置应力（MPa）

原始设计危险工况

横向

H3

H2

H1

H3

H2

H1

H3

纵向

Z1

Z1

Z1

Z2

Z2

Z2

Z1

横向最大拉应力

0.372

0.470

0.439

0.370

0.532

0.558

0.819

纵向最大拉应力

0.136

0.160

0.178

0.186

0.200

0.266

0.239

横向最大层间剪应力

0.476

0.527

0.460

0.520

0.417

0.549

0.477

纵向最大层间剪应力

0.320

0.323

0.311

0.219

0.241

0.301

0.309

钢箱梁最大等效应力

33.1

40.3

44.1

48.0

61.0

63.7

40.9

钢箱梁第一主应力

38.1

49.4

50.3

48.2

63.2

66.5

40.0

计算显示铺装层破坏的最重要控制指标横向最大拉应力在横隔板中间位置的U类侧板顶部。从结果中也可以看出，铺装层的横向应力最大。对上、下游铺装层的5个传感器分别进行加载。车重315KN，两个后轴轴重246.5KN（最大值），分别为123.25KN。

表2实测横向拉应力

工况

应力MPa

原始设计

加强梁段

工况

测点1

测点2

测点3

1

0.234

0.201

0.153

2

0.201

0.129

0.032

3

0.137

0.048

0.072

对比表1、2发现，实测值和横向最大拉应力差别很大，分析误差原因有以下几点：（1）理论值是最危险工况的最大应力。（2）现场试验中，车载难以保证施加在最危险工况位置，传感器的位置难以保证是对应荷载最危险的点;（3）而铺装层在车轮载作用下的受力，局部效益比较明显，应力最大值往往是在车轮作用附近的局部区域。所以实测值并不是铺装层横向最大拉应力，存在差别是合理的。

光纤传感技术论文篇3

关键词:光纤光栅;光纤传感器;土木工程

中图分类号：TN818文献标识码：A文章编号：

前言

光导纤维具有感测和传输双重功能,具有柔韧易弯曲、质量轻、抗电磁干扰、耐高温、耐腐蚀、传输频带宽以及优良的可埋入性等优点。光纤光栅传感器除了具有光纤传感器的许多优点外,还有一些明显优于其他光纤传感器的地方。它是作为一种光谱分离与光波长选择的器件,信号不受弯曲损耗、连接损耗、光源起伏和探测器老化等因素的影响;避免了干涉型光纤传感器相位测量模糊不清等问题。在一根光纤上串接多个光纤光栅,把光纤嵌入(或粘于)被测结构,可同时得到几个测量目标的信息,并可实现准分布式测量。然而将光栅刻划在光纤上得到光纤光栅则是最近10年才发展起来的新技术,受到了世界各国研究机构的广泛重视。目前,光纤光栅传感器已应用在桥梁、大坝、大型建筑、石化、电力、钢铁、核工业、飞机船舶制造、医疗等多种场合。

1、光纤光栅传感器基本原理

FBG传感技术源于Hill等人在1978年所发现的光纤光敏感特性。用一对强紫外光柱所产生的干涉条纹,对光敏光纤侧面进行照射,可以对光芯处的折射率进行永久的周期性调制,从而制成一段折射率周期性变化的光栅。由于周期的折射率扰动仅对频率很狭窄的小段光谱产生影响,当光波在光栅中传播时,入射光将在这段被反射回来,其余频率的光谱则被透射过去,这样光纤光栅就起到了光波选择的作用。能够被反射回去的波长必须满足如下条件:

（1）

式中是光栅反射的中心波长;n是光栅纤芯的有效折射率;是光纤光芯折射率的调制周期。这个条件是首先由威廉布拉格爵士提出的,所有按照这种原理制造的光纤光栅又称为布拉格光栅(FBG)。从式(1)可以看出,如果纤芯的有效折射率与调制周期发生变化,那么反射波长也将发生变化。事实上如果光栅受到应力与温度作用时,纤芯的有效折射率与调制周期都将发生变化,因而我们可以通过测量反射波长的变化来感受应变与温度的变化。

现在,FBG传感器的应用领域不断扩展,人们已将其逐步应用于多种物理量的测量,制成了各种传感器。主要包括FBG应变传感器、温度传感器、位移传感器、加速度传感器、压力传感器等。下面我们就常用的应变传感器、温度传感器的测量原理进行简单介绍。反射光的中心波长随着作用于光纤光栅的应变和温度变化成线性变化,同时考虑应变与温度变化时,所引起的波长移动为:

（2）

式中:Pe为有效光弹系数,为光纤的热膨胀系数,为光纤的热光系数。ke为光纤光栅的应变系数,为光纤光栅温度传感的灵敏度系数。

根据式(2),只要测出布拉格波长的变化,就可以得到外界的应变或温度扰动。并且由于布拉格反射光的光谱只占入射光光谱中很小的一部分,调整各光纤光栅传感器的栅距,使它们具有不同的,且其布拉格光谱互不重叠,就可以将若干个FBG传感器串联起来,实现对待测结构定点的准分布式的测量。

2、光纤光栅传感器封装技术

由于裸的光纤光栅直径比较纤细,在恶劣的工程环境中容易损伤,因而需要对其进行封装后,传感器才能交付使用。另外通过选用不同的封装材料,可以实现温度补偿、应力和温度的增敏等功能。封装技术是光纤光栅传感器工程成功应用的关键技术之一。

目前常用的封装方式主要有粘贴式、管(片)式、嵌入(植入)式封装。

(1)粘贴式封装。裸光栅作为应变传感器直接粘贴在待测结构的表面,并用胶黏剂进行涂抹,是一种简便、价格低廉的封装方法。利用刻槽加盖片保护,可以提高成活率。

(2)管(片)式封装。管(片)式封装是将裸的光纤光栅置于金属管、片等媒介器件内(上),封装成独立的传感元件。管(片)式封装包括金属管式封装,基片式封装等,是目前比较常用的光纤光栅封装方法。

如图1所示,管式封装应变传感器主要由封装管、FBG、传输光缆、尾纤、胶粘剂组成。FBG毛细管封装的核心工作是封装工艺,封装时必须保证FBG准确平直的在毛细管的正中间。哈尔滨工业大学周智等人开发了无增敏型的单层金属管封装的FBG温度传感器和增敏型双层金属套管的FBG温度传感器。大连理工大学李宏男也开发了金属管封装的FBG应变传感器和温度传感器。

图1管式封装的应变传感器

基片式封装有金属基片封装和树脂片封装,封装结构主要由金

属薄片(或树脂薄片)、胶粘剂、护套、尾纤、传输光缆组成。该封装结构的基本思想是将FBG封装在刻有小槽的基片上,通过基片将被测结构的应变传到FBG上。

夹持式封装技术的主要思想是在钢管封装的FBG传感器的两端安装夹持构件,如图2所示,待测结构的应变通过夹持构件传递给FBG。该方法封装的传感器可根据实际需要改变标距长度。因此,夹持式封装的传感器可直接粘贴或焊接在结构表面,或用铆钉铆到结构上。

图2夹持式封装

嵌入式(植入式)封装。该封装方法将光纤光栅植入纤维材料(CFRP,GFRP等),形成传感元件。Moyo等研制了FBG应变传感器,将光纤光栅植入碳纤维材料。欧进萍院士课题组研制了FRP2OFBG智能复合筋。

3、光纤光栅在土木工程中的应用

下面分几个方面介绍利用这些原理进行传感测量应用的情况。

3.1应变传感器(StrainSensor)

光纤传感技术论文篇4

【关键词】光纤光栅传感器数据采集光纤布拉格光栅

光纤传感器是通过检测光信号来测量环境中参量变化（生物量、物理量或化学量），这些参量变化会引起光的传输特性变化。光纤传感器有很多种类，按照传感机理它可以分为强度型、干涉型和光纤布拉格光栅型这三种。这其中光纤布拉格光栅不仅具有强度型和干涉型的优点，并且具有波长分离能力强、灵敏度高、传感精度好、抗干扰能力强等优势。光纤光栅传感器有着很大的发展前途，它可以在需要精确定位或者是绝对数字测量时，可以构成多光栅空间分布单一光纤传感网络系统。

本文研究的基于光纤光栅的数据采集，光纤光栅传感器即采用的是光纤布拉格光栅，光纤光栅的原理如图1所示。

光纤布拉格光栅的中心波长随着外界环境参量的变化而随之变化，它广泛应用于压力、温度、应变等参数的测量。

一、基于光纤光栅数据采集系统的组成

（一）光纤光栅传感系统

该系统通过光纤光栅传感器采集数据，这是该数据采集系统的前提条件。不同功能的光纤光栅传感器能够将不同的物理参量如温度、压力、应变和加速度等调制为相对应的光栅波长。光纤光栅传感器输出光波以后直接通过光缆便可以进行远距离传送。

（二）光纤光栅网络分析系统

该系统作用是将光纤光栅传感器采集的光信号经光缆的远程传输后，将光信号转化为数字量并以物理参量的方式在计算机终端记录、显示或存入数据库中。

该系统主要由光开关、光纤光栅解调仪及光纤跳线组成。光纤光栅解调仪的作用是将光纤光栅中心波长解调为数字信号。光开关的主要作用是将多路光信号一起或是分别进入光纤光栅解调仪，这样就克服了光纤光栅通道数不能满足工程应用的缺点。

（三）光纤通讯传输网络

该系统由光缆和光纤适配器等组成。光缆是光信号传输的通道，光纤适配器连接光缆且损耗很低，这样就可以避免工程现场的光纤熔接。单桥监控室采用光缆以低损耗方式接连光缆，将远距离采集的光信号引入中心监控室的数据处理及分析系统上。

（四）数据处理及分析系统

该系统是对采集后的数据进行预处理且分析，为后续系统的基础。该系统是由软件系统组成，在现场工控机上运行，为专家评估系统奠定坚实的基础平台，是后续工作提供可靠的依据。

二、数据采集系统的设计

在光纤数据采集系统中，首先运用了多线程技术，以保证数据采集、实时显示界面和数据存储同时进行；其次，运用数据安全队列来保护线程之间数据安全传递的同时，还要使采集到得数据可以在最快的时间内得到显示，最后在VS平台下实现数据采集系统程序，由于VS库函数和空间丰富，编程环境界面友好，使得软件不仅界面漂亮，而且开发难度大大的降低。数据采集的流程图3-5所示。

在基于光纤光栅数据采集系统中，为了使数据采集、储存和实时显示同时进行，必须采用多线程技术。此外，还可以采用数据安全队列使采集到的数据能够在最快时间实现显示并能够保护线程之间数据的安全传递。由于VS平台下库函数和空间丰富、界面友好，采用VS平台实现数据采集系统程序可以使开发难度大大降低且软件界面漂亮。数据采集的流程图如图2所示。

三、数据采集系统的程序实现

随着社会的发展，大型桥梁的安全问题越来越受到人们的重视，为了保证桥梁运行的安全性、可靠性及耐久性等，研究表明，得到科学管理的桥梁有着更好的安全性以及耐用性，桥梁健康监测系统已经是桥梁建设中不可少的一部分，数据采集系统则是整个监测系统的基石。对于桥梁健康监测来说，传感器具有数量大、种类多，信号采集的储存实时性高等要求，这样对于数据采集和处理系统有较高要求。本文以武汉某大型斜拉桥为例，研究基于光纤光栅的数据采集系统的软件设计及具体实现。

根据要求，传感器数据采集系统能够提供监测数据。以某斜拉桥为例的健康监测系统中，系统采用光纤光栅应力传感器、光纤光栅温度传感器、光纤光栅位移传感器、压电式低频加速度传感器等等监测斜拉桥应力、温度等参数。本文主要针对的是光纤光栅型传感器，将采集到的光信号通过光缆传输后经过解调仪解调，最后通过网口对解调仪采集到数字信号存入数据库中，为后续监测系统做准备。

光纤光栅解调仪具有以太网接口，根据实际需要进行网络编程，实现网络程序有很多种方式，WindowsSocket是其中比较简单的方法。本系统监测对象比较多并且要求系统实时性高，多线程技术可以满足系统要求，它支持系统一个进程中执行多个线程，多个操作可以在不同线程中同时进行。光信号经解调仪传输后是字节流，可以使用memmove函数对字节流进行分解处理。

（一）光纤光栅传感器的配置

数据采集方案的确定和传输方式的选择一般是根据传感器空间分布情况确定的。斜拉桥的跨度比较大，一般为几百米到几千米，桥上敷设的传感器的数量种类也特别多，这个时候为了减少信号在传输中受到干扰、衰减失真等情况，首先要对传感器进行配置，再选择合适的数据采集方案和传输方式。

数据采集之前要确定传感器的总数、解调仪的数量、所需通道数、采样频率和存储频率等各方面信息。传感器的总数决定了数据传输设备的数量和数据的传输方式。传感器的采样频率是由数据处理系统对数据的要求以及数据本身的动态特性决定的。在进行传感器配置的时，采取四层结构，采用树形控件，应用如图3所示。第一层是光纤光栅系统，第二层是光纤光栅解调仪，第三层是通道，第四层是传感器。在数据采集系统首次运行时要进行初始配置，这样才能提高系统的运行速率。传感器配置有两种方式，一种是在界面进行配置，第二种是修改配置文件的内容。开始配置时首先将配置信息显示在界面上，对界面进行配置，然后将数据写入数据库。

界面的配置步骤为：光纤系统总配置、光纤光栅解调仪配置、通道配置、传感器配置。将每一个配置的传感器编号，通过传感器编号可以查询具体信息。比如：传感器的名称、类别、位置、初始应变、报警上限、报警下限、标定系数、标定斜率、是否要温度补偿、基准波长、标定波长、所属的解调仪和通道数等信息。

（二）网口采集

武汉某斜拉桥健康监测系统需采集的信号数量大、实时性高、处理较复杂。数据采集系统负责将光纤光栅解调仪的信号通过网口以后，进行数据的采集、分析、转化为相应数据储存，为后续的数据分析处理以及安全评估提供可靠地实时数据。本系统是采用开放式Windows系统平台，软件开发环境为VisualStudio2005，把任务分成几个独立的线程，使用多线程方式，这样就能够保证数据采集的实时性，用户其他操作也能及时响应，这样提高了利用率和程序的运行效率。

光纤光栅解调仪主要作用是把光纤光栅中心波长解调出来，解调的机理有很多，本系统采用的解调原理是基于F―P滤波器的原理，基于网口的数据采集技术较成熟，解调仪的通信协议为UDP协议，传输速率要求能够完全满足系统要求。

对于UDP无连接的数据报服务，客户机给服务机发送一个含有地址的数据报，客户机和服务器并没有建立连接。服务器是通过调用Recvfrom（）等待客户端数据。基于UDP的socket编程思路为：首先创建套接字（socket），然后将套接字绑定到一个本地端口和地址上，等待接收的数据，最后关闭socket。

根据实际情况开发服务端软件基于UDP的，UDP能够提供端口机制便于UDP用户使用。UDP长度中包括UDP本身长度、源端口、目的端口、用户数据和UDP校验等。实际开发，端口号为5000，首先使用“ping”命令判断测试网络是否连通，原理为发送UDP数据包给对方主机，对方主机回复是否收到数据报，如果回复及时，则网络已经连接，软件流程如下图4所示。

四、小结

光纤光栅传感器使用越来越普遍，本文介绍基于光纤光栅传感器的数据采集监测系统的组成，对数据采集系统进行软件设计和介绍基于网络的数据采集的关键技术，最后对数据采集系统进行实例应用。

参考文献：

[1]柳旭.基于光纤传感技术的桥梁健康监测数据序系统研究：[工学硕士论文].武汉：武汉理工大学，2006

光纤传感技术论文篇5

关键词：海洋环境；海洋工程；光纤传感技术；原理

一、光纤水听器在海洋工程中的应用

核潜艇技术与潜射导弹技术在不断进步，使用产生的噪音也越来越低，压电声纳的灵敏度已经邻近极限，探潜能力具有一定的局限性。以美国为主的西方国家，对光纤水听器进行了精细的研究，并且取得了一定的成果，对于我国的海洋工程具有借鉴意义[1]。国内投资大量资金，成立专门的研究小组进行研究，目前还处于初级阶段。光纤光栅传感器不仅具有普通传感器的功能，还能够根据光波波长的调制机理，不被光源强度的强弱影响。采用特定的技术，可以在一根光纤上串接多个光纤光栅，从而去对陈列式的水听声纳传感进行检测。

（一）光纤光栅水听器的传感原理。光纤布拉格光栅水听声纳，采用的是FBG传感特性设计，其属于水中声波传感器。其传感原理是，在特殊的声压敏感器上面安装FBG，声压敏感器会收集水中的声波作用于FBG，导致其发生应变，FBG的周期会被改变中心波长会发生偏移。光纤光栅调节系统能够精准的测算出波长的变化量，从而去确定水声信号的变化量。光源会发出带宽比较宽的光波，进入到光纤光栅内，其会将特定波长的光波进行反射，主要是由于其具有波长选择性，只要检测反射光的波长偏移量即可完成传感过程。

（二）光纤光栅水听器系统介绍。如下图1所示，是非平衡M-Z干涉解调光纤光栅水听器的基本构造图。其主要是采用非平衡的M-Z干涉结构，使得传感光栅中的中心波L变化量转换成为相位的变化值，再进行调解干涉输出的光波相位信号，从而去得到波长的变化，提升系统探测的灵敏度。图1中光源发出的宽带光，通过环行器进入到传感光栅，再通过光栅反射的窄带光波进入到非平衡干涉结构，在3X3光纤耦合器形成干涉。

（三）光纤光栅水听器技术总结。为使得光纤光栅水听器具有机械与光学的稳定性，需要对光纤光栅进行环境试验。试验的过程是，将其放在温度为90摄氏度，相对湿度为90%的恒温恒湿温度箱中2000h；并在-40～85℃的温度中循环2000次，看其光学性能的变化。若是其光学性能无明显变化，则证明光纤光栅水听器具有机械与光学的稳定性。判断光纤光栅的使用寿命，可以采用加速老化的办法，根据可以预测光纤光栅反射以及透射率随时间环境因素的变化关系去进行判断。光纤光栅水听器使用的海底环境相对复杂，需要采用适合环境的封装材料与光纤光栅粘结材料。利用多参量同时测量的方式，能够消除光纤光栅对温度、应力等的交叉敏感性。可以采用SLED光源去扩大光纤光栅水听器的探测范围，扩大光源的输出功率，提高检测信号的强度。光纤光栅水听器的敏感度，主要是敏感材料的性能来决定，同时也受波长调节系统的灵敏度影响。

二、水位传感技术与光纤振动

水位传感技术与光纤振动，主要是应用于海底地震海啸监测。海底地震监测，属于超低频、大移位的振动测量，并且测量区域较为复杂，需要长期的进行监测，过程难度较大，构建海底网络监测的成本巨大，维护需要耗费的成本较高。但若是海底地震海啸监测系统一旦建成，会给人类带来不可估量的利益。光学式地震计与光学式水位计利用的是光纤作为传播介质，用其建造的海底地震海啸监测网络，比其它的地震波检测仪器功能更加强大。

（一）光纤干涉原理。利用光纤干涉原理建成的传感器，是目前我国最为先进的测量技术之一，其具有超高的准确性，能够对海底复杂的环境与海底地震进行全面的监测。全光纤观测网络的构成，能够满足海底监测的需求，普遍在国际上应用，并且在不断研发中。光纤干涉式检波器，主要是利用弹性膜片与弹性顺变柱。海底环境的振动变化，或者是压力会导致膜片与顺变柱变形，使得膜片与顺变柱耦合的光纤折射率与长度发生改变，从而引起干涉光强度的改变。

（二）光纤干涉检波系统。光纤干涉检波系统的工作原理是：光源发出具有强制信号的连续光，通过长距离的传输作用于海底传感单元内部2X2耦合器；再分成两道光束进入到光纤干涉臂。若是检波器对于外界的地震信号进行响应，干涉臂的反馈信号中则会含有振动信息的振动信号；此信号再通过长距离的传输，返回到主机内部的光电探测器，经过放大之后，生成电信号由于调制信号，再传递给数据收集卡，从而转化为数字信息；经过分析解调之后得到最终的振频，以及相关的原始数据。

三、结论

综上所述，光纤水听器在海洋工程中的应用，主要包括光纤光栅水听器的传感原理，光纤光栅水听器系统介绍，以及光纤光栅水听器技术总结。水位传感技术与光纤振动，通过光纤干涉原理建成的传感器，能够实现对海底地震海啸的监测。

光纤传感技术论文篇6

本文通过实验分析了多模光纤带宽对分布式光纤测温系统空间分辨率的影响。实验结果表明，多模光纤带宽处于500MHz*Km至6000MHz*Km范围内时，测温系统空间分辨率呈现先升高，后下降的趋势。为进一步通过优化光纤指标来提高分布式光纤测温系统的系统指标提供了数据支持。

【关键词】分布式光纤测温系统光纤带宽空间分辨率

1引言

传统温度传感器由于测量原理的限制，易受外界环境，特别是电磁干扰的影响，无法长时间连续测量。使用光纤光栅等新型点式光学温度传感器，由于成本的限制，无法实现真正的分布式测量，限制了其应用范围。

近年来，使用普通光纤作为传感介质的新型光学传感器由于具有本征无源，抗电磁干扰，响应快速等特点，逐步取代了传统的探测方法，成为研究的热点。

同时，分布式光纤测温系统受激光脉冲在光纤中的展宽等因素的影响，空间分辨率指标无法得到有效提升。传统的方式是通过压缩入射光脉冲宽度，提高脉冲光峰值功率的方式来提高系统的空间分辨率，但此方式实现难度较高，并不能无限压缩光脉冲宽度，并且随光脉冲宽度的降低，加工难度和成本也随之大大提高，限制了系统的实际应用效果和应用范围。

本文在前期研究的基础上，利用已有的分布式光纤测温系统，展开了相关实验研究。测量了多种不同带宽光缆对应空间分辨率指标，并做了相关数据分析。试验结果表明：光纤的带宽对分布式光纤测温系统空间分辨率有较大影响，并在500MHz*km至6000MHz*Km范围内呈现先升高后降低的趋势。

2实验原理与系统

系统基本架构如图1所示；

系统的工作过程如下：分布式光纤温度传感系统工作时，在同步控制单元的控制下，脉冲驱动电路产生电流脉冲，该脉冲驱动半导体激光二极管产生的光脉冲注入到激光器尾纤中，从激光器尾纤输出的光脉冲经过光路再进入传感光纤。光在光纤中发生散射后，其携带有温度信息的拉曼后向散射光返回到波分复用系统，波分复用系统不但可以将发射的光直接耦合进光纤，而且可以将散射回的不同于发射波长的斯托克斯和反斯托克斯光分离后送入两个光电探测器。光电探测器将光信号转换成电流信号，电流信号再被放大电路转换成电压信号并且放大后送入采集卡。采集卡将信号数字化后送入上位机，按照特定的算法计算出温度信息。

在上述系统的基础上，采用不同带宽的50/125μm多模探测光缆作为测试对象，验证了系统空间分辨率变化情况。

3实验结果

实验中，共测试了不同带宽的多模50/125μm的光纤对应的系统空间分辨率，光纤及相关实验参数如表1。

注：空间分辨率恶化系数的计算方法如下：

空间分辨率恶化系数=空间分辨率绝对变化量/光纤长度

根据上述数据可以得知，多模光纤带宽与系统空间分辨率的关系如图2所示。

从图中可以看出，系统空间分辨率在500MHz*km至6000MHz*Km范围内呈现先变好后变差的趋势，并在1600MHz*Km左右达到最优。

4理论分析

在分布式光纤测温系统中，系统的空间分辨率主要受光脉冲宽度、电路带宽、光电探测器响应时间等因素制约，在其它因素确定的条件下，光脉冲宽度称为影响空间分辨率的重要因素。光脉冲在传感光纤中传输，受到色散的影响，会出现不同程度的展宽效应。具体而言，在多模光纤中，光纤材料、波导结构和多种模式的光脉冲信号在光纤中传输，色度色散和模间色散是引起光脉冲展宽的主要因素。

其中分别是模式色散和波导色散。模式色散一般存在与多模光纤中，由于在多模光纤中同时存在多个模式，不同模式沿光纤轴向的传播速度不同，到达终端时就有先后，出现时延差，从而引起脉冲展宽。时延差越大，色散就越严重。而波导色散取决于光纤的折射率剖面结构。

两种色散共同决定了光脉冲展宽的程度，而光纤的3dB带宽与脉冲宽度δ是从不同角度描述光纤色散特性的两个参数，因而它们之间存在一定的关系。

光纤的带宽越宽，脉冲展宽约小，但这只是理论公式，通过实验数据表明，当光纤带宽小于1600MHz*Km时，满足该公式的关系，当超过该值时，脉冲展宽随带宽增加而增加。

5结论

本文通过对不同带宽光缆对分布式光纤测温系统空间分辨率的影响进行测试，确认了在一定范围内光纤带宽指标影响系统空间分辨率的变化规律，并进行了理论分析。为进一步通过优化光纤指标来提高分布式光纤测温系统的系统指标提供了数据及理论支持。

参考文献

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作者简介

王建强（1966-），男，现为威海北洋光电信息技术股份公司工程师，主要从事光纤传感方面的研究。

夏俊玲（1969-），女，现为威海北洋光电信息技术股份公司工程师，主要从事光纤传感方面的研究。

史振国（1981-），男，现为威海北洋光电信息技术股份公司工程师，主要从事光纤传感方面的研究。