多功能分布式光纤传感技术研究

发布时间：2017-10-29 22:32

  本文关键词：多功能分布式光纤传感技术研究

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【摘要】：分布式光纤传感技术是一种以光纤作为传输介质和传感元件的新型传感技术,能对被测参量进行分布式监测,具有传统机电传感器无法比拟的优势,例如体积小,重量轻,抗电磁干扰能力强,灵敏度高等。基于相位敏感光时域反射的分布式传感技术能对扰动信号进行监测,基于布里渊散射的分布式光纤传感技术能对表征结构健康状态的温度和应变进行监测。但目前分布式光纤传感领域均以单一系统实现上述参量的单一监测,要实现多参量的监测需要多个系统,成本很高,因此需要研究多功能/多参量传感技术。基于自发布里渊散射的分布式传感系统中普通单模光纤的受激阈值较低,容易产生受激现象;另外对于常规的温度和应变双参量同时监测系统中光功率对温度、应变不够敏感,因此测量精度低。本文针对分布式光纤传感技术存在的上述缺陷进行了相关研究,并找到相应解决办法,为分布式光纤传感技术的工程化应用解决了部分难题。本文的主要研究内容有:(1)介绍了光纤中的三种后向散射光,在此基础上介绍了基于相位敏感光时域反射的分布式光纤传感原理和基于布里渊散射的分布式光纤传感原理,从原理和结构图上说明了用单个系统实现多功能多参量监测的可行性。(2)介绍了分布式光纤传感技术的分类,重点介绍了基于相位敏感光时域反射计的分布式传感技术和基于受激布里渊散射的分布式传感技术,并分析了将两种技术结合在一起实现多功能多参量传感的优点和广阔应用前景。(3)通过综合分析提出了基于相位敏感光时域反射计(Φ-OTDR)和基于受激布里渊散射时域分析仪(BOTDA)的多功能多参量传感方案,根据方案特点给出了各器件的选型和参数的设计;分析了多功能传感方案实现入侵监测时的相邻入侵信号临界分辨问题,通过玻尔兹曼拟合方法在2m空间分辨率下实现了1.23m的双峰分辨精度,同时获得了脉冲宽度与系统能识别的相邻入侵信号最小间距的关系。另一方面分析了多功能传感方案实现应变测量时的应变频移系数,通过洛伦兹拟合得到的应变频移系数与理论值在误差范围内一致,并由此获得该系统在3m空间分辨率下的应变测量精度为3.17??;分析了多功能传感方案测量温度时的温度频移系数,同样利用洛伦兹拟合方法获得系统在3m空间分辨率下的温度测量精度为0.45℃。(4)介绍了特种光纤的种类,重点介绍了保偏光纤、色散补偿光纤和光子晶体光纤的原理以及在光纤传感技术上的应用;研究了普通光纤和高非线性光纤光纤的布里渊散射光谱特征,包括两种光纤布里渊增益带宽,中心频率以及受激布里渊阈值的对比,发现高非线性光纤布里渊增益带宽更宽,中心频率更小,受激布里渊阈值为78m W,比普通单模光纤的7.9m W更高,因此在某些需要用BOTDR系统的场合下可以降低受激布里渊效应对系统性能的影响;通过实验研究得到了高非线性光纤的温度频移系数为0.413MHz/℃,应变频移系数为0.0309MHz/??;基于理论研究与实验验证提出一种基于高非线性光纤的温度和应变双参量测量方案,并给出方案中各器件的选型要求。
【关键词】：光纤传感 多功能分布式传感 应变监测 温度监测 入侵监测
【学位授予单位】：东华大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN253
【目录】：

• 摘要4-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-22
• 1.1 引言11-12
• 1.2 分布式光纤传感技术简介12-17
• 1.2.1 分布式光纤传感技术的特征参量12-13
• 1.2.2 典型的分布式光纤传感器13-17
• 1.3 基于相位敏感光时域反射计的分布式传感技术17
• 1.4 基于受激布里渊散射的分布式光纤传感技术17-18
• 1.5 课题研究背景和研究现状18-20
• 1.6 课题主要研究内容20-22
• 第二章 光纤中的散射以及分布式光纤传感原理22-29
• 2.1 光纤中的三种散射22-24
• 2.1.1 瑞利散射22-23
• 2.1.2 布里渊散射23-24
• 2.1.3 拉曼散射24
• 2.2 基于Φ-OTDR的分布式光纤传感原理24-26
• 2.3 基于BOTDA的分布式光纤传感原理26-28
• 2.4 本章小结28-29
• 第三章 多功能分布式光纤传感系统的研究29-52
• 3.1 系统整体设计29-31
• 3.2 器件的选用与参数设计31-39
• 3.3 多功能系统相邻入侵信号临界分辨问题的研究39-44
• 3.3.1 基于多功能传感的相邻两点入侵实验40-41
• 3.3.2 相邻两点入侵临界分辨的研究41-43
• 3.3.3 脉冲宽度与相邻两点入侵临界分辨距离的关系43-44
• 3.4 多功能系统应变传感精度的研究44-50
• 3.4.1 基于多功能传感的应变传感实验44-45
• 3.4.2 布里渊频移的洛伦兹线型拟合45-49
• 3.4.3 多功能传感中应变测量精度的研究49-50
• 3.5 多功能系统温度测量结果50
• 3.6 本章小结50-52
• 第四章 基于高非线性光子晶体光纤的温度和应变传感实验52-65
• 4.1 特种光纤简介52-54
• 4.1.1 保偏光纤52-53
• 4.1.2 色散补偿光纤53
• 4.1.3 光子晶体光纤53-54
• 4.2 高非线性光子晶体光纤温度和应变传感的实验研究54-61
• 4.2.1 系统结构框图54-56
• 4.2.2 高非线性光纤的温度和应变传感研究56-61
• 4.3 利用高非线性光纤实现温度、应变双参量同时监测方案61-63
• 4.3.1 理论基础61-62
• 4.3.2 基于高非线性光纤的温度、应变双参量同时监测方案62-63
• 4.4 本章小结63-65
• 第五章 总结与展望65-67
• 5.1 总结65-66
• 5.2 展望66-67
• 参考文献67-72
• 攻读硕士学位期间的学术成果72-73
• 致谢73

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本文编号：1114958