分布式光纖傳感器組成及應(yīng)用領(lǐng)域

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概述

分布式光纖傳感技術(shù)中，光纖既是傳感介質(zhì)，又是數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，利用光波在光纖中傳輸?shù)奶匦?，可沿光纖長度方向連續(xù)進(jìn)行傳感測量，借助光波變化量來解調(diào)出環(huán)境物理參量，如溫度、應(yīng)變、壓力等，獲得被測物體空間分布狀態(tài)隨時(shí)間變化的信息。

分布式光纖傳感技術(shù)主要原理包括基于光干涉原理的傳感技術(shù)和基于瑞利、布里淵、拉曼等散射原理的傳感技術(shù)，這些技術(shù)所需的分布式光纖傳感器各不相同，本文將重點(diǎn)介紹基于瑞利散射的光頻域反射技術(shù)（OFDR）的光纖傳感器選型。

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分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感器有不帶電、體積小、可曲繞、抗電磁干擾、靈敏度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。隨著各種分布式傳感技術(shù)的普及應(yīng)用，分布式光纖傳感器市場發(fā)展迅速，各式各樣的傳感器運(yùn)勢而生。

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分布式光纖傳感器組成

目前市面上常見的分布式光纖傳感器都是裸光纖或在裸光纖外層封裝護(hù)套、鎧裝而成的分布式光纜傳感器。如圖1（a）所示，一般裸光纖由纖芯、包層和涂覆層組成，其中纖芯和包層是由不同折射率的二氧化硅組成，纖芯折射率大于包層折射率，當(dāng)入射光滿足光在光纖中全反射角度就可以在光纖中傳播。涂覆層材料一般是丙烯酸酯，其主要作用是保護(hù)光纖不受外界損傷，同時(shí)又可以增加光纖韌性，從而延長光纖使用壽命。

圖1. 光纖光纜結(jié)構(gòu)

如圖1（b）所示，分布式傳感光纜是在裸光纖外面包裹上外護(hù)套組成的，外護(hù)套的材質(zhì)多為塑料（如PE、PVC、PTFE、ETFE等），其主要作用是加強(qiáng)分布式光纖傳感器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在惡劣環(huán)境中更好存活下來。下表為常見護(hù)套材質(zhì)的性能。

表1. 各種護(hù)套材質(zhì)性能

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用于OFDR技術(shù)的分布式光纖傳感器選型

OFDR分布式光纖傳感技術(shù)解調(diào)的是光纖中瑞利散射信號，使用單模光纖作為傳感器，針對于不同的測試場景會(huì)選用不同類型的分布式光纖傳感器，各個(gè)類型傳感器相同點(diǎn)為其核心都為單模光纖。

1、常用于OFDR技術(shù)的單模光纖

市面上一些常見的單模光纖型號，如G652和G657系列光纖都可以作為OFDR技術(shù)的傳感器，兩者區(qū)別在于G657系列光纖為耐彎曲光纖，其相較于G652系列在相同彎曲半徑下有著更小的彎曲損耗。對于一些工程測試現(xiàn)場或者復(fù)雜結(jié)構(gòu)測試，光纖傳感器在布設(shè)過程中不可避免會(huì)會(huì)產(chǎn)生一些彎曲損耗，因此對于OFDR技術(shù)選用G657系列光纖作為傳感器比G652系列光纖更具優(yōu)勢。

2、光纖涂覆層對測試影響

OFDR傳感技術(shù)是通過感知布設(shè)于結(jié)構(gòu)件上的光纖應(yīng)變來間接反演出結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變，在實(shí)際測試中需要將分布式光纖傳感器粘貼于結(jié)構(gòu)表面或者嵌入結(jié)構(gòu)件內(nèi)部。OFDR技術(shù)測試出的應(yīng)變實(shí)際上由結(jié)構(gòu)件傳遞到光纖上的應(yīng)變，而不同材料的涂覆層帶來的應(yīng)變傳遞效果不一致，涂覆層材料的彈性模量越大，應(yīng)變傳遞效果越好。

下面鏈接是對普通光纖（丙烯酸酯涂覆層）、PI光纖（聚酰亞胺涂覆層）和裸光纖（剝掉涂覆層）三種光纖測試應(yīng)變對比，結(jié)果表明丙烯酸酯涂覆層應(yīng)變傳遞效果較差，聚酰亞胺涂覆層的傳遞效果和裸光纖相當(dāng)，因此一般用于精密結(jié)構(gòu)應(yīng)變測試可以采用PI光纖作為傳感器，即保證傳感準(zhǔn)確性有可以保護(hù)光纖不容易損壞。（不同類型光纖測量應(yīng)變對比）

3、光纜護(hù)套對測試影響

對于一些環(huán)境比較惡劣的工程現(xiàn)場測試，裸光纖由于纖細(xì)容易損壞已不適合使用，這時(shí)需要選用緊護(hù)套光纜來保證存活率。雖然緊護(hù)套光纜相較于裸光纖結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高，其應(yīng)變傳遞損失大于裸光纖，且隨著護(hù)套直徑增大應(yīng)變傳遞的損失越大。

緊護(hù)套光纖常規(guī)類型有：直徑0.9mm的、直徑2mm的，還有直徑更大的鎧裝光纜。通常在能保證光纖傳感器存活的條件下，建議優(yōu)先選擇直徑小的緊護(hù)套光纖作傳感器，以確保傳感效果更好。

4、光纖傳感器使用溫度范圍

光纖傳感器主要由裸光纖、涂覆層、護(hù)套組成，裸光纖的材料是二氧化硅，該材料可以在1000℃高溫下正常工作，影響光纖傳感器使用溫度范圍的因素為涂覆層材料和外護(hù)套材料的耐溫范圍。

丙烯酸酯光纖耐溫范圍為-40~80℃，可用于常溫的應(yīng)變測試；PI光纖耐溫范圍為-40~300℃，可用作應(yīng)變測試的同時(shí)又可測試300攝氏度以內(nèi)的溫度測試；鍍金光纖耐溫范圍為-70~1000℃，一般用作高溫溫度和高溫應(yīng)變測試。

5、測溫光纖和測應(yīng)變光纖區(qū)別

對于OFDR技術(shù)不管是解調(diào)應(yīng)變還是溫度，其都表現(xiàn)為解調(diào)光纖中瑞利散射頻移信號，從原理上并不能區(qū)分應(yīng)變信號和溫度信號，因此測試時(shí)需要用不同的傳感光纖來區(qū)分應(yīng)變和溫度。

對于測溫光纖一般選用松護(hù)套光纖，如圖2（a）所示，其組成為外面為0.9mm空心護(hù)套管，中心為165um的PI光纖，這樣光纖能在護(hù)套管中自由活動(dòng)，外界產(chǎn)生的應(yīng)變被外護(hù)套屏蔽，因此松護(hù)套光纖傳感器只能測試外界溫度變化量。

圖2?測溫光纖及溫度補(bǔ)償光纖

對于恒溫環(huán)境應(yīng)變測試一般裸光纖或護(hù)套光纖都能滿足需求，具體選擇哪種光纖可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場景而定；對于變溫環(huán)境應(yīng)變測試需要借助與溫度補(bǔ)償光纖來進(jìn)行測試，如圖2（b）所示，溫度補(bǔ)償光纖組成為兩根光纖傳感器，其中一根為緊護(hù)套光纖，另一根為松護(hù)套光纖，緊護(hù)套光纖受溫度和應(yīng)變同時(shí)影響，松護(hù)套光纖只受溫度影響，對兩者進(jìn)行作差即可得到光纖產(chǎn)生的應(yīng)變量。

三、總結(jié)

用于OFDR技術(shù)的測溫和測應(yīng)變分布式光纖傳感器種類多樣，首先可以按照要測物理量來選擇測溫還是測應(yīng)變光纖，然后根據(jù)測試環(huán)境來選擇合適光纖傳感器確保光纖能夠存活下來，最后根據(jù)對測試結(jié)果精度需求來選擇能確保測試精度的光纖來保證測試結(jié)果準(zhǔn)確性。

編輯：黃飛

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