混凝土裂縫分布式光纖傳感光-力轉(zhuǎn)換關(guān)系的研究

由于分布式光纖傳感技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)大范圍測(cè)量場(chǎng)中分布信息的提取，因而它可解決目前測(cè)量領(lǐng)域的眾多難題，而分布式光纖傳感器是采用分布式光纖傳感技術(shù)的裝置。分布式光纖傳感技術(shù)是在70年代末提出的，它是隨著現(xiàn)在光纖工程中仍應(yīng)用十分廣泛的光時(shí)域反射(otdr)技術(shù)的出現(xiàn)而發(fā)展起來的.在這十幾年里，產(chǎn)生了一系列分布式光纖傳感機(jī)理和測(cè)量系統(tǒng)，并在多個(gè)領(lǐng)域得以逐步應(yīng)用.目前，這項(xiàng)技術(shù)已成為光纖傳感技術(shù)中最具前途的技術(shù)之一. 1、分布式光纖傳感技術(shù)的特點(diǎn) 分布式光纖傳感技術(shù)具有同時(shí)獲取在傳感光纖區(qū)域內(nèi)隨時(shí)間和空間變化的被測(cè)量分布信息的能力，其基本特征為]: ① 分布式光纖傳感系統(tǒng)中的傳感元件僅為光纖; ② 一次測(cè)量就可以獲取整個(gè)光纖區(qū)域內(nèi)被測(cè)量的一維分布圖，將光纖架設(shè)成光柵狀，就可測(cè)定被測(cè)量的二維和三維分布情況; ③ 系統(tǒng)的空間分辨力一般在米的量級(jí)，因而對(duì)被測(cè)量在更窄范圍的變化一般只能觀測(cè)其平均值; ④ 系統(tǒng)的測(cè)量精度與空間分辨力一般存在相互制約關(guān)系; ⑤ 檢測(cè)信號(hào)一般較微弱，因而要求信號(hào)處理系統(tǒng)具有較高的信噪比; ⑥ 由于在檢測(cè)過程中需進(jìn)行大量的信號(hào)加法平均、頻率的掃描、相位的跟蹤等處理，因而實(shí)現(xiàn)一次完整的測(cè)量需較長(zhǎng)的時(shí)間. 2、分布式光纖傳感技術(shù)研究現(xiàn)狀 分布式光纖傳感技術(shù)一經(jīng)出現(xiàn)，就得到了廣泛的關(guān)注和深入的研究，并且在短短的十幾年里得到了飛速的發(fā)展.依據(jù)信號(hào)的性質(zhì)，該類傳感技術(shù)可分為4類:①利用后向瑞利散射的傳感技術(shù);②利用喇曼效應(yīng)的傳感技術(shù);③利用布里淵效應(yīng)的傳感技術(shù);④利用前向傳輸模耦合的傳感技術(shù).

分布式光纖傳感系統(tǒng)原理是同時(shí)利用光纖作為傳感敏感元件和傳輸信號(hào)介質(zhì)，采用先進(jìn)的otdr技術(shù)，探測(cè)出沿著光纖不同位置的溫度和應(yīng)變的變化，實(shí)現(xiàn)真正分布式的測(cè)量。 micron optics溫度測(cè)量原理是基于raman散射效應(yīng)的分布式溫度傳感系統(tǒng);應(yīng)變測(cè)量原理是基于brillouin散射的分布式溫度和應(yīng)變傳感系統(tǒng)，它可以同時(shí)測(cè)量溫度和應(yīng)變。

圖1是分布式光纖傳感器原理框圖 圖2總結(jié)了用于構(gòu)成分布式光纖傳感器系統(tǒng)的各種技術(shù)。典型的是利用對(duì)特定被測(cè)場(chǎng)增敏的傳感光纖，測(cè)量沿光纖長(zhǎng)度上的基本損耗或散射。通常采用0tdr (光時(shí)域反射計(jì))技術(shù)，從輸出信息中獲得被測(cè)場(chǎng)的空問變化信息。因此，此種連續(xù)分布傳感器可以一定的空間分辨率獲取被測(cè)場(chǎng)沿光纖長(zhǎng)度的分布。otdr技術(shù)是目前在光纖通訊中作為故障(如斷點(diǎn))定位和診斷的必不可少的設(shè)備。 分布式光纖傳感器最基本的形式是直接采~otdr探測(cè)沿光纖長(zhǎng)局部過大的損耗(例如由微彎引起了產(chǎn)生的后向散射光)。 最初演示的分布式光纖溫度傳感.是利用了后向散射系數(shù)隨溫度變化的特征 為了提高測(cè)量靈敏度，采用了液芯光纖。這種方案的缺點(diǎn)是實(shí)芯光纖靈敏度極低，液芯光纖又不切實(shí)際且接收信號(hào)與模式結(jié)構(gòu)有關(guān)。 另一種分布式光纖傳感器，是應(yīng)用偏振光時(shí)域反射計(jì)(potdr)探測(cè)單模光纖中瑞利后向散射光偏振態(tài)作為時(shí)間函數(shù)的變化。由于單模光纖中雙折射參數(shù)對(duì)許多物理量敏感，如應(yīng)變、壓力， 電場(chǎng)、磁場(chǎng)等。所以這種衍生的otdr技術(shù)具有廣闊的應(yīng)用潛力。 基本的otdr技術(shù)實(shí)質(zhì)上是一種光學(xué)雷達(dá)。普通雷達(dá)和分布式光纖傳感器中應(yīng)用的光學(xué)測(cè)距之間在原理上是相似的。為了提高測(cè)量的空間分辨率， 又衍生了各種技術(shù)，如連續(xù)波調(diào)額測(cè)距(fmcw)，這些技術(shù)本質(zhì)上是光頻域反射技術(shù)(ofdr)。 若干研究者報(bào)導(dǎo)了利用拉曼散射與溫度的關(guān)系構(gòu)成分布式溫度傳感。一種是用改進(jìn)的otdr分析斯托克斯與反斯托克斯后向散射分量之比。最近報(bào)導(dǎo)了只測(cè)量反斯托克斯分量和雙端拉曼otdr的分布溫度傳感， 測(cè)量長(zhǎng)度達(dá)950m， 溫度分辨率。 此方案主要不足之處是拉曼散射系數(shù)很小， 幾乎比瑞利散射低3個(gè)數(shù)量級(jí)，因此需要大功率激光器及高增益低噪聲放大器。 近來有人研究了利用稀土光纖的溫度與吸收或與熒光的關(guān)系構(gòu)成分布式溫度傳感。然而利用熒光特性要求稀土光纖有短的熒光壽命。以期達(dá)到要求的分辨率，故實(shí)現(xiàn)困難。 當(dāng)前，也開展了利用非線性光學(xué)效應(yīng)構(gòu)成分布光纖傳感。如研究受澈拉曼放大和光學(xué)克爾效應(yīng)。也報(bào)導(dǎo)了采用高雙折射光纖偏振模式耦臺(tái)及新穎的干涉方案等。