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全分布式光纤应力传感器的设计

分布式光纤传感器是利用光纤的一维空间连续特性进行测量的技术。光纤既作传感元
件，又作传输元件，可以在整个光纤长度上对沿光纤分布的环境参数进行连续测量，同时获 得被测量的空间分布状态和随时间变化的信息。根据监测空间范围不同，主要可分为全分布
式光纤传感器和准分布式光纤传感器两类。
准分布式光纤传感器主要利用光纤光栅而实现，因而测量是以点为单位的，不能得到全
空间的分布。 全分布式光纤传感器主要有两大类： 一类基于光纤后向散射的光时域反(Optical
Time Domain Reflection-OTDR)技术，另一类基于长距离干涉技术。ODTR技术进行探测、 定位的分布式光纤应力传感器,具有灵敏度高,动态范围大,工程实用性好等特点。全分布式光 纤传感器可在整个光纤长度上进行测量，任一点都是敏感点,属于"海量"测量,理论上传感 距离任意长,空间分辨率任意小,检测没有盲区,并包容了光纤的不受电磁干扰,灵敏度高,可靠 性高,耐腐蚀,体积小等诸多优点。干涉法是利用各种形式的干涉仪或干涉装置把被测参量对
干涉光路中的光波的相位调制进行解调，从而得到被参测量信息的方法。但是干涉法的干涉
信号受到很多因素的影响，如相干光束之间光强的差异、干涉光束之间的偏振态的不同，光
源的相干性、干涉系统的漫反射以及干涉波面畸变等等。
光时域反射技术是分布式光纤传感器的基础。图1是基于后向散射的光纤分布式传感器
的测量原理图。当光通过被测物理场时,光的能量一部分沿着光纤传输通道继续传播;一部分 在传输过程中被吸收损耗或是散射至光纤外;一部分被耦合至接收通道,被光电探测器探测。 当光脉冲在光纤中传输时,由于光纤中存在折射率的微观不均匀性,会产生后向散射。若入射
光纤经背向散射返回探测器端所需时间为t,光脉冲在光纤中传输的路程为2L,则
2L=vt
c

式中: v为光在光纤中的传输速度, v =
n ; c为光在真空中的速度; n为光纤的折射率。在t

时刻测量的是离光纤入射端距离为L处的后向散射光。
图1 后向散射分布式光纤传感器原理

Dz = v
设光脉冲持续时间为 Dt ，则OTDR的空间分辨率为:

传感光纤中的受激布里渊散射


Dt
2

光纤中的布里渊散射是由入射光与光纤自身的声学声子相互作用产生的。 于非弹性碰 属
撞，有能量转换发生，包含斯托克斯和反斯托克斯两种成份，谱线的分布距瑞利散射谱线很
近而且较窄。用窄线宽连续激光对单模光纤进行泵浦时,布里渊散射是一种主要的非线性效
应,布里渊散射光频移的大小决定于声波速度，由于传感光纤感受的温度和应变会影响光纤
内部的声波速度，因此可以通过测量布里渊频移来得到传感光纤感受的温度或应变。布里渊
频移为：

式中 n p 为光纤的有效折射率;lp:入射光波长;
(1 - k)E

vA =
(1 + k)(1 - 2k)r
为声速，其中E, k,r分别是杨氏模量,泊松比,介质密度。

布里渊散射光的强度也受温度和应变的影响。因此，通过测量布里渊散射光的频移或强 度变化，即可测量传感光纤感受的应力或温度。布里渊频移、强度变化率与应力、温度的关

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系为：

C1为频率应变系数， C2 为频率温度系数， C3 为强度应变系数， C4 为强度温度系数。

由此得到，在 T = T0 时，布里渊频移uB 与应力有如下关系:

式中,e是应力, C1 是应力的比例系数， f B (0) 是在T = T0 时，布里渊频移的大小。故只需 测出布里渊频移就可以求出所受应力大小，再通过光时域反射原理，测得发射接收时间差便
可找出受力点的大概位置。
4 系统设计
传感器工作机理如图2 所示,激光器1 发出光频为f1 的脉冲泵浦光(Pulse) 从传感光纤 的一端入纤,激光器2 发出光频为f2 的连续(CW) 探测光从光纤另一端入纤。二者在传感光 纤中产生受激布里渊效应,能量发生转移,探测光受到放大(f1 >f2 ) 或衰减(f1 <f2 ) ,若频差恰

好等于 f B 则光强变化最大。在一定范围内连续变化f1 或f2 ,传感光纤各处的布里渊频移就
能够测得,根据上式可得到光纤沿线的应力分布。
为了增加传感距离,必须避免在长距离传输时泵浦脉冲光耗尽的情况,因此实际应用多采 用布里渊损耗型传感器(能量由探测光向泵浦光转移) 。在基于损耗的BOTDA（即f1<f2）系 统中 ,空间分辨率决定于脉冲的持续时间。采用短脉冲可以提高分辨率,但同时带来两个不利
影响:一方面,如果脉冲宽度小于声子寿命,布里渊效应大大减弱;另一方面,脉冲越短,布里渊
增益谱越宽,测量精度越低。因此,该技术的空间分辨率难以达到1 m 以下。
图2 基于脉冲激光泵浦的BOTDA 传感系统结构图
激光器1发射窄脉冲（1ns）激光的波长为1550微米，激光器2发射连续光可调频率激光
除空间分辨率难以提升外，由于系统采用的是频率扫描的方法进行布里渊频移的测量，
测量时间与测量长度、扫频间隔、扫频范围和空间分辨率等有关。所以其传感速率比较低。 其传感距离有限，提高传感距离最直接的方法是增大探测脉冲光的功率，但由于空间分辨率 与脉冲宽度成反比，而且由于光纤中非线性效应的限制，脉冲光的功率不能无限增加，限制
了传感距离的提高。
优点缺点：
①光纤可以方便地进行安装，可靠性高，耐腐蚀，体积小
②对测量环境产生的干扰很小，成本较低，具有无源性和电绝缘性，可以实现对庞大和
重要结构得全方位探测，适合动态实时探测。
③但其空间分辨率只能达到1m的量级，传感时间长且易受温度影响。
参考文献：
魏 峘，盛秋琴，张 婷 《光纤应力传感技术研究》
梁 浩，张旭苹，路元刚 《基于自发布里渊散射的双路分布式光纤传感器设计与实现》
张旭苹，王峰路，元 刚 《基于布里渊效应的连续分布式光纤传感技术》
刘长华，徐亚军 《基于光时域反射法的分布式光纤应力传感器》