光纤检测技术在工程中的应用.ppt

光纤感应检测技术在工程中的应用 1.概述 光纤检测技术是20世纪70年代末发展起来的一门新技术,它是利用外界因素使光在光纤中传播时光强、相位、偏振态以及波长(或频率)等特征参量发生变化,从而对外界因素进行检测和信号传输的技术称为光纤检测技术。 光纤传感器的特点 光纤传感器用光而不用电作为敏感信息的载体,用光纤而不用金属导线作为传递敏感信息的媒介,具有径细、柔韧、体积小、质量小、灵敏度高、响应速度快、抗电磁干扰能力强、超高电绝缘、能耗小、造价低廉、便于实现分布式和准分布式检测、集信息传输和传感于一体等特点,还有宽频带和高数据传输率及耐高温、抗腐蚀等优良特性。 可应用于压力、温度、位移、振动、应变、加速度、电压、电流、磁场、流量、浓度、pH值等各种量的测量。 光纤检测技术的基本原理 根据几何光学原理，当光线以角度θ0(与光纤轴线的交角)从折射率为n0的空气中射入纤芯，并以法线角θ1射到纤芯一包层界面上，如果θ1大于全反射临界角度θc,则每次全反射后，子午光线就按照通过波导轴线的锯齿形路径沿光纤纤芯行进，如图1所示。根据Snell定律，能使子午光线发生全反射的最小角度θc满足 Sinθc=n2-/n1 式中n1，n2:分别为纤芯和包层的折射率 小于θc的角度射入纤芯-包层界面的光线将折射出纤芯而在包层中传播或逸出光纤之外而散失。 当把光纤传感器埋入材料或者结构物当中时,外界待测量的压力、温度等作用于光纤引起光纤几何参量或物理参量变化,对在光纤中传播的光波的特征参量(如强度、频率、相位、偏振等)产生调制,通过对调制光的检测,便能感知外界的信息,从而实现对各种物理量的测量。 2.光纤检测技术应用现状 目前，应用在国内外岩土工程领域的光纤检测技术由其所应用的光纤传感器的原理主要分为以下几种类型 将通信用光纤直接或外加某种保护后埋入待测体中 布拉格光栅技术 OTDR技术 布里渊散射光时域分析法（BOTDA） 利用偏振保持光纤 基于光的干涉原理的 F-P 传感器 光纤光栅技术 因为 Bragg 光栅本身对特定波长的光有反射。当外部应力或应变使 Bragg 光栅的光栅周期发生改变时,其所反射的波长也相应改变。利用光纤光栅解调仪测量反射波长的改变,再通过计算得到相应的应变(或应力)。 λB和ΔλB分别是反射光的初始中心波长和中心波长的漂移量;Δε和ΔT分别是光纤所受的应变、温度变化量; 光纤光栅技术特点 光纤光栅的制造、解调技术日趋成熟,使得光纤光栅成为光纤监测领域最为活跃的新生力量 光纤光栅的特殊制作工艺导致其在粗放型的工程环境中极易损坏，需要进行全面保护性封装 光纤光栅对应变、温度都极为敏感,在进行长期监测时两者的交叉效应不能忽略 光纤光栅的技术检测精度高，可集成性高，数据采集频率高 光纤光栅技术 布里渊散射光时域分析法（BOTDA） 布里渊散射是光波与声频声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程,其后向散射光频率相对于入射光有一个频率偏移，称为布里渊频移。当光纤受力或温度变化时,布里渊频移将发生相应的线形变化,利用布里渊光时域反射计(BOTDR)对光信号解调即可测出相应的应力或温度变化。 式中:Y B(ε,T)和Y B(ε 0,T 0)分别为测试前后光纤中布里渊散射光的频移量;ε和ε 0分别为测试前后的轴向应变值;T和T 0分别为测试前后的温度值; 布里渊散射光时域分析法（BOTDA）特点 它是一种完全分布式的应变、温度监测技术,光纤本身集传感、传输于一体,易于实现网状监测。该技术的布设工艺相对简单,只需将传感光纤按照一定的规律敷设在边坡体表面或埋入支护体系中。由于传感光纤为普通单模光纤(或光缆),监测成本可以得到较好的控制。 该技术基于光纤的双端解调,因此现场布线时必须做好防止光纤断裂的保护工作,或者采取预设后备光纤的措施 在数据解调方面,由于每次测试需要一定的频谱扫描时间(通常为几秒到几分钟之间),因此无法实现高频数据采集; Fabry- Perot光纤传感器的传感技术 Fabry- Perot传感器是以干涉测量法为测量原理。使用的是宽频白光光源。传感器内部包含两个面对面的半反射镜,两镜之间的间隙被称为F- P腔长度(Lc),两单独焊点之间的距离为仪器长度(Lg),它