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分布式光纤传感器不仅具有普通光纤传感器的全部优点,如抗电磁干扰、体积小、重量轻、绝缘、耐高温、耐腐蚀等,而且可以在整个传感长度上对沿光纤分布的相关物理参量进行连续测量。分布式光纤传感技术能做到对大型基础工程设施的每一个部位像人的神经系统一样进行感知、远程监测和监控,在重大灾害和大型基础设施监测预警领域,发展分布式光纤传感技术已成为国际高科技竞争的焦点和制高点,代表了未来传感技术的发展方向。
本论文工作针对具有广泛应用前景和重要研究价值的几种分布式光纤传感技术进行了深入的实验和探索:光纤光栅准分布式传感技术、基于布里渊散射的分布式光纤传感技术和基于光纤干涉效应的传感技术。主要研究内容以及研究结果如下:
1、创新性的提出一种基于光纤光栅和光纤衰荡腔的分布式传感技术,实现光纤光栅栅区范围内的高空间分辨率准分布式传感网络。针对此技术,详细的介绍了其基本原理,并设计相应的传感系统,搭建均匀应变和非均匀应变测试平台,测试结果表明,此技术可以实现光纤光栅栅区范围内的分布式应变传感,实验空间定位精度达到2mm(理论上可以达到亚毫米量级)。在此技术结构上,还实现了级联光纤光栅准分布式传感网络,此网络中,所有级联的光纤光栅在栅区范围内均能实现分布式传感,从而在宏观结构和微小结构上实现应用光纤光栅传感网络。
2、搭建基于自发布里渊散射的分布式光纤温度和应变传感(BOTDR)系统样机。详细介绍整个BOTDR系统样机结构和信号数据处理流程,采用自研的光纤单频激光器作为种子光源;采用光学相干拍频的技术方案,研制布里渊激光器做为相干拍频本地光,实现将布里渊频移由11GHz宽带移频至400MHz;基于高速数据采集卡和Labview编写数据采集处理的系统软件。搭建温度和应变测试平台,对整个传感系统样机进行分布式温度和应变传感测试,实验结果表明:传感范围达到25km,空间分辨率达到5m,温度分辨精度为±2℃,应变分辨精度为±40με。
3、创新性的提出一种基于π相移Sagnac环结构的光纤压力传感技术,实现基于光纤萨格纳克(Sagnac)干涉仪的动态大压力传感系统。针对此技术的优势进行详细的理论分析。利用π相移Sagnac环结构进行裸光纤静态压力和动态压力的实验,实验结果与原理吻合得非常理想,结果表明基于此技术可以实现高灵敏度、高重复性和实用性强的光纤压力传感器。使用碳纤维预浸布材料进行光纤保护封装,此封装技术使得传感头的承受压力范围扩大到25吨以上,基于此封装技术进行了光纤大压力传感测量,并进行了初步的现场演示应用。相关实验结果表明此技术具有响应速度快,抗环境干扰能力强的优点,具有很好的应用潜力和前景。