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10.7 分布式光纤传感器图10-59为基于Sagnac光纤干涉仪原理的管道流体泄漏检测定位系统，由光源、Sagnac光纤环、探测器和信号处理等部分组成。将Sagnac光纤环布置在管线内，沿管线屏蔽和隔离光纤环中的一半，而将对称的另一半当做传感元件。当管道发生泄漏时所产生的泄漏噪声会对泄漏点R处的光纤产生扰动，光纤的长度、纤芯的直径和折射率都将发生变化，从而引起光纤环中两束相向传输的两束光CW和CCW的相位在该点处发生变化，两束光相位差的大小与泄漏点位置、泄漏噪声引起光波相位变化速率成比例，利用信号的宽频特性从两束光的相位变化频谱中分析出泄漏发生的位置。上一页下一页返回10.7 分布式光纤传感器设光纤总长度为L，泄漏点R距光纤一端的距离为L1。光波沿光纤环传播一周延迟时间τ为τ=Ln/c，其中n为光纤芯的折射率。光纤环内两束相向传播的CW和CCW光波从泄漏点传播到端点所产生的延迟时间差τd为τd=n(L-2L1)/c。由此可以导出上一页下一页返回10.7 分布式光纤传感器由（10-42）式可以看出，泄漏点的位置R与两光波的延迟时间差τd成正比。管道出现泄漏时，光纤就受到外界的扰动作用，沿顺、逆时针传播的两束光被调制。由Sagnac光纤干涉仪输出的两束光干涉基频分量V0变为上一页下一页返回10.7 分布式光纤传感器式中，k为常数；Δ为相位差；J1(ξ)为一类一阶贝塞耳函数；ξ=2sin（πfmτd），其中，fm为调制频率；φ为调制幅度。由于（10-43）式可得到输出基频信号与泄漏位置之间的关系如图10-60所示。当基频信号输出为最大值或零值时，调制频率fm与泄漏位置L1之间的关系为上一页下一页返回10.7 分布式光纤传感器式中，N为整数。N为奇数时，基频信号输出为最大值；N为偶数时，基频信号输出为零值。对于总长度L=5km的光纤环，纤芯折射率，n=1.5，当泄漏出现在L1=0处，输出信号第一个最大值对应的为20kHz，第一个零值所对应的为40kHz；当泄漏出现在L1=200m处，输出信号第一零值对应的为41.67kHz。从泄漏位置L1与输出信号第一个零值对应的fm的关系式可以看出，随着L1值的增大定位的分辨率就越高。当L1=1000m时第一个零值对应的fm为62.5kHz，平均分辨率为22.5Hz/m，假设测量频率的不确定度为±20Hz时，则对应的测量定位不确定度为±0.9m。上一页返回图10-1 光纤传感器基本工作原理返回图10-2 传光型光纤传感器返回图10-3 传感型光纤传感器返回图10-4 透射式光纤相对位移型光强调制示意图返回图10-5 透射式光束位移型光强调制示意图返回10.5 光波长调制型光纤传感器也可设置一个参数与传感FBG完全相同的参考FBG，通过调谐参考光栅的布拉格λB长追踪传感FBG的中心波长，直至两光纤光栅的中心波长相等时产生强输出，则参考FBG的中心波长值即为测得值，如图10-44所示。这种方法可检测静态波长偏移及低于100MHz的动态波长偏移，测量分辨率较高。3.光学滤波法光学滤波解调法的基本原理是，在光纤光栅的输出光路中安置滤光器，析出与被测量相应的波长偏移，有线性滤波法、非平衡M-Z干涉法和可调谐光纤F-P滤波法。可调谐光纤F-P滤波法的原理如图10-45所示。FBG的Bragg反射光经3dB耦合器注入可调谐光纤F-P滤光器(FPF)，锯齿波电压加在FPF上使其在光纤光栅特征波长附近扫描，FPF过零点输出的波长即为光纤光栅特征波长λB。可调谐F-P滤波法可以用于绝对测量和相对测量，也可用于动态和静态测量。上一页下一页返回10.5 光波长调制型光纤传感器10.5.3光纤光栅传感器如上所述，光纤光栅是一种波长选择反射器，反射信号的波长λB会受施于光纤上的温度和应变的影响而发生变化，这种变化称之为波长位移。采用光纤光栅的温度和应变两种效应，即光纤光栅作敏感元件，可以传感其他许多物理量，如图10-46所示，光纤光栅在传感技术中应用前景十分广泛，尤其是利用应变敏感性可间接测量的物理量很多。上一页下一页返回10.5 光波长调制型光纤传感器一、光栅光纤传感器结构光栅光纤传感器的典型结构如图10-47所示。图中光源为宽谱光源，且有足够大的功率，以保证光栅反射信号良好的信噪比，一般可选用ELED。ELED耦合进单模光纤的光功率至少为5～10μW。此功率电平为光纤光栅解调系统所要求的下限值。光源的波长可选用850nm、1300nm、1550nm。被测温度或压力