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概述

分布式光纖傳感技術(shù)中，光纖既是傳感介質(zhì)，又是數(shù)據(jù)傳輸介質(zhì)，利用光波在光纖中傳輸?shù)奶匦裕裳毓饫w長(zhǎng)度方向連續(xù)進(jìn)行傳感測(cè)量，借助光波變化量來(lái)解調(diào)出環(huán)境物理參量，如溫度、應(yīng)變、壓力等，獲得被測(cè)物體空間分布狀態(tài)隨時(shí)間變化的信息。

分布式光纖傳感技術(shù)主要原理包括基于光干涉原理的傳感技術(shù)和基于瑞利、布里淵、拉曼等散射原理的傳感技術(shù)，這些技術(shù)所需的分布式光纖傳感器各不相同，本文將重點(diǎn)介紹基于瑞利散射的光頻域反射技術(shù)（OFDR）的光纖傳感器選型。

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分布式光纖傳感器

分布式光纖傳感器有不帶電、體積小、可曲繞、抗電磁干擾、靈敏度高、耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域。隨著各種分布式傳感技術(shù)的普及應(yīng)用，分布式光纖傳感器市場(chǎng)發(fā)展迅速，各式各樣的傳感器運(yùn)勢(shì)而生。

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分布式光纖傳感器組成

目前市面上常見(jiàn)的分布式光纖傳感器都是裸光纖或在裸光纖外層封裝護(hù)套、鎧裝而成的分布式光纜傳感器。如圖1（a）所示，一般裸光纖由纖芯、包層和涂覆層組成，其中纖芯和包層是由不同折射率的二氧化硅組成，纖芯折射率大于包層折射率，當(dāng)入射光滿足光在光纖中全反射角度就可以在光纖中傳播。涂覆層材料一般是丙烯酸酯，其主要作用是保護(hù)光纖不受外界損傷，同時(shí)又可以增加光纖韌性，從而延長(zhǎng)光纖使用壽命。

圖1. 光纖光纜結(jié)構(gòu)

如圖1（b）所示，分布式傳感光纜是在裸光纖外面包裹上外護(hù)套組成的，外護(hù)套的材質(zhì)多為塑料（如PE、PVC、PTFE、ETFE等），其主要作用是加強(qiáng)分布式光纖傳感器的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，在惡劣環(huán)境中更好存活下來(lái)。下表為常見(jiàn)護(hù)套材質(zhì)的性能。

表1. 各種護(hù)套材質(zhì)性能

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用于OFDR技術(shù)的分布式光纖傳感器選型

OFDR分布式光纖傳感技術(shù)解調(diào)的是光纖中瑞利散射信號(hào)，使用單模光纖作為傳感器，針對(duì)于不同的測(cè)試場(chǎng)景會(huì)選用不同類型的分布式光纖傳感器，各個(gè)類型傳感器相同點(diǎn)為其核心都為單模光纖。

1、常用于OFDR技術(shù)的單模光纖

市面上一些常見(jiàn)的單模光纖型號(hào)，如G652和G657系列光纖都可以作為OFDR技術(shù)的傳感器，兩者區(qū)別在于G657系列光纖為耐彎曲光纖，其相較于G652系列在相同彎曲半徑下有著更小的彎曲損耗。對(duì)于一些工程測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)或者復(fù)雜結(jié)構(gòu)測(cè)試，光纖傳感器在布設(shè)過(guò)程中不可避免會(huì)會(huì)產(chǎn)生一些彎曲損耗，因此對(duì)于OFDR技術(shù)選用G657系列光纖作為傳感器比G652系列光纖更具優(yōu)勢(shì)。

2、光纖涂覆層對(duì)測(cè)試影響

OFDR傳感技術(shù)是通過(guò)感知布設(shè)于結(jié)構(gòu)件上的光纖應(yīng)變來(lái)間接反演出結(jié)構(gòu)件的應(yīng)變，在實(shí)際測(cè)試中需要將分布式光纖傳感器粘貼于結(jié)構(gòu)表面或者嵌入結(jié)構(gòu)件內(nèi)部。OFDR技術(shù)測(cè)試出的應(yīng)變實(shí)際上由結(jié)構(gòu)件傳遞到光纖上的應(yīng)變，而不同材料的涂覆層帶來(lái)的應(yīng)變傳遞效果不一致，涂覆層材料的彈性模量越大，應(yīng)變傳遞效果越好。

下面鏈接是對(duì)普通光纖（丙烯酸酯涂覆層）、PI光纖（聚酰亞胺涂覆層）和裸光纖（剝掉涂覆層）三種光纖測(cè)試應(yīng)變對(duì)比，結(jié)果表明丙烯酸酯涂覆層應(yīng)變傳遞效果較差，聚酰亞胺涂覆層的傳遞效果和裸光纖相當(dāng)，因此一般用于精密結(jié)構(gòu)應(yīng)變測(cè)試可以采用PI光纖作為傳感器，即保證傳感準(zhǔn)確性有可以保護(hù)光纖不容易損壞。（不同類型光纖測(cè)量應(yīng)變對(duì)比）

3、光纜護(hù)套對(duì)測(cè)試影響

對(duì)于一些環(huán)境比較惡劣的工程現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，裸光纖由于纖細(xì)容易損壞已不適合使用，這時(shí)需要選用緊護(hù)套光纜來(lái)保證存活率。雖然緊護(hù)套光纜相較于裸光纖結(jié)構(gòu)強(qiáng)度更高，其應(yīng)變傳遞損失大于裸光纖，且隨著護(hù)套直徑增大應(yīng)變傳遞的損失越大。

緊護(hù)套光纖常規(guī)類型有：直徑0.9mm的、直徑2mm的，還有直徑更大的鎧裝光纜。通常在能保證光纖傳感器存活的條件下，建議優(yōu)先選擇直徑小的緊護(hù)套光纖作傳感器，以確保傳感效果更好。

4、光纖傳感器使用溫度范圍

光纖傳感器主要由裸光纖、涂覆層、護(hù)套組成，裸光纖的材料是二氧化硅，該材料可以在1000℃高溫下正常工作，影響光纖傳感器使用溫度范圍的因素為涂覆層材料和外護(hù)套材料的耐溫范圍。

丙烯酸酯光纖耐溫范圍為-40~80℃，可用于常溫的應(yīng)變測(cè)試；PI光纖耐溫范圍為-40~300℃，可用作應(yīng)變測(cè)試的同時(shí)又可測(cè)試300攝氏度以內(nèi)的溫度測(cè)試；鍍金光纖耐溫范圍為-70~1000℃，一般用作高溫溫度和高溫應(yīng)變測(cè)試。

5、測(cè)溫光纖和測(cè)應(yīng)變光纖區(qū)別

對(duì)于OFDR技術(shù)不管是解調(diào)應(yīng)變還是溫度，其都表現(xiàn)為解調(diào)光纖中瑞利散射頻移信號(hào)，從原理上并不能區(qū)分應(yīng)變信號(hào)和溫度信號(hào)，因此測(cè)試時(shí)需要用不同的傳感光纖來(lái)區(qū)分應(yīng)變和溫度。

對(duì)于測(cè)溫光纖一般選用松護(hù)套光纖，如圖2（a）所示，其組成為外面為0.9mm空心護(hù)套管，中心為165um的PI光纖，這樣光纖能在護(hù)套管中自由活動(dòng)，外界產(chǎn)生的應(yīng)變被外護(hù)套屏蔽，因此松護(hù)套光纖傳感器只能測(cè)試外界溫度變化量。

圖2?測(cè)溫光纖及溫度補(bǔ)償光纖

對(duì)于恒溫環(huán)境應(yīng)變測(cè)試一般裸光纖或護(hù)套光纖都能滿足需求，具體選擇哪種光纖可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景而定；對(duì)于變溫環(huán)境應(yīng)變測(cè)試需要借助與溫度補(bǔ)償光纖來(lái)進(jìn)行測(cè)試，如圖2（b）所示，溫度補(bǔ)償光纖組成為兩根光纖傳感器，其中一根為緊護(hù)套光纖，另一根為松護(hù)套光纖，緊護(hù)套光纖受溫度和應(yīng)變同時(shí)影響，松護(hù)套光纖只受溫度影響，對(duì)兩者進(jìn)行作差即可得到光纖產(chǎn)生的應(yīng)變量。

三、總結(jié)

用于OFDR技術(shù)的測(cè)溫和測(cè)應(yīng)變分布式光纖傳感器種類多樣，首先可以按照要測(cè)物理量來(lái)選擇測(cè)溫還是測(cè)應(yīng)變光纖，然后根據(jù)測(cè)試環(huán)境來(lái)選擇合適光纖傳感器確保光纖能夠存活下來(lái)，最后根據(jù)對(duì)測(cè)試結(jié)果精度需求來(lái)選擇能確保測(cè)試精度的光纖來(lái)保證測(cè)試結(jié)果準(zhǔn)確性。

編輯：黃飛

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