造纸测力传感器设计的应用集中原则

　　一、前言

　　分布式光纤传感技术是基于光纤工程中广泛应用的光时域反射（OTDR）技术发展起来的一种新型传感技术，由于它具有其他传感技术所无法比拟的优点，因此成为目前传感技术研究领域的热点。从上世纪七十年代末提出到现在短短二十几年里，分布式光纤传感技术得到了很快发展，并在以下三个方面取得了突破：

　　① 基于瑞利散射的分布式光纤传感技术；

　　② 基于拉曼散射的分布式光纤传感技术；

　　③ 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术。

　　其中基于瑞利散射和拉曼散射的研究已经趋于成熟，并逐步走向实用化。基于布里渊散射的分布传感技术的研究起步较晚，但由于它在温度、应变测量上所达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率均高于其他传感技术，因此这种技术在目前得到广泛关注与研究。

　　二、光纤中的布里渊散射及其传感机理

　　1、布里渊散[1>

　　在光纤中传播的光波，其大部分是前向传播的，但由于光纤的非结晶材料在微观空间存在不均匀结构，有一小部分光会发生散射。光纤中的散射过程主要有三种：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射，它们的散射机理各不相同。其中，布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，在不同的条件下，布里渊散射又分别以自发散射和受激散射两种形式表现出来。

　　在注入光功率不高的情况下，光纤材料分子的布朗运动将产生声学噪声，当这种声学噪声在光纤中传播时，其压力差将引起光纤材料折射率的变化，从而对传输光产生自发散射作用，同时声波在材料中的传播将使压力差及折射率变化呈现周期性，导致散射光频率相对于传输光有一个多普勒频移，这种散射称为自发布里渊散射。自发布里渊散射可用量子物理学解释如下：一个泵浦光子转换成一个新的频率较低的斯托克斯光子并同时产生一个新的声子；同样地，一个泵浦光子吸收一个声子的能量转换成一个新的频率较高的反斯托克斯光子。因此在自发布里渊散射光谱中，同时存在能量相当的斯托克斯和反斯托克斯两条谱线，其相对于入射光的频移大小与光纤材料声子的特性有直接关系。

　　由于构成光纤的硅材料是一种电致伸缩材料，当大功率的泵浦光在光纤中传播时，其折射率会增加，产生电致伸缩效应，导致大部分传输光被转化为反向传输的散射光，产生受激布里渊散射。具体过程是：当泵浦光在光纤中传播时，其自发布里渊散射光沿泵浦光相反的方向传播，当泵浦光的强度增大时，自发布里渊散射的强度增加，当增大到一定程度时，反向传输的斯托克斯光和泵浦光将发生干涉作用，产生较强的干涉条纹，使光纤局部折射率大大增加。这样由于电致伸缩效应，就会产生一个声波，声波的产生激发出更多的布里渊散射光，激发出来的散射光又加强声波，如此相互作用，产生很强的散射，这就是受激布里渊散射（SBS）。相对于光波而言，声波的能量可忽略，因此在不考虑声波的情况下，这种SBS过程可以概括为频率较高的泵浦光的能量向频率低的斯托克斯光转移的过程。这样受激布里渊散射可以看成仅仅是在有泵浦光存在的情况下在电致伸缩材料中传播的斯托克斯光经历了一个光增益的过程。在受激布里渊散射中，虽然理论上反斯托克斯和斯托克斯光都存在，一般情况下只表现为斯托克斯光。

　　2、布里渊散射的传感机理。

　　如前所述，光纤中的布里渊散射相对泵浦光有一个频移，通常称此频移为布里渊频移。其中背向布里渊散射的布里渊频移最大，并由下式给出[2>： (1)

　　其中：VB—布里渊频移，

　　n—光纤纤芯折射率，

　　Va—声速，

　　l—泵浦光的波长。

　　对于普通的硅玻璃光纤，n=1.46，Va=5945m/s，当泵浦光的波长l=1.55mm时，布里渊频移VB?11.2GHz。

　　大量的理论和实验研究证明，光纤中布里渊散射信号的布里渊频移和功率与光纤所处环境温度和所承受的应变在一定条件下呈线形变化关系，并由下式给出[3>：（2）

　　（3）

　　其中，

　　三、 布里渊散射的分布式光纤传感技术研究现状

　　自从Horiguchi[4>和Culverhouse[5>等人首次分别提出利用布里渊散射频移特性作为分布式应变和温度传感以来，在世界范围内，众多研究人员展开了基于布里渊散射的传感系统的研究，取得了可喜的成绩。目前，基于布里渊散射的温度/应变传感技术的研究主要集中在三个方面：

　　（1）基于布里渊光时域反射（BOTDR）技术的分布式光纤传感技术；

　　（2）基于布里渊光时域分析（BOTDA）技术的分布式光纤传感技术。

　　（3）基于布里渊光频域分析技术（BOFDA）的分布式光纤传感技术。

　　1、基于布里渊光时域反射技术（BOTDR）的分布式光纤传感技

　　基于BOTDR的分布式光纤传感系统与在光纤测量中广泛应用的光时域反射计（OTDR）相类似，基本框图如图1所示。在OTDR中，当脉冲光在光纤中传输时，在光纤的脉冲光发送端就可以检测到由瑞利散射产生的背向散射光，背向散射光与脉冲光之间的时间延迟提供对光纤的位置信息的测量，背向散射光的强度提供对光纤的衰减的测量。在BOTDR中，背向的自发布里渊散射代替了瑞利散射，由于布里渊散射受温度和应变的影响，因此通过测量布里渊散射便可以得到温度和应变信息。

　　

　　自发布里渊散射信号相当微弱（比瑞利散射约小两个数量级），检测比较困难，因此基于BOTDR的分布式光纤传感技术的研究主要集中在布里渊信号的检测上。Kurashima[6>等人首先利用相干检测的方法实现了自发布里渊信号的检测和分布式温度／应变测量，并在11.57km的光纤上获得了空间分辨率为100m、温度／应变测量精度分别为±3℃／±0.006％的实验结果。

　　其具体检测方法是：用一个可调谐激光器作为本地振荡光源和背向散射光外差，当调节本地振荡光（ ）使其频率与输入脉冲光（ ）的频率差 落在布里渊频移 附近时，则本振光与布里渊散射斯托克斯光的拍频信号的频率差就会远远小于布里渊频移，这样用一个低通滤波器就可以将这个拍频信号滤出来。

　　由于低通滤波器的截止带宽比布里渊散射信号的线宽要窄得多，因此滤波器所滤出的信号只对应着本振光与光纤某区域布里渊频移和 相差很小的布里渊散射光的拍频信号，输入脉冲光与本振光之间的频差也就正好可以近似等于该区域布里渊散射信号的频移。已知布里渊频移与温度、应变存在线形关系，因此通过测定脉冲光与本振光的频差，就可以得到温度或应变信息。改变本振光的频率，就可以实现沿整个光纤分布的温度/应变测量。

　　相干检测可以利用本振光提高信号的测量灵敏度，但需要同时使用两个光源，对两光源的相干性能也有较高要求。为了克服这个缺点，u[7>等人通过引入一个光移频环路实现了利用单光源对自发布里渊信号的相干自差检测，并获得满意的实验结果。

　　不同于相干检测，英国的等人利用直接检测的方法实现了分布式测量，其系统主要利用光纤马赫－泽德干涉仪的滤波和鉴频特性来实现背向自发布里渊散射信号的检测。

　　在背向散射信号的耦合输出端，系统首先利用一个马赫－泽德干涉仪将微弱的布里渊信号从背向散射信号（主要是瑞利散射）中分离出来，然后通过另外一个马赫－泽德干涉仪来实现布里渊频移和强度的测量，最后通过相关的数据处理得到温度和应变信息。

　　

　　在最近的研究中[8>，他们在15km的光纤上获得了空间分辨率为10m，温度、应变分辨力分别为4℃/290me的实验结果，并利用温度、应变和布里渊散射信号的频移、强度关系在同一光纤上实现了温度、应变的同时测量。和相干检测相比，直接检测的测量

　　灵敏度没有相干检测高，但系统结构简单，成本低，实时性好。

　　另外，[9>等人通过对背向自发布里渊散射斯托克斯和反斯托克斯光谱的测量同样实现了温度、应变的同时测量，并获得了理想的实验结果。

　　2、基于布里渊光时域分析技术(BOTDA) 的分布式光纤传感技术

　　该技术最初由Horiguchi[10>等人提出。基于该技术的传感器典型结构如图2所示。处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光（泵浦光）与一连续光（探测光）注入传感光纤，当泵浦光与探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，在该区域就会产生布里渊放大效应（受激布里渊），两光束相互之间发生能量转移。由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系，因此，对两激光器的频率进行连续调节的同时，通过检测从光纤一端耦合出来的连续光的功率，就可确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，从而得到温度、应变信息，实现分布式测量。

　　在BOTDA中，当泵浦光的频率高于探测光的频率时，泵浦光的能量向探测光转移，这种传感方式称为布里渊增益型；当泵浦光的频率低于探测光的频率时，探测光的能量向泵浦光转移，这种传感方式成为布利渊损耗型。在光纤温度或应变分布均匀的情况下，布里渊增益型传感方式中的泵浦脉冲光随着在光纤中的传播其能量会不断的向探测光转移，在传感距离较长的情况下会出现泵浦耗尽，因此该传感方式难以实现长距离传感；而对于布里渊损耗型，能量的转移使泵浦光的能量升高，不会出现泵浦耗尽情况，从而使得传感距离大大增加。

　　在基于BOTDA的分布式光纤传感技术研究中，Horiguchi[11>等人首先利用一个DFB-LD和一个Nd:YAG激光器在波长1.32mm处实现了BOTDA的分布式应变测量，取得了空间分辨率100m、应变精度104的实验结果。此后，基于BOTDA的分布式传感技术得到广泛研究，并且扩展到了分布式温度、分布式温度/应变复合传感技术的研究。在众多研究中，等人将BOTDA传感系统的性能大大提高，他们采用布里渊损耗的方式最终实现了长达51km、温度分辨率1℃和空间分辨率5m的传感测量[12>。另外，、Shimizu等人在分布式温度／应变复合传感技术方面也做了大量工作并取得了理想的实验结果。在国内，重庆大学、天津大学等均有BOTDA系统的理论研究报道，但相关实验方面的报道目前还没有。和BOTDR相比，在BOTDA系统中信号的检测较容易，在世界范围内的研究投入较大一些，技术也较为成熟，但双光源的使用以及光源的两端入射使它的应用受到一定的限制。

　　3、基于布里渊光频域分析技术（BOFDA）的分布式光纤传感技术

　　基于布里渊频域分析技术（BOFDA）的分布式光纤传感技术是由德国的等人提出的一种新型的分布式光纤传感技术[13>，实验系统基本框图如图3所示。

　　和BOTDR、BOTDA相比，BOFDA同样利用布里渊频移来实现温度和应变的传感，但被测量空间定位不是传统的光时域反射法，而是通过得到传感光纤的复合基带传输函数来实现的。由于不采用光时域反射法来实现空间定位，因此传感光纤两端所注入的光为频率不同的连续光，其中探测光（ ）与泵浦光（ ）的频差 约等于传感光纤的布里渊频移。

　　为了实现传感光纤复合基带传输函数的测量，探测光首先经过频率fm可变的信号源进行幅度调制，其调制强度为注入光纤的探测光与泵浦光在光纤中相互作用的边界条件。对于每一个调制信号频率fm，在耦合器的两个耦合输出端同时检测注入光纤的探测光IS(L)和泵浦光强度IP (L,t)，这样，通过和检测器相连的网络分析仪就可以确定传感光纤的基带传输函数。

　　作为一个线性系统，通过基带传输函数便可以得到系统的冲激响应，系统的冲激响应便反映了沿光纤分布的温度/应变信息。在BOFDA系统中，系统的空间分辨率由调制信号的最大（fm，max）、最小(fm，min,)调制频率决定，传感距离由调制信号频率的变化步长（Dfm）决定。

　　基于上述原理，等人做了基于BOFDA的分布式光纤传感系统实验方面的研究，并取得了温度分辨率5℃、频率分辨率0.01%和空间分辨率3m的实验结果[13>。

　　在基于布里渊散射的分布式光纤传感技术的研究中，除了上面所论述三种主要研究技术外，还提出了其它的研究方案，如日本学者保利和夫所提出的基于相干域测量技术等。这些研究方案的提出，为分布式光纤传感技术的研究注入了活力，具有极高的学术和应用价值。

　　四、 应用与发展。

　　分布式光纤传感器具备提取大范围测量场的分布信息的能力，能够解决目前测量领域的众多难题。其中分布式光纤温度传感器可用于如大型电力变压器、高压电力网、高层建筑等大的或长的设备的温度分布测量和监控；分布式光纤应变传感器在多层建筑、桥梁、水坝、飞行器、压力容器等重大结构与设备的形变监测方面有广阔应用前景。近年来，分布式光纤传感技术在复合材料中的应用，开辟了智能化材料新领域。然而，要提供实时性、稳定性、可靠性好以及高精度的分布式传感系统，还需要多方面的研究，随着基于布里渊散射的分布式光纤传感技术研究的不断深入，这些应用要求将逐步得到实现。

　　参考文献：

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