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称重传感器设计的应力集中原理
发布时间:2019-03-15 05:55
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其中,基于瑞利散射和拉曼散射的研究已经成熟并逐渐变得实用。基于布里渊散射的分布式传感技术研究起步较晚,但由于其测量精度,温度和应变测量的测量范围和空间分辨率均高于其他传感技术,因此该技术得到了广泛的关注和研究。

1,布里渊分散[1]

在光纤中传播的大多数光波是向前传播的,但是由于微观空间中光纤的非晶材料的不均匀结构,一小部分光被散射。光纤中的散射过程主要有瑞利散射,拉曼散射和布里渊散射三种,它们的散射机制不同。其中,布里渊散射是由光波和在光纤中传播的声波的相互作用引起的光散射过程。在不同条件下,布里渊散射表现为自发散射和受激散射。

在注入的光功率不高的情况下,纤维材料分子的布朗运动将产生声学噪声。当该声学噪声在光纤中传播时,压力差将引起光纤材料的折射率的变化,从而自发地透射光。散射,而声波在材料中的传播将导致压力差和折射率变化是周期性的,导致散射光频率相对于透射光的多普勒频移。这种散射称为自发脊脊散射。自释放脊线散射可以通过量子物理学解释如下:泵浦光子被转换成新的低频斯托克斯光子并同时产生新的声子;同样,泵浦光子吸收声子能量被转换成新的,更高频率的反斯托克斯光子。因此,在自发脊脊散射光谱中,存在两条斯托克斯和反斯托克斯能量线,并且入射光的频移与纤维材料的声子特性直接相关。

称重传感器设计的应力集中原理

由于构成光纤的硅材料是电致伸缩材料,当高功率泵浦光在光纤中传播时,其折射率增加,引起电致伸缩效应,导致大部分透射光转换成反向透射。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,其自发光线散射光沿泵浦光的相反方向传播。当泵浦光的强度增加时,自发出的脊散射的强度增加。当它在一定程度上变大时,反向透射的斯托克斯光和泵浦光会发生干涉,产生强干涉条纹,这大大增加了光纤的局部折射率。这样,由于电致伸缩效应,产生声波,并且声波的产生激发更多的布里渊散射光,并且激发的散射光增强声波,使得相互作用产生强烈的散射,这是刺激。布里渊散射(sbs)。声波的能量相对于光波可以忽略不计,因此sbs过程可以概括为在不考虑声波的情况下将高频泵浦光的能量传递到低频斯托克斯光的过程。这种受激布里渊散射可以被视为这样一种过程,其中只有在电致伸缩材料中传播的斯托克斯光在存在泵浦光的情况下经历光增益。在受激布里渊散射中,虽然理论上存在反斯托克斯光和斯托克斯光,但它通常仅由斯托克斯光表示。2.布里渊散射的传感机制。

如前所述,光纤中的布里渊散射相对于泵浦光具有频移,这通常被称为布里渊频移。背布里渊散射的布里渊频移最大,由下式给出

其中vb-Brillouin频移,

N-纤芯的折射率,

Va声速,

L-泵浦光的波长。

对于普通的硅玻璃纤维,n=1.46,va=5945m/s,当泵浦光的波长为l=1.55mm时,布里渊频移为v11.2gz。

大量的理论和实验研究表明,布里渊频移和光纤中布里渊散射信号的功率在一定条件下与环境温度和光纤应变呈线性关系,并由下式给出:

三,布里渊散射分布式光纤传感技术的研究现状首次,horiguchi [4]和culverhouse [5]提出利用布里渊色散射频偏移特性作为分布式应变和温度传感技术。在此范围内,许多研究人员对基于布里渊散射的传感系统进行了研究,取得了可喜的成果。目前,基于布里渊散射的温度/应变传感技术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的分布式光纤传感技术(botdr)

基于botdr的分布式光纤传感系统类似于广泛用于光纤测量的光时域反射仪(otdr)。基本框图如图1所示。在otdr中,当脉冲光在光纤中传输时,瑞利散射产生的反向散射光可以在光纤的脉冲光发射端检测到,反向散射光之间的时间延迟并且脉冲光提供光纤。位置信息的测量,反向散射光的强度提供了光纤衰减的量度。在botdr中,自发出的脊背向散射取代了瑞利散射。由于布里渊散射受温度和应变的影响,因此可以通过测量布里渊散射来获得温度和应变信息。

由于脊散射信号的释放相当弱(比瑞利散射小约两个数量级),检测难度很大,因此基于botdr的分布式光纤传感技术的研究主要集中在检测布里渊信号。 Kurashima [6]等。首先采用相干检测的方法实现了自发信号信号的检测和分布温度/应变测量,在11.57km光纤上获得了100m的空间分辨率和温度/应变测量精度。实验结果为±3℃/±0.006%。具体的检测方法是在调节局部振荡光时使用可调谐激光器作为本振源和背向散射光外差(

)使其频率和输入脉冲光(

频差

落入布里渊频移

当在附近时,本地振荡器的差拍信号与布里渊散射斯托克斯光之间的频率差远小于布里渊频移,因此可以通过低通滤波器对差拍信号进行滤波。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窄得多,因此滤波器滤波的信号仅对应于本地振荡器和光纤区域的布里渊频移。

布里渊散射光的拍频具有小的差异,输入脉冲光和本地振荡光之间的频率差恰好等于该区域中布里渊散射信号的频移。众所周知,布里渊频移与温度和应变具有线性关系。因此,通过测量脉冲光和本地振荡器之间的频率差,可以获得温度或应变信息。通过改变本地振荡器的频率,可以实现沿整个光纤分布的温度/应变测量。

相干检测可以使用本地振荡器来提高信号的测量灵敏度,但是必须同时使用两个光源,并且两个光源的相干性能也更高。为了克服这个缺点,k。 Shimizu [7]等。通过引入光学频移环,利用单个光源实现了自发出脊信号的相干自差分检测,得到了满意的实验结果。

与相干检测不同,tpnewson等。英国通过直接检测实现了分布式测量。该系统主要利用光纤Mach-Zehnder干涉仪的滤波和频率鉴别特性来实现反向散射自发出脊线散射信号。检测。

在反向散射信号的耦合输出处,系统首先使用Mach-Zehnder干涉仪将弱布里渊信号与反向散射信号(主要是瑞利散射)分离,然后通过另一个Mach-Ze德国干涉仪用于测量布里渊频率移位和强度,最后通过相关数据处理获得温度和应变信息。

在最近的一项研究[8]中,他们利用频率,应变和布里渊散射信号,在15 km光纤上获得了空间分辨率为10 m,温度和应变分辨率为4°C/290°的实验结果。偏移和强度关系可同时测量同一光纤上的温度和应变。与相干检测相比,直接测量

灵敏度不如相干检测高,但系统结构简单,成本低,实时性好。

此外,t.r.parker [9]等人通过测量背散射脊散射斯托克斯和反斯托克斯光谱,实现了温度和应变的同时测量,并获得了理想的实验结果。


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