lctr11 Raman-Snsr
分布式光纤传感器
Fiber Optic Sensors
Lecture 11-12
什么是分布式传感？
?沿光纤铺设区域，连续、大规模的测量方式
BOTDR ROTDR Measurand field M(z,t)
M(z,t)
z
M(t)
I. Introductions 分布式光纤传感器的分类
?反射法(OTDR/ROTDR/BOTDR)
?偏振光时域反射法(polariztion OTDR：
POTDR)
–利用后向散射光的偏振态信息
?波长扫描法(wavelength scanning: WLS)–用白光照射保偏光纤，运用快速Fourier算
法来确定模式耦合系数的分布；
?干涉法
–各种形式的干涉装置解调干涉光路中相位
内容提要
?反射式
–基于OTDR技术和非线性效应
?ROTDR
?BOTDR
?干涉型（积分式）
FP准分布式
偏振模耦合分布传感器
*0***
1
Re ()()
22
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准分布式传感器
?波长扫描和干涉式
–传感器仍然以测点的形式存在
–主要类型
?光纤光栅
?干涉调制型的光纤F-P腔传感器
–复用技术取得突破性进展
I. Introductions 分布式传感的主要特点
?空间连续性
?光纤铺设沿线区域－被测区域
?连续测量距离～80km
?光纤本身兼备传感与信号传输
功能
?工程施工方便
?昂贵
分布式传感的研究热点与产品
?研究热点
–光纤光栅（FBG：fiber Bragg grating)
准分布式
–分布式传感系统（OTDRs：optical
time domain reflectermeters）
?ROTDRs：Raman OTDR
?BOTDRs：Brillouin OTDR
?现有产品
I. Introductions 背向散射光分析
Laser
Detector Fiber core
Distance：z
分布式传感机理（续）
?BOTDR （Brillouin OTDR): strain, temperature ?ROTDR （Raman OTDR ): temperature
BOTDR ROTDR Measurand field M(z,t)
M(z,t)
z
M(t)
Fiber
I. Introductions
背向散射光分析（续）
Incident wavelength Brillouin scattering
Raman scattering (Anti-stokes)
Raman scattering
(stokes)
Wavelength
Intensity
Drift of wavelength
Difference of intensities
I. Introductions
Rayleigh
Raman optic time domain reflectermeter
激光拉曼光谱
?散射光谱
? C.V.Raman，the Indian physicist 1930 Nobel Prize
?分子振动与转动
?用于结构分析
与红外光谱类似－吸收光谱
瑞利散射与拉曼散射
光线通过试样，透射仍为主体波长远小于粒径，小部分散射
散射：仅改变方向，波长不变。弹性碰撞无能量交换
瑞利散射λ不变垂直方向观测，原波长两侧还有散射光非弹性碰撞，有能量交换，波长有变化
拉曼散射λ变
方法原理
方法原理
样品池透过光λ不变瑞
利
散
射
λ
不
拉
曼
散
射
λ
变
λ增
大λ减
小
的拉曼光谱
4
Rayleigh scattering Stocks lines
anti-Stockes lines
的拉曼光谱4
方法原理
Stocks (斯托克斯)线：
能量减少，波长(数)变长(小)
Anti －Stocks 线：
能量增加，波长(数)变短(大)
受激虚态不稳定，很快(10-8s)跃回基态
大部分能量不变，小部分产生位移。室温时处于基态振动能级的分子很少，
A nti-stocke 线也远少于stocks 线。温度升高，反斯托克斯线增加。
拉曼位移（Raman shift）
Δν=| ν
0 –ν
s
|,
即散射光频率与激发光频之差。
Δv取决于分子振动能级的改变，所以他是特征的。
方法原理
适用于分子结构分析
与入射光波长无关