分布式光纤传感器技术：OFDR分布式光纤传感系统原理

分布式光纤传感器技术：OFDR分布式光纤传感系统原理3. OFDR优点图2 OFDR系统结构图图1 OFDR原理2. OFDR系统OFDR的系统结构如图2所示，激光器发出的光波中心波长为1550nm，通过温度控制、电流控制或压电陶瓷控制等手段可实现对激光器的频率扫描。激光器的输出光经耦合器1分成两路，一路被输入到传感光纤中，它在光纤中产生的瑞利散射光经环行器返回到耦合器2中并被探测器所接收。另一路光波作为参考光从耦合器1的另一路直接经耦合器2输入到探测器中。探测器将参考光与瑞利散射光的混频信号转换为电信号，并由频谱分析仪来进行检测。当传感光纤链路上的温度发生变化或产生应变时，瑞利散射光谱产生频移，根据温度或应变与频移值的线性关系，就可以解调出温度和应变值。

基于光频域反射原理（OFDR）的分布式光纤传感系统，通过测量光纤中瑞利散射频移量进行温度与应变的传感。OFDR与OTDR技术的定位原理不同，它是通过测量被调制的探测光产生的瑞利散射信号的频率来对散射信号进行定位的。相对于OTDR技术，它具有空间分辨率高、对探测光功率要求低等优点。

1. OFDR原理

OFDR的原理如图1所示。光源发出的线性扫描的连续光被耦合器分为两路。其中一路光波被注入到传感光纤，当它在光纤中传播时会不断产生瑞利散射信号，这些瑞利散射信号成为信号光并通过耦合器被耦合到探测器中。另一路光波经过反射后作为参考光通过耦合器同样被耦合到探测器中。

光纤中的瑞利散射产生的机理可以等效为光纤上存在无数个弱反射光纤光栅，通过光学差分测量技术定位并解调出光栅的反射光谱，通过测量光谱的频移就可以测量光纤链路的温度与应变。

图1 OFDR原理

2. OFDR系统

OFDR的系统结构如图2所示，激光器发出的光波中心波长为1550nm，通过温度控制、电流控制或压电陶瓷控制等手段可实现对激光器的频率扫描。激光器的输出光经耦合器1分成两路，一路被输入到传感光纤中，它在光纤中产生的瑞利散射光经环行器返回到耦合器2中并被探测器所接收。另一路光波作为参考光从耦合器1的另一路直接经耦合器2输入到探测器中。探测器将参考光与瑞利散射光的混频信号转换为电信号，并由频谱分析仪来进行检测。当传感光纤链路上的温度发生变化或产生应变时，瑞利散射光谱产生频移，根据温度或应变与频移值的线性关系，就可以解调出温度和应变值。

图2 OFDR系统结构图

3. OFDR优点

OFDR相对于光纤光栅技术有许多优点：

（1）在传感器的选择上更加简单广泛，用普通通信光纤就可进行温度与应变测量，无需刻栅，机械性能稳定 价格低廉；

（2）一些特殊设计的耐高温传感光纤可以使测温范围扩展到700℃甚至更高的温度环境，而传统的光纤光栅传感器在500度左右就开始退化；

（3）使用单根光纤就可以完成几十到几百米分布式测量，传感器拓扑结构结构简单，无监测盲区；

（4）测量原理先进，使用窄线宽线性可调激光器，空间分辨率最高可达1mm、测量精度可达到±0.1℃或±1微应变。

4. OFDR应用

OFDR技术提供了一种高精度、高空间分辨率的温度和应变测量解决方案。使用普通单模光纤作为传感光纤，既可以贴在待测物表面，也可以植入待测物内部，目前主流的应用领域主要有：

（1）结构件的负载、疲劳测试；如悬臂梁负载测试、机翼和发动机叶片疲劳测试等；汽车部件的测试。

（2）设计、模型仿真验证与优化，如桥梁、隧道模型等建筑结构模型应变测量，发动机性能测试等；

（3）复合材料制造和健康监测；航空复合材料性能检测；

（4）结构健康监测。如变压器运行状态监测，管道微裂纹监测，桥梁结构应变监测等。