文摘

评论集中在现实世界的应用提出了布里渊分布式光纤传感器。理论原则的简要概述之后,一些工作面临的两个主要技术挑战(大动态范围和更高的空间分辨率)评论道。然后一些真正的概述和球场上的应用程序就完成了。

1。介绍

光纤有常用的沟通渠道,光波传播以及运输距离。在这种情况下纤维隔绝外部扰动的布线技术。

然而,通过加强环境影响光的属性传播到波导,纤维可用于探测、监视,甚至测量外部扰动(被测变量)的积分或分布式格式(1]。

光功率给定功率阈值天桥时,非线性现象,比如可以迫使内部核心纤维布里渊散射。此外,光纤布里渊散射的光可以用来作为基础开发光学设备(如光纤激光器(2),光学过滤器(3),由于其强烈的依赖环境变量(压力和温度),它被成功地应用于分布式光纤传感器系统4]。

在这些情况下,光纤构成的介质相互作用,同时扮演分布式传感器和光学通道。这些传感器可以测量一个特定参数的改变整个光纤传感器(被测变量)。因此,动态范围(与传感器的最大纤维长度)和空间分辨率(最小连续纤维长度要求测量扰动或事件)是关键因素,其值仍是挑战(他们必须改善)。

2。背景:在单模光纤布里渊频移

一种电磁波和物质之间的相互作用可以产生材料的分子结构的变化。经典,入射光通过电致伸缩效应产生声波的波(的趋势是电致伸缩材料在电场的存在成为压缩)和诱发的材料的折射率周期性调制引起light-backscattering像布拉格光栅。这种散射光频率down-shifted由于多普勒频移与声速的光栅移动有关。从量子物理学的角度来看,当光的强度可以修改本地固体的密度,一个散射过程可能出现。在这个过程中材料吸收电磁波的能量的一部分。这种能量是用来生成一个周期性结构,而其余能源核能是一波又一波的频率较低,只要条件之间的共振光波和声子。这个过程相关的散射后被命名为“布里渊散射”莱昂布里渊是在1910年第一次理论描述。

自发光的散射主要是由热激发的介质,入射光强度成正比。另一方面,散射过程变得刺激如果介质中波动受到刺激的存在另一个强化了自发散射的电磁波。散射过程的刺激政权提供了输入光的强度值称为阈值水平以上,低于阈值的自发的政权。受激散射过程很容易观察到当光强度达到10之间的范围⁶和10⁹网站内容管理⁻²(5),能够修改材料介质的光学特性。

受激布里渊散射(SBS)可以通过使用两个光学光波。除了光脉冲,通常称为泵,连续波(CW),所谓的探测信号,用于探测光纤的布里渊频剖面(6]。刺激的布里渊散射过程发生在脉冲和连续波信号的频率差异对应的布里渊转变和提供光信号都是counter-propagating纤维。的相互作用会导致一个更大的散射效率,导致脉冲探测器信号的能量传递和一个探测器信号的放大。

单模光纤中的受激布里渊交互可以建模的三波瞬态方程泵(下标)和斯托克斯(下标)波的振幅与声波进行交互(在时间和位置沿着纤维)[7]: 在哪里是光纤折射率,真空中的光速,布里渊增益系数。声波的阻尼常数,声子的阻尼时间,的频率失谐角吗和探针之间的拍频波,泵波。传感器系统集中在测量布里渊背散射光,使信息光纤温度或压力的变化。考虑泵脉冲(长)比声子寿命和泵损耗、布里渊背散射光功率检测到接收方可以由(5,7] 在哪里的总功率发射脉冲光,光纤的衰减系数,是electooptic系数,声速,泵浦波长,材料密度,布里渊增益谱吗在这种情况下是由洛伦兹函数假设和依赖z。的参数的频率有一个峰值,是半峰全宽(应用)。此外,评论是很重要的,有一个指数布里渊功率增益之间的关系和布里渊增益谱,这是最大化价值。

根据提出的数学描述(1),布里渊散射是强烈依赖于热力学变量(8- - - - - -12]。介电常数的变化根据压力波的生成和传播的媒介。然后,布里渊转变声学声子的频率是一个函数,以及媒介结构及其成分。材料结构显然是摄动对环境温度变化或改变其密度分布;情况就是这样当纵向力或压力。这些横向或纵向力传递的缩小或扩大材料的原始大小。

布里渊频移的线性相关(应变和温度的值在公差范围)应用应变和温度变化(在一个参考温度),可以写成8,9] 在哪里是应变系数(MHz /),是温度系数(MHz /°C)和参考应变。这些值主要由纤维组成,泵波长,纤维涂料和夹克。

首次提出了布里渊散射测量温度在1989年(13),目前,它广泛用于分布式温度和应变传感,因为斯托克斯副瓣是依赖于温度和应变的。这一成功的一个原因是布里渊效应可用于长传感器(数百公里)的标准单模电信光纤,大约10 - 11 GHz因为布里渊频移在1550纳米4]。这种依赖的一个例子为一个标准单模光纤(SMF)如图1。

3所示。布里渊散射的分布式光纤传感器:快速概述

一个设备或一个系统能够检测,测量,忠实地复制一个特定的物理或化学变量(被测变量)在电域可能是公认的传感器或者一个传感器系统(1]。如果使用光在这种传感器和被测变量变化的光属性,该设备被称为光子或光学传感器。这些变化的光属性通常发生在传感器传感器的一部分。在光子传感器,光纤传感器是那些由光纤和周围的技术(1]。分布式光纤传感器能够检测和测量变量沿着光纤分布式传感器,光学行为通道。传感器纤维如图的一些示例2三纤维,在这种情况下,一个用于应变传感、温度感应,同时,另一个用于应变和温度传感、照片(照片由坎塔布里亚大学的光子工程集团)。

就像前面所提到的,布里渊散射现象强烈依赖于温度的介质,它的熵,材料密度。在大多数情况下,这些变量影响频移和布里渊谱线宽。因此,这种依赖可用于间接确定外部或内在变化的影响在中散射发生的地方。此外,布里渊转变过程可以准确(厘米)局部沿纤维,通过时间域或频率相关技术,等等。因此,在光纤布里渊散射的光可以用来作为基础开发准确的分布式光纤传感器和光学设备。在这些情况下,光纤构成的介质相互作用,同时扮演分布式传感器和光学通道。这些传感器可以测量一个特定参数的变化在整个光纤传感器在一个给定的确定性。之前讨论传感器方案和最终范围,重要的是要澄清一些关键参数的含义通常用于描述分布式光纤传感器,如空间分辨率、动态范围和距离范围。

的最小变化量的测量,测量系统,有效地检测到的决议。在一个光纤之间的最小距离被测变量的两步转换空间分辨率。最大累积单向或双向光学损失之间的联系询问机和测量,使测量在指定的性能成为可能动态范围的比例,是衡量测量范围的极端之间的区别的决议(dB)。的纤维长度测量可以在执行规定的不确定性和空间分辨率来标示距离范围。

从一般的角度布里渊传感器可分为两个主要类型:自发的布里渊传感器和受激布里渊传感器。的方法只有在启动入射光进入光纤和没有任何额外的刺激对声子代表示自发的布里渊传感配置(14- - - - - -18]。自发的布里渊散射的相干检测提供了更大的动态范围和允许同时测量温度和应变。然而,非线性效应限制了输入探测脉冲功率,布里渊信号的弱点,双向纤维损失(0.4 dB /公里)导致快速减少性能的传感范围扩展超出50公里。布里渊光时域反射计(BOTDR) [19,20.],Landau-Placzek比率[21)方法,布里渊光相关域反射计(BOCDR) [22这个分类的一部分。另一方面,受激布里渊传感器是建立在推出额外刺激措施的声子代额外的入射光,也就是说,布里渊散射增强或放大。

BOTDR是一个连贯的检测方法,它使用一个脉冲光。这光发射到产生自发的布里渊散射的光纤。如图3,落后的测量光相干接收机通过混合的散射信号与本地振荡器(19,20.]。因为背散射信号的功率很小,光纤衰减可以产生负面影响的质量测量。来弥补这个缺点一个连贯的检测是目前使用的。在布里渊光时域反射计的反散射光,这是产生的泵浦光在光纤,结合本地振荡器。然而其动态范围随纤维的长度。更多缺点这方法不能小于1米,空间分辨率的频移同时依赖于温度和纵向应变,这是必要引入电滤波消除瑞利信号。

自从布里渊频移同时是温度和压力的函数,没有办法,唯一衡量每个变量,除非可以分离的影响。尽管如此,比率瑞利和布里渊背散射光的强度(Landau-Placzek比(LPR))仅依赖于温度,也可用于从纤维无论获取分布式温度曲线的应变分布21]。标准的OTDR)技术用于确定纤维损失概要文件位置的函数,在这个从强度减去测量由BOTDR系统和强度测量光纤衰减的清理和任何形式的纤维损失。

BOCDR的布里渊转变是衡量控制连续调查和泵的干扰波在光纤内,沿纤维和位置是由扫描。这种技术可以让下面的空间范围是1米距离一公里的光纤(23]。因为BOCDR不是基于一个光脉冲,但连续波,长积分时间不需要反射信号,因此它比BOTDR更快。然而,纤维上的采样点数量有限的空间分辨率和空间范围。实验设置如图4。

BOTDA利用布里渊增益(或损失)光谱的pulsed-optical波(泵)和counter-propagating光(调查/斯托克斯),通常连续波,注入光纤;两个最频繁并方法如图5。当频率脉冲和连续光之间的区别布里渊的频率的纤维,连续通过受激布里渊散射光放大过程;即增加连续光测量作为时间的函数,与OTDR) (24)(图6)。收集信号使用BOTDA技术比瑞利后向散射功率高,例如,当他们发射了连续光功率标准纤维约0.1 mW,反向散射可以一百倍瑞利(8]。

水泵和探针信号发射到光纤的两端,以提高散射过程。因此,布里渊增益谱是描述的每个值频率不同,,是由(2)和(2 b)。影响pump-probe技术被广泛研究,如菲涅耳反射(25],电光调制效应(26,27),或脉冲形状的影响28,29日]。

BOTDA基于脉搏跳动,空间分辨率是有限的由于有限声子寿命(1米5,7]。为了克服这个限制,许多技术,包括变化的探测和处理泵(或探针)强度。在时域抽取方案,更重要的方法prepumping [30.,31日),微分脉冲宽度对(DPP-BOTDA)有或没有相移32- - - - - -35),暗脉冲(36)(这些方法,厘米甚至毫米尺度空间分辨率已经证明(37,38)),动态布里渊光栅(DBGs) (39]。

提到的方法实现目标的同时高空间和光谱分辨率多亏了声场preactivated由低强度prepump脉冲(31日- - - - - -41)或连续泵背景(42)(见图7)。甚至,当泵恢复null强度脉冲后,它与声波衰减,产生“回声”获得信号(35]。虽然部分声波衰减在脉冲持续时间,和第二个减毒反应似乎超出了声一生,分表的测量扰动的纤维可能是隐藏的。一种抑制或减弱这个背景布里渊响应的影响是基于两个布里渊增益谱的减法获得脉冲转移在不同时间或脉冲宽度34];在这个技术,脉冲的上升和下降时间定义空间分辨率(见图8)。另一个建议来克服鬼峰的出现在布里渊增益谱,使模糊的布里渊频移的决心,是写给数值校正算法应用于BOTDA测量,如基于时间痕迹的反褶积校正方法,每个跟踪的逆过滤利用纤维反应评估在共振情况下(35]或迭代数值接近,利用受激布里渊散射的分析模型在频域(43]。

BOTDA系统需要一个统一的信噪比(信噪比),以避免不均匀沿着光纤布里渊增益。因此,布里渊增益较低,在很长一段传感系统是必要的。一个妥协的低增益系统长传感光纤导致空间分辨率的增加。为了保持信噪比高和低布里渊增益,泵浦功率应该保持最小化和探针权力最大化,但低于如果调制不稳定性的影响(44]。调制不稳定性是一个过程诱导主要由振幅和相位调制部分,这是包括在BOTDA系统生成探测来自同一个相干泵源。为了避免调制不稳定性的影响,可以使用分散转移与正常色散光纤(45),通过编码脉冲(46)或一个不平衡的双重边带探测器(47]。编码技术可以降低空间分辨率,长25厘米或2米距离60公里和120公里,分别为(48,49]。另外这些技术,一个有趣的解决方案不影响信噪比的同时提高空间范围比处理技术的结合,或混合传感器,如布里渊传感与拉曼放大50)尽量减少调制不稳定性。

传统的BOTDA系统所需的测量时间的分钟(51),时间还取决于总长度范围和构成一个严重的缺点在健康监测结构进行动态检测。温度或压力的动态变化可以使用布里渊传感器通过修改传感器测量技术或系统。最简单的方法是直接测量的布里渊增益/损失信号峰值的强度和时间,允许使用BOTDA系统(52,53),这大大减少了测量时间,但它有一个阈值检测和需要高平均采样长度范围扩大。类似于这个想法是技术,使用了两个counter-propagating光脉冲固定光学频率差异;这种差异将当地布里渊频移谱距离约等于一半的布里渊增益谱线宽,那么任何vibration-induced调制当地的布里渊频移测量是一种强度变化的斯托克斯脉冲峰值强度(54];重要的变化需要设置这种技术并不检测和非周期的动态变化。另一种方法使用的布里渊增益偏振依赖避免需要扫描pump-probe频移(55]。减少测量时间,基于大量的泵的技术信号在频域梳的形式在一个复杂的基于BOTDA系统也提出了(56]。进一步这些技术,动态变化的温度或应变测量技术基于著名的异常检测方法称为RX算法来处理从BOTDA系统收集的数据(57提出了]。这种技术利用布里渊传感优点没有惩罚的复杂性和性能限制。最近的一个方法来提高测量布里渊频检测的时间提出了通过生成梳子探测器(58];这种方法使用一个任意波形发生器(AWG)在强度调制阶段。

提出Hotate [39),控制布里渊散射的BOCDA技术使用的合成光学相干函数(SOCF)。该技术涉及到连续泵波的相位调制和探针波。布里渊相互作用只发生在这两个信号的相位的位置(图是高度相关9)。水泵和探测器之间的相位差改变,位置沿光纤布里渊交互发生的变化;因此提供一种方式来扫描光纤的长度。在传统的BOTDA技术,如果脉冲的光谱宽度超过了布里渊线宽,增益谱测量扩大和恶化。尽管如此,在BOCDA如果水泵和探测器的光谱宽度的增加,解决相关技术也增加了。空间分辨率达到1.6毫米,以及改进1 kHz的采样率,和测量范围的1公里(59,60]。

BOCDA制度的一个共同的缺点是其有限的测量范围由于周期性的自然的感应位置和传感器长度短于其他Brillouin-based传感器;另外传感器要复杂得多,后处理更强烈,这可能造成不利影响的测量时间。

布里渊光频域分析(BOFDA)是基于一个复杂的传递函数的测量与counter-propagating泵和探测波的振幅沿纤维(61年]。调制的连续探测波强度与一个正弦信号的频率范围,而在泵波诱导一个强度调制。这种感应信号交替组成部分(交流分量/部分)由于counter-propagating探测波的相互作用。通过测量交流泵波分量的变化确定了布里渊频移资料通过复杂的基带传递函数。一旦确定基带传递函数,计算脉冲响应通过傅里叶反变换(传输线)函数(图10)。因此,温度或应变可以确定从沿着光纤布里渊概要62年,63年]。

最近,布里渊动态光栅的概念(中心)楼新实现偏振保持光纤(及)64年)和单模纤维(65年),由于工作原理强烈依赖于当地的双折射介质。声波产生的受激布里渊散射过程中极化是用来反映一个正交极化波(探测波)在不同光学频率的泵。图11展示了概念方案的中心,楼频率分离泵和探针之间的波的中心业务楼是由当地的双折射的纤维和位于几十在通常情况下GHz。中心作为应变和温度传感器(楼66年,67年),双折射传感器(68年)或可调延时线(69年]。中心还可以应用于增强楼一个普通的布里渊光时域分析的空间分辨率(BOTDA)系统代替的布里渊探头反射从中心(楼70年]。

4所示。一些领域重要的应用程序

分布式光纤传感结构健康监测是一个非常有吸引力的技术(SHM) [71年),因为它可以提供信息的应变和温度对部分或完整的结构和电磁噪声免疫力,在危险的环境中,与耐用性、健壮性、测量的可靠性、稳定性、良好的应变和温度灵敏度°C)、远程测量(100公里)和合适的空间分辨率(最低几厘米)多样化的结构和形状。尽管这是一个很有前途的诊断工具,它不是容易实现外部实验室,因为每个应用程序本身是一个独特的项目。每个应用程序提供了新的挑战在布里渊传感技术适应和标准,以及传感器实现,测量范围、校准和环境条件。

通常当有关分布式布里渊传感技术评论文章发表,作者总是参考实验室实现,但没有谈到现实世界技术的挑战,那就是,为什么在本节回顾一些有趣的领域应用,升值如何适应这种技术无论其工作原理。

4.1。在民用基础设施

几个例子使用的布里渊分布式传感器在桥梁等基础设施、铁路、和土地监测本节简要评论。

以下4.4.1。桥梁和监控

Near-to-surface纤维(NSF)嵌入和smart-FRP(纤维增强聚合物)传感器焊接技术已经尝试在小钢筋混凝土(RC)桥梁受到诊断负载测试(72年]。两座大桥有类似尺寸相似的环境条件下检测和测试。丙烯氰和环氧腻子,分别作为NSF焊接和封装媒体。脆弱的材料,裂纹很容易传播在NSF部分诱导一个传感光纤上的应变分布,主要集中在小裂纹边缘之间的距离。这很短梯状条件应变分布非常BOTDR设备的性能要求,自宣布精度只能获得应变步长为1米。然而,smart-FRP传感器的情况不同,遮蔽作用由于结构纤维“利差”应变峰值超过一定剪切应力传递长度。两个更大的纤维长度感兴趣的现象和平滑过渡的应变水平有助于提高smart-FRP的应变灵敏度相比与其他纤维的安装技术。从结果必须说,NSF花了28个工时上安装四个大梁,而smart-FRP只花了9工时上安装三个板。此外,作者声称,NSF安装了更有问题的过程中产生的灰尘和噪音槽切割。所有的结果驱动的结论是,这种应用程序的性能的改进,减少安装成本和时间smart-FRP系统必须被视为一个光学传感器安装在桥梁技术72年]。

Gotaalv桥(建于1939年在瑞典)严重开裂区上面列和一个小崩溃在观察一个结构元素。安全原因这座桥是连续监测不同寻常的应变变化,以及裂纹检测和定位在翻新工程。做这个任务的大型分布式光纤测量系统由Enckell et al。73年结构(图)是实现12)。

项目的目标进行了检测和本地化裂缝可能发生的由于疲劳和平庸的钢的质量;自动报告对高应变值,高应变以及温度变化值在短期和长远角度;和发送警告交通当局作为桥梁的所有者。在图13布里渊增益响应从一个光纤传感器区裂纹。测试的结果是开明的,,并讨论了在参考Enkell et al。73年]。

真正的分布式传感的一个很好的例子,基于布里渊光时域分析(BOTDA)——除了一个离散long-gauge传感、基于光纤Bragg-Gratings-was Streicker桥安装在普林斯顿大学校园建设中。传感器嵌入到混凝土施工。技术允许的测量在第一阶段水化膨胀和收缩,和混凝土后张由两个系统注册,并排放置,以便比较他们的表演。除了通常的行为,一个不寻常的增加各截面应变是由几个传感器探测到。的本质这一事件仍在调查之中,但初步研究表明早期开裂的原因。两者之间的对比监测系统显示良好的协议没有异常行为检测的领域,但有些差异是注意到在位置异常行为发生在混凝土的早期的年龄。根据作者,这些差异是由于分布式监控系统的空间分辨率和温度的影响在早期年龄74年]。

衡量一座桥的纵向应变分布采用分布式光纤传感器75年]。单模光纤连接在表面使用环氧树脂胶沿长度和两个环境、社会和治理(电动应变仪)是连接在一个位置和桥的长度,位置靠近光纤。光纤是连接到一个开发了光纤传感器系统基于布里渊光相关域分析的概念(BOCDA)。桥的纵向应变在195点,直接测量和空间分辨率为14.5厘米。负载的测量是由几个值在一段时间内保持不变(从0到50 kN),按比例增加的负载的速度从0到70 kN 0.33 kN / s。这个工作的结论是由光纤应变测量和梁的应变分布形状配合的数据环境、社会和治理(电应变仪)在测量误差范围内(75年]。

最近,一项研究分布式传感的跨度4日桥进行了模型。这项研究包括从BOTDA收集信息的数据分析,BOTDR系统;该项目是写给获得有用的数据来识别桥梁评估条件(76年]。也可以提到利用布里渊光纤分布式传感技术,应变分布(3米的空间分辨率,分辨率为15)中一座的支撑梁的跨度44.40米已成功执行(77年]。

4.1.2。Rails监控

横向应变的铁路可用于确定车轮荷载和侧向力,影响脱轨系数和轮载荷的变化速度。然而,铁路的纵向应变分布影响屈曲和骨折。测量钢轨截面的纵向应变分布实时基于布里渊光纤分布式传感器系统相关域分析(BOCD)被78年]。实验装置是由两个KS60 rails的长度3.3米系五者使用e夹子夹紧机构,一个框架添加火车负载均匀左边和右边的铁路是在中间位置,和两个垂直荷载致动器被放置在rails并通过螺栓加上一个框架。单模光纤的直径或250m在表面上用环氧树脂胶的长度2.8米,250毫米除了铁路的两端,和电动应变仪(ESG)是位于跨度铁路中心,脚表面附着在传感光纤附近。作者报告,在测试测量,每个轨道的垂直荷载增加到143 kN和维护持续10分钟。作者还声称,垂直加载弯曲的纵向应变的铁路和铁路曲率成正比,与距离线性变化截面的中性面。这一措施的空间分辨率是沿着铁路报道了3.6厘米。

2.8米的布里渊频率分布纤维(压力系数0.05 MHz /ε)出现在一个对称的形状与最大的中心位置报道了布里渊频在10.897 GHz增加大约15 MHz。此外,为了验证传感器读数,实验数据与有限元结果检查。

4.2。岩土工程结构监测

理解的轴承行为加载地锚,应力分布的测量和监视的锚肌腱是至关重要的。提供这些信息岩土工程师,小说监测地面锚使用嵌入式光纤沿锚肌腱被使用(BOTDA技术开发79年,80年]。在第一步,光学传感器集成到短肌腱使用不同的方法和实验室进行应变测试仪器的肌腱(图14)。实验室检测的评价设计和开发了一个8米长监控地锚现场应用。在2009年,这个锚已经放入墙支护基坑,随后,锚撤军进行了测试。锚是逐步加载470 kN,几乎达到其极限承载力。光学测量被成功地在每个加载步。作者报告比较数据获得的光学数据使用传统的方法,和他们声称好结果的一致性。

土工织物通常用于执行功能的分离,强化,过滤,和/或排水,他们被用来解决土木工程问题超过30年。由于土工织物的制备和光纤大大发展,如今可以结合材料来产生一个非传统光学传感器。因此,几个土工织物与嵌入式光纤已经提出和发展了光学传感(图(15日))。利用布里渊审讯技术智能结构能够监视和/或测量压力和/或温度分布2-dimentions可以开发。采用土工织物、分布式测量的关键机械变形(或土壤位移)在堤坝上几公里长度可以进行了。另外,它们通常用于堤坝加固堤坝的身体和水土流失的预防、其他可能性。

BOFDA监测系统进行了优化以适应要求堤监控:检测的机械变形(应变)空间分辨率为5米距离10公里的范围。监控系统的功能和fiber-sensors-equipped土工织物已被证明在几个安装和现场测试等堤防和水坝Solina重力坝,波兰2006年8月。一层薄薄的土层的几个10厘米到geomats安装后已经被证明是一个足够保护textile-integrated玻璃纤维电缆对重型机械和施工工作。

它还必须注意到,实验室堤在汉诺威大学(15米长),德国,应用前进行了测试。传感器安装了土工织物的堤,覆盖着一层薄薄的土层(图15 (b))。来模拟机械变形/土壤位移、起重袋是嵌入到土壤和夸大了空气压力。这引起一个打破的内斜坡堤和土壤位移(图15 (c))。土壤位移显然是发现和本地化BOFDA系统(81年- - - - - -85年]。

跨境走私通道启用无监视的运动的人或被禁止的东西(毒品、武器、等等),他们可能想对国土安全的一种威胁。为克服这一风险,挖掘的方法检测小(直径1米)隧道在粘质土壤利用布里渊光时域反射计(BOTDR),提出了一种神经网络(86年]。报告体系结构包括两个光纤布局。一个水平纤维埋浅深度低于地面,另一个在垂直纤维嵌入minipiles检测很深的隧道。在这两种配置,菌株将开发的纤维由于隧道开挖引起的土体位移。正是证明了作者提出的系统能够检测甚至小隧道,直径0.5米,深达20 m水平下纤维或10米除了minipile,如果体积损失大于0.5%。

4.3。管道监控

利用布里渊scattering-based光纤分布式技术,实时监测和早期预警系统的液体和气体管道已经成功地检查在实际安装一套广泛的场景。如图16在管道和埋在一般条款,泄漏可能是通过温度的变化上发现区(气体)或管道的波形区(液体);即光纤分布式传感器系统的transducer-cable必须放在下面的管道气体和液体泄漏检测,分别。应变/应力状态和在油井套管管道安全领域使用BOTDR监测和评估系统,如在大庆油田87年]。

盐水(饱和水和盐)是一种浪费的产品来自采矿技术,为储气库在很大的岩盐建造地下洞穴的形成。这盐水必须通过管道运输的安全处理或回注入到地下。因为盐水可以对环境有害,管道小泄漏检测是一个强制性的要求。在这种情况下,任何改变在当地温度显示盐水泄漏的管道部分。作为这个问题的一个例子,一个分布式温度传感系统集成在盐水管道放置在柏林在德国的面积。盐水是地下洞室的抽出和注入管道的温度35°C到40°C。在正常流量温度梯度沿整个管道长度是8°C。由于管道埋在大约2到3米的深度,季节性温度变化非常小,平均土壤温度测量在5°C。由于大量温度升高有关任何管道泄漏甚至在非常小的情况下泄漏(88年]。

离岸北极条件是一种挑战水下管道的安全运行受到海底冰刨,冻土解冻,点心冲刷,和渠道迁移。纤维optic-based分布式温度监测系统中的应用进行了监控管道操作条件在北极管道(89年]。视觉检测是不可能的,实时温度监控通过光纤沿管道路线可以提供早期预警的侵蚀事件的发展,海底管道绝缘破坏,土壤的修改。为了监控两个离岸管道在阿拉斯加的波弗特海油田分布式温度传感器监测系统实施。管道安装的一部分在波弗特海Oooguruk油田的发展。它由8公里埋海底流程线运输生产的液体从离岸砾石岛/钻井工地一个在岸地面管道运行现有的传输管道。总共14公里的连续监控管道距离光纤通信电缆管道内安装包。监控系统被证明满足监控性能检测温度事件发生在只有一个表,如泄漏和侵蚀事件。系统已经能够映射海底管道沿线温度资料和准确跟踪温度远足时发生之前字段验证数据和管道操作期间启动。永久监测系统运行与一个活跃的泄漏检测系统,不断根据当地温度变化的检测(89年]。

4.4。一些材料和结构监测情况

布里渊分布式传感的应用程序包括各种各样的结构,如竞争游艇或实验车辆。车架结构如碳纤维增强塑料(CFRP)检测了这种光纤分布式技术测量和监测应变和温度在制造业和在职的结构性能和它的刚度(90年]。传感技术是嵌入在一些国际美洲杯类(IACC)的游艇(阿修罗和Idaten)。游艇配有使用布里渊散射光纤分布式传感器监测游艇的纵向和横向压力评估结构的刚度在2000年美洲杯(在新西兰奥克兰举行)。另一个单体横造结构是一个全面的模型建立一个原型展示日本的可行性实验再入飞行器,即HOPE-X(天轨道Plane-Experimental)。相同类型的传感器,用于国际游艇和一个传感器使用拉曼散射被用于制造过程中应变和温度测量和结构应变测量的测试。

另一个Brillouin-based系统应用的空间分辨率10厘米是用于分布式应变测量代表碳纤维增强塑料(CFRP)加筋板制造的真空辅助树脂传递模塑法(VARTM)。应变变化诱导在生产过程和影响测试是全面介绍和讨论。碳纤维增强塑料(CFRP)被用于几乎所有的现代商用飞机主要结构材料,但它仍然是难以精确制造cocured大型碳纤维增强塑料结构和操作期间确保其结构完整性。因此迫切需要开发创新技术来监控复合结构的内部状态和利用获得的数据来改善结构设计,加工技术和维护方法。结合所有的信息通过光纤网络,可以准确的结构健康评估(91年]。

蜂窝夹层结构整体结构组成的两个薄facesheets和一个轻量级的蜂窝芯材。被广泛应用于飞机结构由于其优异的力学性能。然而,轻量级结构吸收大量的水在服务。随着时间的推移,裂缝形式facesheets和粘合剂层的机械和热负荷,造成泄漏路径从蜂窝芯材的表面。然后,通过路径和水进入核心在蜂窝结构的细胞积累。机械恶化的蜂窝芯材分层等核心的面板可以引发积水。这个问题可以发现测量非均匀温度分布引起的蜂窝芯材的细胞里的水。使用这一原则和布里渊分布式光纤系统大型结构的积水监测是有效地检测到92年]。

在大型交流发电机,迷彩服在电气绝缘和机械部件可能导致恶化的定子线圈紧张,引发一场失败。此外,交流发电机的安装过程中,玻璃纤维的涟漪春天,这是位于定子楔下方,必须足够压缩将持平或近平,以确保最大的紧张,以补偿定子线圈绝缘地上长蠕变的主要因素在定子线圈松动导致“槽重击”。使用DPP-BOTDA这变形测量93年]。传感光纤粘在玻璃纤维平板,这是受到一个周期从玻璃纤维波纹弹簧侧向力,因此一个周期性变形的特征。测量平板的纵向应变引起的波纹弹簧的压缩与布里渊执行技术。平板的形状是根据strain-displacement重建关系。分布的侧向位移的测量平板与不同时期的3和3.25厘米是报告的作者最大位移为0.43毫米,最小可测量的位移40米(93年]。

钢铁腐蚀已成为一个严重的问题在世界范围内,特别是结构暴露于积极的环境。当发生腐蚀,钢筋的体积将日益扩大由于生锈产品在钢筋表面的积累。利用这个原理,纤维BOTDA传感技术实现监控钢钢钢筋混凝土结构中钢筋腐蚀膨胀(94年]。这种光纤绕线布里渊腐蚀膨胀与不同的光纤传感器线圈绕组包装方案是嵌入到混凝土标本监控膨胀应变引起的钢筋腐蚀。正是证明了作者膨胀应变沿光纤线圈绕组区域可以使用这种类型的检测和测量传感器在腐蚀的发展。三种不同类型的传感器是由绕组作者在抛光钢筋预张光纤线圈(图17)。光纤将会被拉伸时由于腐蚀钢筋的体积膨胀,因此张力应变变化的光纤线圈腐蚀区域可以使用BOTDA分析仪监控。

第一种传感器提供了一个高灵敏度能够检测信号的钢铁腐蚀过程的开始。第二种传感器提供了一个相对与第一个相比低灵敏度;然而,最大的扩张5690大的监控范围补偿这使它适合应用于树脂的腐蚀情况。最后,第三种传感器显示最低的敏感性,但最大的监控范围(6738)的三个人。它可以执行钢腐蚀监测那里可能存在一个极其腐蚀环境。

5。摘要和结论

布里渊散射分布式光纤传感器系统可以成功地用于开发。在这些光纤传感方法工作,同时,作为传感器和通道。温度和/或应变布里渊散射的依赖与时间、频率、极化,和其他人的审讯手段,用来衡量特定参数(被测变量)的变化沿整个光纤传感器与给定的空间分辨率。因此,空间分辨率(最小所需纤维长度测量连续两个扰动或事件)和动态范围(最大的纤维长度传感器)是这类传感器的关键因素。

自发的和受激布里渊散射效应可用于开发分布式光纤传感器。前散射只启动一个入射光进入光纤,没有任何额外的光刺激。受激布里渊声子代传感器需要额外的刺激。刺激过程可以得到额外的反传播光。

布里渊分布式光纤传感器结构健康监测系统是有用的,因为他们可以提供相关信息的结构完整性结构,即使是那些在危险环境中工作。一些最有趣的应用在民用建筑和智能材料的简要介绍。民用建筑,桥梁SHM (Gotaalv桥,1939年在瑞典,Streicker桥普林斯顿大学校园,等等),rails,岩土工程,管道结构和监测病例所提到的,以及分布式布里渊传感应用等复合材料碳纤维增强塑料(CFRP)或蜂窝sandwich-based结构。主要问题特别是结构暴露于激进的环境如疲劳的测量电绝缘体,机械部件和钢铁腐蚀简要评论。

确认

这项工作已经被西班牙tec2010支持项目- 20224 - co2 - 02。作者承认Hany Shokry协作。