引用本文:
王延,陈真,刘智超,等. 基于相位敏感光时域反射仪的高灵敏高频振动信号探测[J]. 光通信技术,2020,44(11):8-10.
王 延1,陈 真2,刘智超2,刘奂奂2*,庞拂飞2
(1.中国电子科技集团公司 第五十四研究所,石家庄050081; 2.上海大学 通信与信息工程学院,上海200444)
【下载PDF全文】 【下载Word】摘要:为提高对外界振动信号的探测灵敏度,设计了一种基于相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)和3D打印传感器相结合的系统,该系统中的传感器由光纤缠绕在圆柱形弹性体组成,其圆柱形弹性体由3D打印的柔性材料制备。通过对100 m处20 kHz信号的探测,证明了集成弹性体的3D打印传感器对高频振动信号的探测具有增敏效果,解调出的信号频谱的幅度提升了8倍。
关键词:相敏光时域反射仪;3D打印;振动探测;光纤传感;弹性体
中图分类号:TN252 文献标志码:A 文章编号:1002-5561(2020)11-0008-03
DOI:10.13921/j.cnki.issn1002-5561.2020.11.002
0 引言
大型土木工程结构和基础设施需要对结构健康进行监测,例如高层建筑、桥梁和核电站,尤其在发生地震、爆炸和洪水等自然或人为灾难的情况下,结构健康监测(SHM)对于大型土木工程结构的安全尤为必要。事实证明,基于光时域反射仪(OTDR)的测量技术是SHM的有效测量技术,该技术能利用分布光纤布线来连续监测长距离内沿光纤的应变和温度变化[。特别地,相敏光时域反射仪(Φ-OTDR)已被广泛用于SHM和入侵检测。在Φ-OTDR中,来自高度相干激光器的光脉冲被发射到被测光纤(FUT)中,并且光脉冲内的各个瑞利散射中心发生相干干涉,当传感器受外部干扰(例如机械振动),反射光携载了外界振动信息,因此可以通过解调,检测到瑞利散射信号来反推外界振动的变化。在Φ-OTDR中,振动的空间分辨率本质上由发射的脉冲宽度确定(例如10 ns的脉冲宽度能使最小空间分辨率达到10 m)。为了提高Φ-OTDR系统的灵敏度,可以通过利用人为引入的散射中心来增强弱瑞利散射反射(例如随机光纤光栅和弱光纤布喇格光栅阵列),但是由于采用的仍然是具有固有泊松比的传统二氧化硅光纤,导致光纤机械振动的应变敏感性受到限制;此外,由于亚纳秒级光脉冲生成方面的复杂性大大增加,进一步降低空间分辨率(例如小于1 m)似乎非常困难,这使得Φ-OTDR对于高精度的振动探测事件定位不灵敏。
4 结束语
本文设计了基于Φ-OTDR的3D打印元件传感器的系统,用于解调高频振动事件,并进行了实验验证。该3D打印光纤传感元件由缠绕有弯曲不敏感光纤的圆柱形弹性体组成,其弹性体用于增强检测外部振动引起的应变光效应的灵敏度。实验结果表明:相较于无增敏的光纤传感器,集成弹性体的3D打印传感器可实现增敏效果,所检测信号的相位变化在20 kHz时有近8倍的提高。实验结果表明:基于增敏Φ-OTDR在土木工程结构的结构破坏监测方面具有巨大潜力。