光電檢測(cè)論文.doc

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1、新型分布式光纖傳感器研究1引言入射光與介質(zhì)中的微觀粒子發(fā)生彈性碰撞時(shí)將引起瑞利散射，且其散射光具有頻率以及在散射點(diǎn)的偏振方向均與入射光相同的特點(diǎn)，因此散射光包含了光纖散射點(diǎn)的偏振信息?；谶@個(gè)物理規(guī)律，1980年，Rogers提出了偏振光時(shí)域反射技術(shù)(POT-DR)的思想，該技術(shù)是在光時(shí)域反射計(jì)(OTDR)和偏振態(tài)調(diào)制型光纖傳感器的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，其基本原理如圖1所示。由激光器發(fā)出的脈沖光經(jīng)過偏振器變成一束線偏振光，再把線偏振光耦合進(jìn)光纖;當(dāng)外界環(huán)境改變時(shí)，光纖中光的偏振態(tài)將發(fā)生變化。同時(shí)，由于光脈沖在光纖中傳輸時(shí)發(fā)生瑞利后向散射，因此通過探測(cè)器探測(cè)后向散

2、射光偏振態(tài)的變化，便可以得到光纖中偏振態(tài)變化的時(shí)間和空間分布。其中偏振器放在A，B的位置均可，若放在A處，則探測(cè)器直接檢測(cè)光偏振態(tài)變化的信息;若放在B處，則探測(cè)器接收由偏振態(tài)引起的光強(qiáng)變化的信息。圖1POTDR基本原理同OTDR相比，POTDR要求激光脈沖的相干性很強(qiáng)，而且偏振態(tài)調(diào)制光纖傳感器要求有較高靈敏度的檢測(cè)裝置。自POTDR技術(shù)提出后的30年以來，許多研究人員根據(jù)研究的需要提出了各種POT-DR的測(cè)量方案，例如Ellison等人1998年提出的采用旋轉(zhuǎn)波片和起偏器的偏振敏感的光時(shí)域反射技術(shù)，MarcWuliPart等人2001年提出的采用旋轉(zhuǎn)起偏器的偏振敏感的

3、光時(shí)域反射技術(shù)，Sjatalin和Rogers提出采用計(jì)算機(jī)的偏振敏感的光時(shí)域反射技術(shù)。盡管所提出的這些結(jié)構(gòu)不同，但其基本原理都是基于偏振態(tài)的光纖時(shí)域反射技術(shù)。目前，國(guó)內(nèi)電子科技大學(xué)、北京交通大學(xué)等高校對(duì)POTDR的機(jī)理、信號(hào)處理方法與采集、測(cè)試準(zhǔn)確度等方面做了一定的研究，也取得了一定的成果。利用POTDR技術(shù)成功分析了光纖中雙折射、拍長(zhǎng)、偏振相關(guān)損耗后，國(guó)外對(duì)POTDR的研究目前主要集中在機(jī)理和偏振模色散等領(lǐng)域，并利用POTDR對(duì)光線的偏振模的研究變得越來越多，也取得了一定的研究成果，但很少有探測(cè)方面的實(shí)際系統(tǒng)及具體分析報(bào)道。2.不同調(diào)制原理的POTDR光纖傳感器磁

4、場(chǎng)、電場(chǎng)、壓力、振動(dòng)、加速度和溫度等物理量都能對(duì)在光纖中傳播的光的偏振態(tài)進(jìn)行調(diào)制。最為典型的偏振態(tài)調(diào)制效應(yīng)有電光效應(yīng)、Faraday效應(yīng)以及彈光效應(yīng)。Rogers最早指出了POTDR方法在磁場(chǎng)(通過Faraday效應(yīng))、電場(chǎng)(通過Kerr效應(yīng))、外部壓力(通過彈光效應(yīng))和溫度(通過彈光效應(yīng))等物理量的分布測(cè)試中的潛在應(yīng)用價(jià)值。2.1電流傳感器在電力系統(tǒng)中，由于計(jì)量和繼電保護(hù)的需要，對(duì)高壓輸電線路中的電流進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)是必須的。與普通電流傳感器相比，光纖電流傳感器的絕緣性能好，體積小，成本低，并且頻帶寬，響應(yīng)時(shí)間短，可同時(shí)用于測(cè)量直流、交流及脈沖大電流，因此有望成為在高壓

5、情況下測(cè)量大電流的理想傳感器?；赑OTDR的光纖電流傳感器是利用磁光材料的Fara-day效應(yīng)。在光學(xué)各向同性的透明介質(zhì)中，外加磁場(chǎng)可以使在介質(zhì)中沿磁場(chǎng)方向傳播的線偏振光的偏振面發(fā)生旋轉(zhuǎn)。根據(jù)Faraday效應(yīng)，將單模光纖以半徑R繞在高壓載流線圈上，由電流i所形成的頻率為w的磁場(chǎng)H=i/(2πR)，會(huì)引起在其中的長(zhǎng)度為L(zhǎng)的光纖中線偏振光的偏振面發(fā)生偏轉(zhuǎn)。通過檢測(cè)偏轉(zhuǎn)角度θ的大小，就可得到相應(yīng)的磁場(chǎng)值，從而測(cè)量出產(chǎn)生該磁場(chǎng)的電流值。在基于Faraday旋光效應(yīng)調(diào)制的POTDR光纖電流傳感器中，瑞利后向散射產(chǎn)生的線偏振光偏振面的偏轉(zhuǎn)角度θ可由式(1)確定:(1)其中，V

6、為費(fèi)爾德常數(shù)。基于POTDR的光纖電流傳感器的測(cè)量原理如圖2所示，由激光器發(fā)出的光脈沖經(jīng)顯微物鏡1耦合到偏振片，變成線偏振光，再經(jīng)顯微物鏡2耦合進(jìn)入單模被測(cè)光纖。單模光纖受外界磁場(chǎng)影響，光纖中線偏振光的偏振態(tài)將發(fā)生改變，同時(shí)散射光具有散射點(diǎn)的偏振信息。通過模消除器，分離出后向散射光，由聚焦物鏡耦合到探測(cè)器，再經(jīng)信號(hào)處理后輸出光強(qiáng)為:(2)其中，是一個(gè)常數(shù);為磁場(chǎng)的振幅。圖2POTDR光纖電流傳感器原理基于Faraday效應(yīng)工作的光纖電流測(cè)量系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、測(cè)量范圍大、靈敏度高、與高壓線不接觸、可以實(shí)現(xiàn)無中斷檢測(cè)、輸入輸出間絕緣等諸多優(yōu)點(diǎn)，是現(xiàn)代電流測(cè)量研究的熱點(diǎn)之一

7、，具有廣泛的發(fā)展前景?，F(xiàn)對(duì)于該類型傳感器的主要問題是如何消除線形雙折射、振動(dòng)、環(huán)境溫度等的影響，由于這些問題的復(fù)雜性，實(shí)用化商品仍很少見。2.2電壓傳感器光纖電壓傳感器主要用于電力系統(tǒng)供電網(wǎng)電壓檢測(cè)，用具有Pockels效應(yīng)的晶體做成傳感頭，利用光纖完成信號(hào)的傳輸并形成系統(tǒng)。由于光纖自身的優(yōu)點(diǎn)，光纖電壓傳感器越來越受到人們的關(guān)注。外加電場(chǎng)的作用引起材料折射率變化的效應(yīng)，稱為電光效應(yīng)，它包括Pockels效應(yīng)和Kerr效應(yīng)兩種。折射率變化與外加電場(chǎng)強(qiáng)度的一次方成正比時(shí)稱為Pockels效應(yīng)或線性電光效應(yīng);折射率變化與外加電場(chǎng)強(qiáng)度的二次方成正比時(shí)稱為Ke