测力传感器设计的应力集中原则

文章摘要： 相差很小的布里渊散射光的拍频信号，输入脉冲光与本振光之间的频差也就正好可以近似等于该区域布里渊散射信号的频移。已知布里渊频移与温度、应变存在线形关系，因此通过测定脉冲光与本振光的频差，就可以得到温度或应变信息。改变本振光的频率，就可以实现沿整个光纤分布的温度/应变测量。 相干检测可以利用本振光提高信号的测量灵敏度，但需要同时使用两个光源，对两光源的相干性能也有较高要求。为了克服这个缺点，K.Shimizu[7]等人通过引入一个光移频环路实现了利用单光源对自发布里渊信号的相干自差检测，并获得满意的实验结果。不同于相干检测，英国的T.P.Newson等人利用直接检测的方法实现了分布式测量，其系统

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相差很小的布里渊散射光的拍频信号，输入脉冲光与本振光之间的频差也就正好可以近似等于该区域布里渊散射信号的频移。已知布里渊频移与温度、应变存在线形关系，因此通过测定脉冲光与本振光的频差，就可以得到温度或应变信息。改变本振光的频率，就可以实现沿整个光纤分布的温度/应变测量。

　　相干检测可以利用本振光提高信号的测量灵敏度，但需要同时使用两个光源，对两光源的相干性能也有较高要求。为了克服这个缺点，K.Shimizu[7]等人通过引入一个光移频环路实现了利用单光源对自发布里渊信号的相干自差检测，并获得满意的实验结果。

　　不同于相干检测，英国的T.P.Newson等人利用直接检测的方法实现了分布式测量，其系统主要利用光纤马赫－泽德干涉仪的滤波和鉴频特性来实现背向自发布里渊散射信号的检测。

　　在背向散射信号的耦合输出端，系统首先利用一个马赫－泽德干涉仪将微弱的布里渊信号从背向散射信号（主要是瑞利散射）中分离出来，然后通过另外一个马赫－泽德干涉仪来实现布里渊频移和强度的测量，最后通过相关的数据处理得到温度和应变信息。

　　在最近的研究中[8]，他们在15km的光纤上获得了空间分辨率为10m，温度、应变分辨力分别为4℃/290me的实验结果，并利用温度、应变和布里渊散射信号的频移、强度关系在同一光纤上实现了温度、应变的同时测量。和相干检测相比，直接检测的测量

　　灵敏度没有相干检测高，但系统结构简单，成本低，实时性好。

　　另外，T.R.Parker[9]等人通过对背向自发布里渊散射斯托克斯和反斯托克斯光谱的测量同样实现了温度、应变的同时测量，并获得了理想的实验结果。

　　2、基于布里渊光时域分析技术(BOTDA) 的分布式光纤传感技术

　　该技术最初由Horiguchi[10]等人提出。基于该技术的传感器典型结构如图2所示。处于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光（泵浦光）与一连续光（探测光）注入传感光纤，当泵浦光与探测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，在该区域就会产生布里渊放大效应（受激布里渊），两光束相互之间发生能量转移。由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系，因此，对两激光器的频率进行连续调节的同时，通过检测从光纤一端耦合出来的连续光的功率，就可确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，从而得到温度、应变信息，实现分布式测量。

　　在BOTDA中，当泵浦光的频率高于探测光的频率时，泵浦光的能量向探测光转移，这种传感方式称为布里渊增益型；当泵浦光的频率低于探测光的频率时，探测光的能量向泵浦光转移，这种传感方式成为布利渊损耗型。在光纤温度或应变分布均匀的情况下，布里渊增益型传感方式中的泵浦脉冲光随着在光纤中的传播其能量会不断的向探测光转移，在传感距离较长的情况下会出现泵浦耗尽，因此该传感方式难以实现长距离传感；而对于布里渊损耗型，能量的转移使泵浦光的能量升高，不会出现泵浦耗尽情况，从而使得传感距离大大增加。

　　在基于BOTDA的分布式光纤传感技术研究中，Horiguchi[11]等人首先利用一个DFB-LD和一个Nd:YAG激光器在波长1.32mm处实现了BOTDA的分布式应变测量，取得了空间分辨率100m、应变精度104的实验结果。此后，基于BOTDA的分布式传感技术得到广泛研究，并且扩展到了分布式温度、分布式温度/应变复合传感技术的研究。在众多研究中，X.Bao等人将BOTDA传感系统的性能大大提高，他们采用布里渊损耗的方式最终实现了长达51km、温度分辨率1℃和空间分辨率5m的传感测量[12]。另外，X.Bao、Shimizu等人在分布式温度／应变复合传感技术方面也做了大量工作并取得了理想的实验结果。在国内，重庆大学、天津大学等均有BOTDA系统的理论研究报道，但相关实验方面的报道目前还没有。和BOTDR相比，在BOTDA系统中信号的检测较容易，在世界范围内的研究投入较大一些，技术也较为成熟，但双光源的使用以及光源的两端入射使它的应用受到一定的限制。

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