分布式光纤传感器组成及应用领域
01
概述
分布式光纤传感技术中，光纤既是传感介质，又是数据传输介质，利用光波在光纤中传输的特性，可沿光纤长度方向连续进行传感测量，借助光波变化量来解调出环境物理参量，如温度、应变、压力等，获得被测物体空间分布状态随时间变化的信息。
分布式光纤传感技术主要原理包括基于光干涉原理的传感技术和基于瑞利、布里渊、拉曼等散射原理的传感技术，这些技术所需的分布式光纤传感器各不相同，本文将重点介绍基于瑞利散射的光频域反射技术（ofdr）的光纤传感器选型。
02
分布式光纤传感器
分布式光纤传感器有不带电、体积小、可曲绕、抗电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀等优点，被广泛应用于各个领域。随着各种分布式传感技术的普及应用，分布式光纤传感器市场发展迅速，各式各样的传感器运势而生。
01
分布式光纤传感器组成
目前市面上常见的分布式光纤传感器都是裸光纤或在裸光纤外层封装护套、铠装而成的分布式光缆传感器。如图1（a）所示，一般裸光纤由纤芯、包层和涂覆层组成，其中纤芯和包层是由不同折射率的二氧化硅组成，纤芯折射率大于包层折射率，当入射光满足光在光纤中全反射角度就可以在光纤中传播。涂覆层材料一般是丙烯酸酯，其主要作用是保护光纤不受外界损伤，同时又可以增加光纤韧性，从而延长光纤使用寿命。
图1. 光纤光缆结构
如图1（b）所示，分布式传感光缆是在裸光纤外面包裹上外护套组成的，外护套的材质多为塑料（如pe、pvc、ptfe、etfe等），其主要作用是加强分布式光纤传感器的结构强度，在恶劣环境中更好存活下来。下表为常见护套材质的性能。
表1. 各种护套材质性能
02
用于ofdr技术的分布式光纤传感器选型
ofdr分布式光纤传感技术解调的是光纤中瑞利散射信号，使用单模光纤作为传感器，针对于不同的测试场景会选用不同类型的分布式光纤传感器，各个类型传感器相同点为其核心都为单模光纤。
1、常用于ofdr技术的单模光纤
市面上一些常见的单模光纤型号，如g652和g657系列光纤都可以作为ofdr技术的传感器，两者区别在于g657系列光纤为耐弯曲光纤，其相较于g652系列在相同弯曲半径下有着更小的弯曲损耗。对于一些工程测试现场或者复杂结构测试，光纤传感器在布设过程中不可避免会会产生一些弯曲损耗，因此对于ofdr技术选用g657系列光纤作为传感器比g652系列光纤更具优势。
2、光纤涂覆层对测试影响
ofdr传感技术是通过感知布设于结构件上的光纤应变来间接反演出结构件的应变，在实际测试中需要将分布式光纤传感器粘贴于结构表面或者嵌入结构件内部。ofdr技术测试出的应变实际上由结构件传递到光纤上的应变，而不同材料的涂覆层带来的应变传递效果不一致，涂覆层材料的弹性模量越大，应变传递效果越好。
下面链接是对普通光纤（丙烯酸酯涂覆层）、pi光纤（聚酰亚胺涂覆层）和裸光纤（剥掉涂覆层）三种光纤测试应变对比，结果表明丙烯酸酯涂覆层应变传递效果较差，聚酰亚胺涂覆层的传递效果和裸光纤相当，因此一般用于精密结构应变测试可以采用pi光纤作为传感器，即保证传感准确性有可以保护光纤不容易损坏。（不同类型光纤测量应变对比）
3、光缆护套对测试影响
对于一些环境比较恶劣的工程现场测试，裸光纤由于纤细容易损坏已不适合使用，这时需要选用紧护套光缆来保证存活率。虽然紧护套光缆相较于裸光纤结构强度更高，其应变传递损失大于裸光纤，且随着护套直径增大应变传递的损失越大。
紧护套光纤常规类型有：直径0.9mm的、直径2mm的，还有直径更大的铠装光缆。通常在能保证光纤传感器存活的条件下，建议优先选择直径小的紧护套光纤作传感器，以确保传感效果更好。
4、光纤传感器使用温度范围
光纤传感器主要由裸光纤、涂覆层、护套组成，裸光纤的材料是二氧化硅，该材料可以在1000℃高温下正常工作，影响光纤传感器使用温度范围的因素为涂覆层材料和外护套材料的耐温范围。
丙烯酸酯光纤耐温范围为-40~80℃，可用于常温的应变测试；pi光纤耐温范围为-40~300℃，可用作应变测试的同时又可测试300摄氏度以内的温度测试；镀金光纤耐温范围为-70~1000℃，一般用作高温温度和高温应变测试。
5、测温光纤和测应变光纤区别
对于ofdr技术不管是解调应变还是温度，其都表现为解调光纤中瑞利散射频移信号，从原理上并不能区分应变信号和温度信号，因此测试时需要用不同的传感光纤来区分应变和温度。
对于测温光纤一般选用松护套光纤，如图2（a）所示，其组成为外面为0.9mm空心护套管，中心为165um的pi光纤，这样光纤能在护套管中自由活动，外界产生的应变被外护套屏蔽，因此松护套光纤传感器只能测试外界温度变化量。
图2 测温光纤及温度补偿光纤
对于恒温环境应变测试一般裸光纤或护套光纤都能满足需求，具体选择哪种光纤可以根据实际应用场景而定；对于变温环境应变测试需要借助与温度补偿光纤来进行测试，如图2（b）所示，温度补偿光纤组成为两根光纤传感器，其中一根为紧护套光纤，另一根为松护套光纤，紧护套光纤受温度和应变同时影响，松护套光纤只受温度影响，对两者进行作差即可得到光纤产生的应变量。
三、总结
用于ofdr技术的测温和测应变分布式光纤传感器种类多样，首先可以按照要测物理量来选择测温还是测应变光纤，然后根据测试环境来选择合适光纤传感器确保光纤能够存活下来，最后根据对测试结果精度需求来选择能确保测试精度的光纤来保证测试结果准确性。
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分布式光纤传感技术主要原理包括基于光干涉原理的传感技术和基于瑞利、布里渊、拉曼等散射原理的传感技术，这些技术所需的分布式光纤传感器各不相同，本文将重点介绍基于瑞利散射的光频域反射技术（ofdr）的光纤传感器选型。
02
分布式光纤传感器
分布式光纤传感器有不带电、体积小、可曲绕、抗电磁干扰、灵敏度高、耐腐蚀等优点，被广泛应用于各个领域。随着各种分布式传感技术的普及应用，分布式光纤传感器市场发展迅速，各式各样的传感器运势而生。
01
分布式光纤传感器组成
目前市面上常见的分布式光纤传感器都是裸光纤或在裸光纤外层封装护套、铠装而成的分布式光缆传感器。如图1（a）所示，一般裸光纤由纤芯、包层和涂覆层组成，其中纤芯和包层是由不同折射率的二氧化硅组成，纤芯折射率大于包层折射率，当入射光满足光在光纤中全反射角度就可以在光纤中传播。涂覆层材料一般是丙烯酸酯，其主要作用是保护光纤不受外界损伤，同时又可以增加光纤韧性，从而延长光纤使用寿命。
图1. 光纤光缆结构
如图1（b）所示，分布式传感光缆是在裸光纤外面包裹上外护套组成的，外护套的材质多为塑料（如pe、pvc、ptfe、etfe等），其主要作用是加强分布式光纤传感器的结构强度，在恶劣环境中更好存活下来。下表为常见护套材质的性能。
表1. 各种护套材质性能
02
用于ofdr技术的分布式光纤传感器选型
ofdr分布式光纤传感技术解调的是光纤中瑞利散射信号，使用单模光纤作为传感器，针对于不同的测试场景会选用不同类型的分布式光纤传感器，各个类型传感器相同点为其核心都为单模光纤。
1、常用于ofdr技术的单模光纤
市面上一些常见的单模光纤型号，如g652和g657系列光纤都可以作为ofdr技术的传感器，两者区别在于g657系列光纤为耐弯曲光纤，其相较于g652系列在相同弯曲半径下有着更小的弯曲损耗。对于一些工程测试现场或者复杂结构测试，光纤传感器在布设过程中不可避免会会产生一些弯曲损耗，因此对于ofdr技术选用g657系列光纤作为传感器比g652系列光纤更具优势。
2、光纤涂覆层对测试影响
ofdr传感技术是通过感知布设于结构件上的光纤应变来间接反演出结构件的应变，在实际测试中需要将分布式光纤传感器粘贴于结构表面或者嵌入结构件内部。ofdr技术测试出的应变实际上由结构件传递到光纤上的应变，而不同材料的涂覆层带来的应变传递效果不一致，涂覆层材料的弹性模量越大，应变传递效果越好。
下面链接是对普通光纤（丙烯酸酯涂覆层）、pi光纤（聚酰亚胺涂覆层）和裸光纤（剥掉涂覆层）三种光纤测试应变对比，结果表明丙烯酸酯涂覆层应变传递效果较差，聚酰亚胺涂覆层的传递效果和裸光纤相当，因此一般用于精密结构应变测试可以采用pi光纤作为传感器，即保证传感准确性有可以保护光纤不容易损坏。（不同类型光纤测量应变对比）
3、光缆护套对测试影响
对于一些环境比较恶劣的工程现场测试，裸光纤由于纤细容易损坏已不适合使用，这时需要选用紧护套光缆来保证存活率。虽然紧护套光缆相较于裸光纤结构强度更高，其应变传递损失大于裸光纤，且随着护套直径增大应变传递的损失越大。
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4、光纤传感器使用温度范围
光纤传感器主要由裸光纤、涂覆层、护套组成，裸光纤的材料是二氧化硅，该材料可以在1000℃高温下正常工作，影响光纤传感器使用温度范围的因素为涂覆层材料和外护套材料的耐温范围。
丙烯酸酯光纤耐温范围为-40~80℃，可用于常温的应变测试；pi光纤耐温范围为-40~300℃，可用作应变测试的同时又可测试300摄氏度以内的温度测试；镀金光纤耐温范围为-70~1000℃，一般用作高温温度和高温应变测试。
5、测温光纤和测应变光纤区别
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对于测温光纤一般选用松护套光纤，如图2（a）所示，其组成为外面为0.9mm空心护套管，中心为165um的pi光纤，这样光纤能在护套管中自由活动，外界产生的应变被外护套屏蔽，因此松护套光纤传感器只能测试外界温度变化量。
图2 测温光纤及温度补偿光纤
对于恒温环境应变测试一般裸光纤或护套光纤都能满足需求，具体选择哪种光纤可以根据实际应用场景而定；对于变温环境应变测试需要借助与温度补偿光纤来进行测试，如图2（b）所示，温度补偿光纤组成为两根光纤传感器，其中一根为紧护套光纤，另一根为松护套光纤，紧护套光纤受温度和应变同时影响，松护套光纤只受温度影响，对两者进行作差即可得到光纤产生的应变量。
三、总结
用于ofdr技术的测温和测应变分布式光纤传感器种类多样，首先可以按照要测物理量来选择测温还是测应变光纤，然后根据测试环境来选择合适光纤传感器确保光纤能够存活下来，最后根据对测试结果精度需求来选择能确保测试精度的光纤来保证测试结果准确性。
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