微结构光纤分布式传感技术实现油井压裂监测

提出了一种使用聚酰亚胺涂敷、低羟基高纯石英玻璃微结构的散射增强型微结构光纤,用于监测和评估油井开采中水力压裂技术的过程与效果,该光纤对高温、高湿度、富氢环境有较好的耐受力。通过分布式传感系统测量了该光纤的散射增强效果,当光纤损耗为3 dB/km时,测量精度可以提高2~5倍,在实际油井压裂监测中,微结构光纤分布式传感系统数据结果显示,可以对压裂效果实现监测并进一步指导压裂和暂堵工作。     

新型微结构光纤分布式声波传感技术及应用

介绍了一种新型分布式微结构光纤及微结构光纤分布式声波传感技术.通过在普通通信光纤的纤芯采用精密光刻技术连续制备纵向微结构散射单元，形成一种新型分布式微结构光纤（distributed microstructure optical fber，DMOF）.基于这种DMOF研制的微结构光纤分布式声波传感系统（microstructure fber distributed acoustic sensor，MF-DAS），采用微结构光散射增强，MF-DAS传感信号的信噪比得到大幅提升；通过微结构光纤链路均衡，大幅度降低MF-DAS近远端传感信号差值；提出微结构光时域反射（microstructure opticaltime domain reflection，M-OTDR）时隙分插复用扩频，显著增大了分布式声波探测频响带宽.这种新型的MF-DAS系统具备高灵敏、大尺度、宽频响等优越性能，在地下及水下声波信息获取、重大基础设施内部损伤探测与外部侵害安全监测等领域具有十分广阔的应用前景.     

光纤传感中的受激布里渊散射效应

受激布里渊散射(stimulated Brillouin scattering,SBS)作为光纤中重要的非线性效应,对光纤传感系统有重要影响.在远程干涉型传感系统中,SBS增加系统相位噪声,导致传感系统探测灵敏度降低,因此研究其抑制技术十分必要.此外,SBS也是一种重要的传感手段,可用来实现分布式温度或应变测量,因而基于SBS的分布式传感技术受到广泛关注.因为基于SBS的超窄线宽激光器具有独特的性能,所以在相干传感系统中的应用前景较好.该文阐述了SBS对干涉型传感系统的影响,分析对比几种SBS抑制技术,介绍了布里渊光时域分析计的主要指标及几种提高系统性能的技术,最后介绍了超窄线宽布里渊掺铒光纤激光器的研究现状.     

微结构光纤SPR传感器进展

光纤表面等离子体共振(surface plasmon resonance, SPR)传感器是未来SPR传感技术发展和系统微型化的自然延伸,但光纤型SPR传感器无法有效解决灵敏度低以及实现多通道测量困难两大瓶颈问题.近年来,该课题组借鉴微结构光纤构建微缩集成SPR传感器的思路,对微结构光纤SPR传感器技术进行了初步探索,其目的是既提高SPR传感器探测灵敏度,同时又解决生物化学传感的多通道测量这两个关键问题.利用微结构光纤实现SPR传感器,可极大地缩小SPR系统的体积,更易于光学器件在光纤中的集成,因而具有广阔的应用前景.     

分布式光纤传感技术综述

分布式光纤传感技术是光纤传感领域的重要组成部分,传感光纤集传感与传输于一体,可实现远距离、大范围的传感与组网;可连续感知光纤传输路径上每一点的温度、应变、振动等物理参量的空间分布和变化信息,单根光纤上能获得多达数万点的传感信息。本文介绍了分布式光纤传感技术的国内外进展,重点阐述了基于瑞利后向散射和干涉式的分布式传感各自的技术优缺点。     

分布式光纤温度监测技术与应用

分析了光纤拉曼散射测温基本原理、基于光时域反射(OTDR)的定位原理和分布式光纤温度监测原理,研究开发了煤矿采空区温度分布式在线监测及发火预警系统与装备,实现了对煤矿采空区进行温度实时在线定位监测,对停采缓采存在煤炭自燃危险性的工作面,实现了采空区发火的连续、实时监测和准确定位、动态预报。介绍了分布式光纤温度监测系统及应用前景。     

分布式光纤传感技术在煤矿地质监测中的应用

煤炭一直是中国的主体能源，煤矿地质监测是煤矿安全生产的重要保障.分布式光纤传感技术具有感测点连续、高精度、抗电磁干扰、耐腐蚀等优点，在煤矿地质监测中有重要的应用.该文介绍了布里渊光时域反射（Brillouin optical time domain reflectometry，BOTDR）技术在煤矿地质监测中的应用.重点介绍了采用分布式光纤传感技术进行采空区地层变形监测的方法和结果.结果表明，分布式光纤监测技术能够满足煤矿地质监测需求，具有良好的应用前景.     

基于大规模光栅阵列光纤的分布式传感技术及应用综述

光纤布拉格光栅传感技术因其具有高灵敏度、抗电磁干扰、体积小及易复用等特性而广泛应用于恶劣环境的温度、应变及振动等物理量检测。基于在线光纤拉丝塔的大规模光栅阵列光纤制备方法的实现,突破了传统光纤光栅分布式传感技术受限于机械强度和制备工艺复杂的限制,大大拓展了其在分布式传感领域的应用。本文系统地介绍了大规模光栅阵列光纤的制备、分布式解调方法与应用进展,从大规模光栅阵列光纤的在线制备技术,以及基于该阵列光纤的分布式传感解调技术,包括准静态波长解调技术、高速波长解调技术以及增强型动态相位解调技术等,特别关注解调速度、空间分辨率、复用容量等关键技术及传感性能。同时还介绍了基于大规模光栅阵列光纤的应用包括温度、应变分布式的准静态应用领域,以及振动分布式的相位动态应用领域等,包括大型建筑、机械、航空航天、石油化工等诸多领域的安全监测、故障诊断等工程应用方面。     

分布式光纤声波传感技术研究进展

分布式光纤声波传感技术可以实现动态应变的长距离、分布式、实时定量检测,在重要场所和重大基础设施的安防监测、大型结构的健康监测、油气资源勘探等领域有广阔的应用前景.该文在对分布式光纤声波传感技术的发展历程和研究进展进行回顾和评述的基础上,重点介绍其课题组在基于相位敏感光时域反射仪的分布式光纤声波传感技术取得的研究进展,包括信号的高保真获取、参数指标提升和工程应用研究3个方面.     

分布式光纤温度传感专利技术综述

本文从专利的角度出发,对分布式光纤温度传感技术的专利申请进行了梳理,分析了分布式光纤温度传感专利技术的申请趋势和技术动态,有助于技术人员了解该技术的发展脉络、重要申请人的相关技术分布,并为该领域的检索方法提供了一些建议。     

分布式光纤测温系统在陈四楼煤矿的应用

【目的】介绍陈四楼煤矿分布式光纤测温系统的组成、原理、实施方法及应用效果。根据陈四楼煤矿井下现场状况，提出矿井分布式光纤测温的具体实施方法。【方法】该系统由光纤传感器、光纤仪表、可调谐噪声抑制装置、数据传输装置及远程服务器组成，能实现长距离、高精度、高可靠性的环境温度测量和实时在线显示，适用于煤矿井下各种精确温度测量任务。【结果】从应用范围来看，该系统可用于煤矿井下各种精确测温任务，如变电所电缆温度、机房硐室环境温度、大巷温度等。【结论】分布式光纤测温系统能有效测量煤矿井下温度，误差小。该系统结构简单，维护和使用方便，为煤矿井下光纤测温的研究提供新的解决方案。     

基于微结构光纤的温度传感器研究

对基于模间Mach-Zehnder干涉式、Michelson干涉、F-P干涉和荧光等原理的微结构光纤温度传感器开展了较为系统和深入的研究，建立了相关理论，研制出了一系列新型光纤温度传感器及其功能器件.展示了一种新型的多参量荧光光纤有源温度传感器，并建立一种新的信号处理方法；利用液体填充微结构光纤制作出的在线式、全光纤Mach-Zehnder干涉式温度传感器，敏感度达–1.83 nm/℃；利用全固态光子带隙光纤内的高阶导模来制作结构紧凑的Michelson高温传感器，传感头尺寸仅为1.03 mm；基于柚子型小纤芯微结构光纤制作了微腔F-P高温传感器，温度的灵敏度为17.7 pm/℃，测量温度达1 000℃.     

前言

正本专辑系上一期"光纤传感技术专辑(1)"的继续。本专辑共发表8篇综述长文,其中4篇分别为氢气传感器、分布式光纤声波传感技术、光纤受激布里渊散射、蓝宝石衍生光纤及传感器研究进展,另4篇属"光纤上的实验室"(lab-on-fiber),具体内容如下:光纤类氢气传感器是光纤传感器研究热点之一。在电力设备健康监控、氢能源应用、地震监测等领域均有迫切需求。《面向应用的光纤氢气传感技术》一文依照光纤类氢气传感器的类型,分别综述微镜型、干涉型、消逝场型、光纤布拉     

基于光频域反射和互相关算法的分布式振动传感系统

基于光纤中瑞利散射的特性，在光频域反射（optical frequency domain reflectometry，OFDR）系统中通过对信号进行互相关分析可以实现振动信号的分布式测量.在基于互相关算法的OFDR分布式光纤振动传感系统中，采用了重叠的移动窗对信号进行分段，并通过实验对比选取了合适的广义互相关算法的加权函数.实验表明，所提方法提高了系统的定位精度，降低了虚警率.系统的定位精度可达0.247 m，可测振动频率范围为5～50 kHz.     

基于开腔式马赫-曾德尔光纤干涉仪的高灵敏溶液浓度传感器

溶液浓度是表征溶液特性的关键参数之一，当监测和控制溶液浓度特性时，需要实时分析监测某些溶液的浓度。光纤传感器由于具有灵敏度高、结构小巧紧凑、响应速度快、抗电磁干扰及远距离实时检测等优点，广泛用于各种物理、化学以及生物测量传感。为了实现高灵敏的溶液浓度测量，通过大错位熔接技术将三段单模光纤制备成开腔式马赫-曾德尔(Mach-Zehndel, M-Z)光纤干涉仪，通过监测干涉条纹某一损耗峰的波长漂移，实现了溶液溶度高灵敏度的检测。实验结果表明，该开腔式光纤干涉型溶液浓度传感器结构小巧、可重复性高、灵敏度高，灵敏度为-25.27 nm/%。     

用于结构整体与局部健康监测的光纤超声传感器

本文提出并展示了两种光纤超声传感系统,一种是基于菲索干涉仪的结构,另一种是类萨格奈克干涉仪的结构.当系统中光纤传感器采用长跨度光纤时,可实现结构整体内部是否有微裂纹所导致超声发射的情况监测.系统中的光纤传感器部分也可以选用一段短光纤或绕成一个光纤环,从而实现单点的局部探测.文中分析了作为传感的光纤与超声的相互作用.实验上,将1 m长的光纤作为一段直线传感器和绕成光纤环形点传感器分别埋入混凝土试件中,进行了10、25和50 kH超声测量实验.结果表明,这两种光纤传感器均具无损检测的应用潜力.尤其是长尺度光纤传感器更适合于监测大尺度混凝土建筑结构的由于内部微裂纹的发生及其发展情况,对于评估结构的健康状况具有十分重要的意义.     

微结构光纤表面等离子激元共振传感器的研究

基于光纤结构的表面等离子激元共振(surface plasmon resonance,SPR)传感技术是近年来光纤传感领域的研究热点.论述了SPR传感器的工作原理、调制方式和光纤SPR传感器的理论,介绍了本课题组在该领域的研究进展,包括利用光纤和毛细管SPR传感器、图像式光纤SPR传感器、多通道光纤阵列SPR传感器、自补偿SPR传感器、智能手机SPR传感器及啁啾倾斜光纤光栅SPR传感器等,总结了基于光纤微结构的SPR传感器的研究现状,分析了需要解决的问题,并对未来的发展趋势.     

非平衡全光纤干涉仪臂长差测量方法的研究

简要分析了非平衡光纤马赫曾德干涉仪的工作原理,指出了输出干涉谱与臂长差间的联系,并用实验验证了这种关系,实测结果与预期值一致。系统测量精度20μm。该技术将有利于研制既有理想的传感分辨率,又有较高对比度的用于光纤光栅传感解调的全光纤扫描干涉仪。     

基于TS-DFT高速光谱解调的FBG温度分布检测

基于时间拉伸-色散傅里叶变换（time-stretch dispersive Fourier transformation,TS-DFT）技术实现了光纤布拉格光栅反射谱高速解调。解调系统由锁模激光器、环行器、色散补偿光纤、参考光栅、传感光栅以及数据采集和处理模块组成。实验得到了传感光栅在不同温度场下的时域映射光谱,通过与光谱仪测量光谱对比,验证了系统高速光谱解调能力,解调速率为51.2 MHz。结合光谱反演算法得到了沿光栅轴向的温度分布,空间分辨率为200μm,实现了传感光栅高速、高空间分辨率温度传感。     

蓝宝石衍生光纤及传感器研究进展

蓝宝石衍生光纤(sapphire-derived fiber,SDF)具有机械强度良好、耐高温等性能,在高温传感、分布式应力传感等方面有广阔应用前景.该文首先简要介绍了蓝宝石衍生光纤的基本特性,然后结合该课题组近几年在该方向的研究进展,对基于蓝宝石衍生光纤的布拉格光栅、法布里-珀罗腔、长周期光栅和马赫-曾德尔干涉仪进行重点讨论,分析了基于蓝宝石衍生光纤传感器的工作原理和实现方法.