了解选择用于传感的光纤电缆的关键因素将确保最可靠和易于维护的系统，减少维护操作。
由Jean Baptiste Gay，项目经理，费舍尔连接器
光纤电缆是长距离传输大量数据的理想解决方案。然而，光纤也可以用来收集有关环境的信息。光进入光纤的物理特性会受到应变、温度或声音的影响。有几种技术可以实现沿光纤的局部测量点或分布式测量点。这些技术依赖于光与光纤核心物质的波特性和量子相互作用。
我们可以区分两种类型的感知:
1.当地计量点
•传感器沿光纤定位在选定的测量点
典型:- FBG(光纤布拉格光栅)
2.分布式传感
•光纤本身就是传感器，传感过程贯穿整个光纤
•典型:瑞利、布里渊和拉曼
当地计量点
图1:光纤布拉格传感器或FBG(光纤布拉格光栅)的工作原理
通过使用光纤布拉格传感器(或FBG为光纤布拉格光栅)来实现对光纤的局部测量。该技术是基于沿光纤芯的小(~ 5mm)激光诱导不连续阵列(图1)，在特定波长处进行有意义的干扰，然后作为调节该特定波长的镜子。
该系统使用可调谐激光扫描光谱范围，同时检查反射光。精确的反射波长通过光谱仪测量并存储为初始值。当对纤维施加应变时，纤维会根据其弹性特性进行拉伸。这将导致FBG在不连续点之间改变步长(图2中的“L”)。因此，相关的反射波长将被移动，它的测量将被用来量化应变。如果纤维与材料机械连接，应变信息将被测量。如果纤维没有机械连接到材料上，FBG将作为一个简单的温度传感器(因为纤维的伸长只会由热膨胀引起)。
图2:未拉伸和拉伸FBG。当对纤维施加应变时，纤维会根据其弹性特性进行拉伸，使其在不连续点之间改变步长。
为了使光纤光栅工作，必须使用单模光纤。由于信息包含在FBG反射的光中，因此在使用该技术时，对超低返回损耗的要求是一个普遍关注的问题。
分布式传感
分布式传感与光纤光栅传感不同，它使用整个光纤作为传感器。为了使系统工作，不需要对标准电信光纤进行特殊修改。它是基于光沿着光纤的物理相互作用。
光后向散射是驱动分布式传感测量的主要物理相互作用。当光子遇到光纤芯内的杂质时，就会发生后向散射。这将导致光按照光源的方向向后发送到光纤中(图3)。
图3:光后向散射
这些小杂质沿纤维均匀分布，因此当在纤维的某一位置施加不连续(外界因应变、温度、振动等引起的)时，杂质密度就被修改了。这导致了该位置后向散射强度的变化。通过测量(光脉冲的)飞行时间，就有可能精确地知道间断发生的位置(距离光源的距离)(图4)。
图4:测量光脉冲的飞行时间有助于识别发生后向散射不连续的位置。
由于后向散射代表极低的返回光量，测量必须在很长一段时间内进行，以收集足够的信息进行精确的测量。因此，获取时间非常短。
不同类型的后向散射
根据一个特定的单色输入脉冲，返回到光纤内部的后向散射光具有以下轮廓(图5):
相同的波长,瑞利反向散射
正(斯托克)和负(反斯托克)低换挡-布里渊反向散射
正(斯托克)和负(反斯托克)高移-拉曼反向散射
瑞利后向散射
图5:Raleigh, brlion和Raman后向散射是如何发生的
瑞利散射是一种你几乎每天都会经历的现象。正是这种效果使天空看起来是蓝色的(图6)。
瑞利散射描述的是光通过远小于光波长的球体的弹性散射。引起光纤瑞利后向散射的最重要的不连续是由核心折射率的微小变化引起的。由于结构的原因，这些不连续沿光纤均匀分布，因此会产生一个恒定的后向散射噪声返回源(图7)。
图6:罗利散射:为什么天空是蓝色的
瑞利后向散射是OTDR(光时域反射计)所依赖的技术。大多数光纤电信技术人员每天都使用它来测试和排除光纤链路故障。它向Raleigh后向散射效应添加了时域计算，通过飞行时间可以找到线路上故障的确切位置(图4)。
布里渊后向散射
图7:均匀分布的不连续引起恒定的后向散射。
布里渊后向散射是由于光和在光纤中传播的声子之间的相互作用(由热激发或应变引起)而产生的。当光被一个移动的实体(声子)散射时，它的频率(波长)被相对论多普勒效应(约10 GHz或0.1 nm的1550 nm波长)移动。光在正向(斯托克)和负向(反斯托克)偏移到原始光学波长时产生(图8)。这两个分量的强度和频率偏移都取决于温度和应变。通过测量位移的绝对值，可以计算出这两个参数。然而，由于温度和应变在测量值中都是卷积的，基于布里罗因的系统通常由两根纤维组成:一根与结构相连，同时测量应变和温度，另一根与结构无关，只测量温度，用作应变测量的温度补偿。
拉曼反向散射
拉曼散射是指光与纤维中的分子振动相互作用而散射。与布里渊散射一样，产生了正(斯托克)和负(反斯托克)位移分量，这些位移分量来自入射光的波长。通过测量斯托克和反斯托克成分之间的强度比，可以测量温度的绝对值(图9)。通常只有对温度依赖性最大的反斯托克成分被监测。拉曼后向散射完全依赖于温度，因此只能使用一种光纤(不像布里渊光纤)。
连接解决方案
光纤传感技术需要顶级的光学性能才能完美地工作(具有良好的信噪比)。插入损耗必须尽可能低，返回损耗是一个关键的问题，因为返回光包含有关测量的信息。光连接器通常在单模APC端面指定，因为它们保证了尽可能低的返回损耗。制造一个良好可靠的APC终端需要顶级的抛光设备和熟练的操作人员。每个终端都必须根据端面几何形状进行认证，以保证良好的物理接触(从而确保超低的回路损失)。在连接器的建设立场上，每个APC终端必须被正确地键控，外壳必须在设计时考虑到光纤，因为总体公差必须满足终端设计要求。
图8:布里渊后向散射产生的光正向和负向偏移到原始光波长。
传感和仪器在本质上受到环境的限制;因此，承载测量的电缆组件和连接必须能够承受这些条件。这可能具有挑战性，需要优质的材料和高质量的解决方案。拥有强大、可靠、易于维护和快速部署的光纤解决方案是成功的关键。
维护的便利性是一个重要因素，因为当传感系统是与主要生产相关的安全回路的关键部分时，相关的停机时间可能会导致相当大的收益损失。
图9:通过拉曼后向散射测量斯托克分量和反斯托克分量的强度比，可以测量出温度的绝对值。
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Fischer连接器
fischerconnectors.com
了下:连接器(电气)•卷曲技术
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