光纖傳感技術(shù)在管道泄漏

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1、光纖布拉格光柵傳感技術(shù)、光纖散射傳感技術(shù)、Ｓａｇｎａｃ光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)、Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ光纖干涉?zhèn)鞲屑夹g(shù)、偏振光光纖傳感技術(shù)、光纖消逝場傳感技術(shù)等。近幾年來，我國的油氣管道因非法侵入，打孔盜油、自然災(zāi)害和管道老化等原因造成的泄漏事件屢有發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失和環(huán)境污染，傳統(tǒng)的管道檢測方法預(yù)報不及時、定位精度差以及誤報率高的缺點已很難滿足這一需求?；诠饫w技術(shù)的管道測漏傳感系統(tǒng)，以光為載體在同一根光纖中實現(xiàn)現(xiàn)場信號的采集和傳輸，抗電磁干擾能力強(qiáng)，且傳感器沒有額外的電學(xué)部分，不會產(chǎn)生電打火現(xiàn)象，安全可靠。光纖材料主要是摻雜的二氧化硅，抗氧化、抗酸堿腐蝕能力強(qiáng)，壽命長，只需要在管

2、道鋪設(shè)時埋設(shè)一條傳感光纖，就可以實現(xiàn)對整個管道系統(tǒng)的長期、分布式的實時在線監(jiān)控。光纖布拉格光柵傳感技術(shù)、光纖散射傳感技術(shù)１．１　基于光纖布拉格光柵（ＦＢＧ）的光纖測漏傳感技術(shù)光纖布拉格光柵的主要特點是光纖中的某一段纖芯折射率成周期性變化，光纖布拉格光柵也簡稱光纖光柵。其反射光譜的中心波長λＢ與纖芯的有效折射率ｎｅｆｆ、柵距Λ呈關(guān)系λＢ＝２ｎｅｆｆΛ（１）如圖１所示，當(dāng)環(huán)境因素導(dǎo)致這兩個參數(shù)發(fā)生改變時，光纖光柵的反射波長λＢ會發(fā)生變化，通過檢測波長位移量的大小即可反推出外部環(huán)境因素的改變量，完成傳感過程。光纖光柵中心反射波長的變化可用公式（２）表示。ΔλＢλＢ＝ｋεΔε＋ｋＴΔＴ（２）式

3、中ｋε＝λＢ／ε是光纖光柵的應(yīng)力系數(shù)，為光纖材料泊松比、彈光系數(shù)和有效折射率的函數(shù)；ｋＴ＝λＢ／Ｔ是光纖光柵的溫度系數(shù)，是光纖材料熱光系數(shù)和熱膨脹系數(shù)的函數(shù)；Δε為光柵軸向的應(yīng)變變量；ΔＴ為光柵溫度的變量。在管道檢測領(lǐng)域，一般將若干個ＦＢＧ組成一個傳感器陣列來構(gòu)成分布式的傳感器系統(tǒng)。墨西哥Ｒ．Ｍ．Ｌóｐｅｚ等人提出了一種利用微彎效應(yīng)加強(qiáng)的光纖布拉格光纖測漏傳感系統(tǒng)，傳感器的結(jié)構(gòu)如圖所示。在傳感光纖上制有一系列離散分布的布拉格光柵，各光柵間的光纖上覆有對石油類物質(zhì)敏感的聚合物，當(dāng)泄漏發(fā)生時，聚合物吸收石油發(fā)生膨脹，引起光纖輸出光強(qiáng)的降低。當(dāng)在如圖所示的地方發(fā)生泄漏時，其后面的ＦＢＧ

4、２、ＦＢＧ３的反射光強(qiáng)會發(fā)生顯著下降，使用光頻域反射計ＣＯＦＤＲ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ?。希穑簦椋悖幔臁。疲颍澹瘢酰澹睿悖。模铮恚幔椋睿遥澹妫欤澹悖簦铮恚澹簦颍┛蓪π孤c定位，定位精度可以達(dá)到０．５ｍ，探測時間小于８ｍｉｎ。印度學(xué)者ＮａｈａｒＳｉｎｇｈ將醫(yī)用橡膠固定在光纖光柵上，漏油時橡膠膨脹引起光纖光柵反射波長的移動，探知管道泄漏。在橡膠干后，傳感器回復(fù)初始狀態(tài)，多次試驗證明傳感器具有良好的重復(fù)性。日本學(xué)者將超聲技術(shù)和光纖光柵相結(jié)合開發(fā)了管道泄漏傳感器，如圖３所示?？烧{(diào)激光器（ＴＬ）發(fā)出的光，經(jīng)過光學(xué)環(huán)形器（ＯＣ）后進(jìn)入超聲波發(fā)射機(jī)（ＵＴ），在這里與函數(shù)發(fā)生器（ＡＦＧ）和高速放大器（

5、ＨＳＡ）產(chǎn)生的超聲波一起在光纖內(nèi)傳播。超聲波在光纖中傳播時會對光纖產(chǎn)生應(yīng)力的作用，當(dāng)光纖與泄漏的液體接觸時超聲波泄漏到基底上，造成光纖中傳輸?shù)某暡◤?qiáng)度降低，光纖內(nèi)的超聲應(yīng)力減弱，ＦＢＧ的反射波長趨向中心波長（ＦＢＧ?。恚椋洌颍澹妫欤澹悖簦椋睿纾鳎幔觯澹欤澹睿纾簦瑁?，光電探測器檢測到這種變化，即可判斷管道發(fā)生泄漏。該結(jié)構(gòu)的傳感器避免了在光纖光柵上纏繞其他附屬結(jié)構(gòu)的需要，更易實現(xiàn)分布式傳感［５］。國內(nèi)大慶采油三廠三礦的程書春等也利用ＦＢＧ制作了漏油傳感器，傳感器的探頭設(shè)計如圖４所示［６］。當(dāng)漏油發(fā)生時，石油類的碳?xì)浠衔锱c三元已丙橡膠（ＥＰＤＡ）接觸，橡膠膨脹，帶動光纖光柵在軸向方向產(chǎn)生

6、應(yīng)變，進(jìn)而改變光纖光柵的反射波長，通過觀察反射波長的漂移量ΔλＢ來確定是否發(fā)生漏油情況。實驗中用９０＃汽油對傳感器進(jìn)行了試驗測試，傳感器的響應(yīng)間小于３ｍｉｎ，可以快速的檢測出漏油情況的發(fā)生。由于溫度的變化同樣可以引起光纖光柵反射波長的位移，該傳感器沒有溫度補(bǔ)償措施，只有當(dāng)光纖的反射波長位移量大于溫度引起的位移量時才可以確認(rèn)漏油情況發(fā)生（文章中?。保埃睿恚?，一方面延長了傳感器的響應(yīng)時間，另一方面也可能造成漏診和誤診?；诠饫w光柵傳感技術(shù)的光纖測漏傳感器屬于波長調(diào)制型光纖傳感器，抗干擾能力強(qiáng)，信噪比高，在單點檢測和多點檢測方面具有優(yōu)勢。因此多用于對敏感點、危險點的實時在線監(jiān)控。利用波分復(fù)

7、路技術(shù)可以實現(xiàn)對管道多點的陣列式傳感，如文獻(xiàn)［３］所示，但還不是嚴(yán)格意義上的分布式傳感系統(tǒng)。１．２　基于散射的光纖測漏傳感技術(shù)光在沿光纖向前傳播的同時還會產(chǎn)生后向傳輸?shù)纳⑸涔?，散射類型主要有瑞利散射（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）、布里淵散射（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ）和拉曼散射（Ｒａｍａｎ），各散射光譜的特征關(guān)系如圖５所示。其中瑞利散射是光與物質(zhì)發(fā)生的彈性散射，其散射波長不變，而拉曼散射和布里源散射都是非彈性散射，其反射波長發(fā)生改變，二者在入射波長λ０的兩側(cè)成