光纤传感检测技术的应用与进展

1 光纤传感器的基本原理

光纤传感器是将待测量在光纤内传输的光波参量进行调制，并对被调制过的光波信号进行解调检测，从而获得待测量值的一种装置.它可广泛用于位移、振动、转动、压力、弯曲、应变、加速度、电流、磁场、电压、温度、声场、流量、浓度、pH值等各种参量的测量，并具有灵敏度高、响应速度快、无源性、防爆、防电磁干扰、超高电绝缘、耐腐蚀、体积小、重量轻、成本低等优点。 2 光纤检测技术

光纤检测技术在工程中应用有以下要求:高精度、长距离、分布式和长期性。 2.1 光纤传感器的多路复用技术

复用技术的基本思想是充分利用光纤具有大容量传输信息的特点.在同一信息传输母线上传输来自各个传感点的信息，并通过解复用处理最终获得各个传感器列阵点上的被测信息.复用技术主要有分幅多路复用、分时多路复用和分频多路复用等3种方法。复用技术原理和复用传感器原理见图1和图2。

图1 复用技术原理 图2 三路服用传感器原理图

这些光纤传感器的复用方案，原理上具有普遍的适用性.由于受到光纤元器件技术的限制，使复用数量受到限制，因而这是一种准分布式的光纤检测技术，没有从根本上改变点式传感技术的局限。

2.2 布喇格光纤光栅技术

布喇格((Bragg)光纤光栅是指单模掺锗光纤经紫外光照射成栅技术形成的全新光纤型Bragg光栅.成栅后的光纤纤芯折射率呈现周期性分布条纹并产生Bragg光栅效应。这种光栅的基本光学特性就是以共振波长为中心的窄带光学滤波器.当一束光送进Bragg光纤光栅时，根据光栅理论，在满足Bragg条件的情况下，就会发生全反射，其反射光谱在Bragg波长又处出现峰值。光栅受到外部物理场(如应力、应变、温度等)的作用时，其栅距n随之发生变化，从而改变了后向反射光的波长又。根据又变化的大小就可以确定待测部位相应物理量的变化.当把多个不同周期的光纤光栅按一定规定排成阵列，就构成了多点分布传感系统。其传感原理及检测技术原理见图3和图4。该技术的缺陷是同一光纤上的光栅数目受到光源谱线宽度的限制，且光谱仪较贵，光栅的刻制成本较高.制作光栅时，需去掉光纤的包覆层，这样光栅处就很脆弱.光栅处怎样保护，又不影响传感是一个难题。

图3 布喇格光纤光栅传感技术 图4 布喇格光纤光栅检测技术原理图

2.3 OTDR技术

OTDR是利用光学雷达原理把窄带光脉冲注人到光纤一端，然后在同一输人端观察背向散射光强随时间变化关系来检测光纤的连续性及其衰减。当光纤传送某一波长的泵浦脉冲光波时，由于纤芯折射率的微小涨落，在光纤各点产生瑞利散射，其中一部分光束被约束在向后行进的传导模中，形成背向散射脉冲光返回到光纤入射端.光纤某处存在缺陷(如焊接)或外界扰动引起微弯，背向散射光强在该处就有一定的衰减，测出背向散射光脉冲的到达时间和功率损耗，便可确定缺陷及扰动的位置和程度，但这种方法是以微弱的瑞利散射为基础的，系统结构复杂，而且需要足够长的时间才能获得较高的信噪比，测试精度也不高.这种检测技术有2种改进途径:①对OTDR仪器本身的信号处理系统加以改进;②将被测光纤做成特种结构，如利用光纤的微弯效应等，从而增大应力、应变测试的灵敏度。 2.4 布里渊散射光时域分析法(BOTDA ) 光纤布里渊应变传感技术，具有测量精度高，光纤应变与布里渊频移有良好的线性关系，有利于实现分布式传感等优点，并可在不知道光纤总长度的情况下进行传感测量，是一种具有很大的应用潜力的光纤应变传感方案.应变的测试精度可达0.1的5次方数量级.这种方法的优点是不需对光纤进行加工，测试费用低.这是真正意义上的分布式测量技术，它只需对光纤沿线返回的光信号进行处理即可.该法的难点在于光纤中的自然布里渊散射光强度很弱，需对光信号进行放大，信号处理系统也很复杂，这使整个系统很昂贵.当前该技术国内尚处于开发阶段.鉴于该技术良好的应用前景，相信以后将成为光纤检测技术的主要发展方向之一。

3 光纤传感技术在泄漏检测中的应用 3.1光纤检漏法

（1)准分布式光纤检漏传感器.准分布式光纤检漏传感器能在10 km管道长度范围内进行漏油检测，它对水不敏感，可在易燃易爆和高压环境中使用.传感器的核心部件由棱镜、光发与光收装置构成.当棱镜底面接触不同种类的液体时，光线在棱镜中的传输损耗不同。该传感器是根据光探测器接收的光强来确定管道是否泄漏的，当油接触不到棱镜时，就会发生漏检的现象。

（2)多光纤探头遥测法.多光纤探头遥测传感器可对水中和蒸气状态的碳氢化合物总量进行连续检测，可用于油罐及短距离输油管道的泄漏探测。对于不同的应用可选择配置1~ 16个探头。探头的核心部分是一小段光纤化学传感器，光纤包层能选择性地吸附碳氢化合物，使其折射率得到改变，从而使光纤中光的传播特性发生变化.探头中内设电子装置，可将光信号转换为电信号。数据采集模块有多种接口，可将信号远传以满足遥测的需要。

图5 PCS油液泄漏传感器

（3)塑料包覆石英光纤传感器.传感器原理如图5所示，当油与光纤接触时渗透到包层，引起包层折射率变化，导致光通过纤芯与包层交界面的泄漏，造成光纤传输损耗升高.传感器系统设定报警界限，当探测器的接收光强低于设定水平时，会触发报警电路.这种传感器可用于多种油液的探测.

（4)光纤温度传感器检漏.液态天然气管道，粘油、原油等加热输送管道的泄漏会引起周围环境温度的变化，分布式光纤温度传感器可连续测量沿管道的温度分布情况，这为上述管道的泄漏检测开辟了新途径.分布式光纤温度传感系统的一个光电处理单元可连接几根温度传感光缆，长度达25 km，对于温度的变化可在几秒钟内反应.DTS可设定温度报警界限，当沿管道的温度变化超出这个界限时，会发出报警信号.

3.2 光纤布喇格光栅传感器在油气管道检测中的应用

光纤光栅传感技术在油气管道的远距离监控系统中极具应用潜力.利用一根或多根分布式光纤光栅传感器可实现对油气管线内介质的温度、压力、流量、管壁应力等物理量实现分布式实时在线检测，系统控制中心根据这些量的变化判断是否发生泄漏及泄漏位置或调整生产过程中的加热、加压等操作.光纤光栅传感器管道测量系统工作原理如图6所示。目前该检测系统在技术少面临2个难题:一是波长移动解调技术;二是光纤布喇格光栅传感器的粘 贴封装增敏技术。光纤布喇格光栅传感技术在油气管道检测系统中有巨大潜力，经进一步的研究开发可以实现对管道泄漏、泄漏定位、管壁应力、管道腐蚀或流量进行实时测量。 文献[ I 6]研究了一种新型的分布式光纤传感器用于液体泄漏检测与定位，但由于传感器工作机理是基于附属在光纤上的某种聚合物对碳氢化合物的吸收使得光纤由于膨胀而弯曲，导致光强衰减。探测该光强衰减可确定泄漏的产生.由于该机理的限制，这种方法只能用于探测碳氢化合物类液体泄漏，不能用于自来水泄漏探测.文献【17]研究了利用光纤温度传感器对地下输气管线的泄漏进行探测.光纤温度传感器准分布式地固定在光缆上，将该光缆平行于输气管道放置.当泄漏发生时，由于压力减小，导致泄漏源附近的温度降低(Joule-Thomson效应).监测该局部温度变化，可以对泄漏进行监测和定位.这种技术若要求定位精度较高时，就需要将多个光纤光栅温度传感器分布在被测管线上，费用高，技术复杂。同时，当泄漏量较小时，泄漏源附近温度变化很小，对泄漏检测灵敏度的要求相当高.文献〔18]研究了光纤声学传感器用于地埋高压充液输电管线的绝缘液泄漏检测间题。但只给出原理性介绍及计算结果，无详细实验结果.文献【19]研究了光纤声学传感器用于充油变压器的局部放电检测和定位。文献【20]研究了光纤声发射传感器用于复合材料的损伤监测。但这些工作都只局限于小范围检测，不适用于长距离监测。

图6 光纤光栅传感器管道测量系统工作原理图

4 光纤传感技术在泄漏检测中的应用展望

对光纤声波传感器的研究自20世纪90年代以来已经有了很大的进展.目前，国外已有根据各种原理研制的光纤声波传感器，如光纤微弯声波传感器、光纤光栅声波传感器和各种干涉型光纤声波传感器，并且还在继续对之进行研究，如University of Strathclyde， National Defense Academy of Japan, Battene Memorial Insti tute等许多大学和科研单位都在对提高它的信噪比和动态测量范围等性能进行研究。

分布式光纤声波传感器，它基于Sagnac非互易相位调制干涉原理，其特色在于测量数据的获得不是通过光时域反射法(OTDR)或光学频域反射法(OFDR)，而是通过频域内的载波技术来实现的。由于光纤Sagnac干涉对由热和振动引起的低频变化不敏感，具有测量准确，定位精度高，测量距离长等优点。因此本技术在流体管道泄漏的实时监测方面有很好的应用前景。但此项技术需要解决以下关键问题:

1)基于Sagnac效应的光纤陀螺仪原理，研究泄漏声发射信号对光信号的相位调制机理及泄漏声信号的光学参数表征.对于长距离管道泄漏检测而言，扰动信号为一声信号，即泄漏产生的声发射信号.该信号对于光纤中传播的光信号要进行相位调制，其调制信号与声信号的频率及其声信号的产生位置直接相关。

2)当泄漏发生时，声发射信号的传播特征不同，如频率范围、幅度大小和在管内液体中的传播形式等对光纤的作用也不同，需要建立不同的调制模型进行分析研究。

3)在传感器研制方面，采用集成技术，着重研究光纤的增敏(对声波敏感)技术.为保证于涉仪的互易性，需要采取同光路、同模式及同偏振态的三同措施.这就需要对器件做优化选择。

4)由于其调制信号为弱信号，因此在光电转换技术、弱信号检测电路以及相应的信号处理软硬件等方面需要做进一步研究。

5)由于光纤干涉仪的相位随温度的变化而变化，因此对温度的影响要进行补偿，可以采用软件补偿措施，即进行温度标定。

参考文献:

[1] 莫淑华.光纤传感技术在力学测试中的发展与应用[[J]哈尔滨师范大学自然科学学报，2000, 16(2): 51-55.

[2] 刘元雪.光纤检测技术及其应用于岩土工程的关键问题研究[[J].岩石力学与土程学报，1999, 18(5): 585-587.

[3] 王惠文，江先进，赵长明，等.光纤传感技术与应用[M].北京:国防工业出版社，2001. [4] 田节.激光调频光纤位移传感器多路复用技术的研究[[J].光学学报，1995, 15(6): 771-777.

[5] 张兴周.BRAGG光纤光栅与光纤传感技术[[J]光学技术，1998(4): 70-74.

[6] 金秀梅.大型桥梁光纤传感器监测技术及其信息处理方法研究闭.石家庄铁道学院学报，2001, 14(4): 18-23. [7] 管立，孙一，郁可，等.检测材料状态的缠绕光纤及OTDR技术[[J].光电子·激光，2000, 1l(8): 392-395.

[8] 黄民双.光纤布里渊散射应变传感新方法的研究[D]〔学位论文)重庆：重庆大学光电工程学院，1995,8 I -89. [ 10]赵廷超，黄尚廉， 陈伟民.机敏土建结构中光纤传感技术的研究综述[[J].重庆大学学报，1997, 20(5): 104-109.

[11]涂亚庆，黄尚廉，陈伟民，等.机敏结构状态监测的光纤传感与信号处理方法[[J1.光子学报，1996, 24(4): 325-330.

[12]马乃兵，骆飞，张德银.光纤微弯压力传感器[[J].光纤电缆及其应用技术，1999 (1): 42-46.

[13]江毅.光纤光栅及其传感技术的研究[D]:[学位论文].重庆:重庆大学光电工程学院，1996. 1-9.

[14]陈华波.输油管道泄漏检测方法综述[[J].管道技术与设备，2000 ( l ) : 38-41 [15]胡志新.分布式光纤布喇格光栅在油气管道检测中的应用[[J].应用光学，2000, 21(4): 35-37.

[16] CARRILLO,ANTONIO. New distributed optical sensor for detection and localization of liquid leaks. Part 1. Experimental studies[J]. Sensors and Actuators, A: Physical, 2002, 99(3):229-235.

[17] KASCH M. Leak detection and online surveying at underground gas pipelines using fibre optic temperature sensing[J]. Oil Gas-European Magazine, 1997, 23 (3):17-18, 20-21.

[18] KURMER J P. Distributed fiber optic acoustic sensor for leak detection[J]. SPIE, 1991，1586: 117-128.

[l9] DENG Jiang-dong. Optical fiber sensor-based detection of partial discharges in power transformers[J]. Optics& Laser Technology, 2001，33: 305-331.

[20] IAN Read, PETER Foote, STUART Murra}.Optical fiber acoustic emmision sensor for damage detection in carbon fiber composite structures[J]. Meas Sci Technol, 2002, 13: NS-N9.

[21] KATHRYN Atherton, DONG Feng-zhong, GARETH Pierce, et al. Mach-7xhnder optical fiber interferometers for the detection of ultrasound[J]. SPIE, 2000, 3986: 27-34.