光纤传感技术在管道泄漏

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1、光纤布拉格光栅传感技术、光纤散射传感技术、Ｓａｇｎａｃ光纤干涉传感技术、Ｍａｃｈ－Ｚｅｈｎｄｅｒ光纤干涉传感技术、偏振光光纤传感技术、光纤消逝场传感技术等。近几年来，我国的油气管道因非法侵入，打孔盗油、自然灾害和管道老化等原因造成的泄漏事件屡有发生，造成了巨大的经济损失和环境污染，传统的管道检测方法预报不及时、定位精度差以及误报率高的缺点已很难满足这一需求。基于光纤技术的管道测漏传感系统，以光为载体在同一根光纤中实现现场信号的采集和传输，抗电磁干扰能力强，且传感器没有额外的电学部分，不会产生电打火现象，安全可靠。光纤材料主要是掺杂的二氧化硅，抗氧化、抗酸碱腐蚀能力强，寿命长，只需要在管

2、道铺设时埋设一条传感光纤，就可以实现对整个管道系统的长期、分布式的实时在线监控。光纤布拉格光栅传感技术、光纤散射传感技术１．１　基于光纤布拉格光栅（ＦＢＧ）的光纤测漏传感技术光纤布拉格光栅的主要特点是光纤中的某一段纤芯折射率成周期性变化，光纤布拉格光栅也简称光纤光栅。其反射光谱的中心波长λＢ与纤芯的有效折射率ｎｅｆｆ、栅距Λ呈关系λＢ＝２ｎｅｆｆΛ（１）如图１所示，当环境因素导致这两个参数发生改变时，光纤光栅的反射波长λＢ会发生变化，通过检测波长位移量的大小即可反推出外部环境因素的改变量，完成传感过程。光纤光栅中心反射波长的变化可用公式（２）表示。ΔλＢλＢ＝ｋεΔε＋ｋＴΔＴ（２）式

3、中ｋε＝λＢ／ε是光纤光栅的应力系数，为光纤材料泊松比、弹光系数和有效折射率的函数；ｋＴ＝λＢ／Ｔ是光纤光栅的温度系数，是光纤材料热光系数和热膨胀系数的函数；Δε为光栅轴向的应变变量；ΔＴ为光栅温度的变量。在管道检测领域，一般将若干个ＦＢＧ组成一个传感器阵列来构成分布式的传感器系统。墨西哥Ｒ．Ｍ．Ｌóｐｅｚ等人提出了一种利用微弯效应加强的光纤布拉格光纤测漏传感系统，传感器的结构如图所示。在传感光纤上制有一系列离散分布的布拉格光栅，各光栅间的光纤上覆有对石油类物质敏感的聚合物，当泄漏发生时，聚合物吸收石油发生膨胀，引起光纤输出光强的降低。当在如图所示的地方发生泄漏时，其后面的ＦＢＧ

4、２、ＦＢＧ３的反射光强会发生显著下降，使用光频域反射计ＣＯＦＤＲ（Ｃｏｈｅｒｅｎｔ　Ｏｐｔｉｃａｌ　Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ　ＤｏｍａｉｎＲｅｆｌｅｃｔｏｍｅｔｒｙ）可对泄漏点定位，定位精度可以达到０．５ｍ，探测时间小于８ｍｉｎ。印度学者ＮａｈａｒＳｉｎｇｈ将医用橡胶固定在光纤光栅上，漏油时橡胶膨胀引起光纤光栅反射波长的移动，探知管道泄漏。在橡胶干后，传感器回复初始状态，多次试验证明传感器具有良好的重复性。日本学者将超声技术和光纤光栅相结合开发了管道泄漏传感器，如图３所示。可调激光器（ＴＬ）发出的光，经过光学环形器（ＯＣ）后进入超声波发射机（ＵＴ），在这里与函数发生器（ＡＦＧ）和高速放大器（

5、ＨＳＡ）产生的超声波一起在光纤内传播。超声波在光纤中传播时会对光纤产生应力的作用，当光纤与泄漏的液体接触时超声波泄漏到基底上，造成光纤中传输的超声波强度降低，光纤内的超声应力减弱，ＦＢＧ的反射波长趋向中心波长（ＦＢＧ　ｍｉｄｒｅｆｌｅｃｔｉｎｇｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ），光电探测器检测到这种变化，即可判断管道发生泄漏。该结构的传感器避免了在光纤光栅上缠绕其他附属结构的需要，更易实现分布式传感［５］。国内大庆采油三厂三矿的程书春等也利用ＦＢＧ制作了漏油传感器，传感器的探头设计如图４所示［６］。当漏油发生时，石油类的碳氢化合物与三元已丙橡胶（ＥＰＤＡ）接触，橡胶膨胀，带动光纤光栅在轴向方向产生

6、应变，进而改变光纤光栅的反射波长，通过观察反射波长的漂移量ΔλＢ来确定是否发生漏油情况。实验中用９０＃汽油对传感器进行了试验测试，传感器的响应间小于３ｍｉｎ，可以快速的检测出漏油情况的发生。由于温度的变化同样可以引起光纤光栅反射波长的位移，该传感器没有温度补偿措施，只有当光纤的反射波长位移量大于温度引起的位移量时才可以确认漏油情况发生（文章中取１．０ｎｍ），一方面延长了传感器的响应时间，另一方面也可能造成漏诊和误诊。基于光纤光栅传感技术的光纤测漏传感器属于波长调制型光纤传感器，抗干扰能力强，信噪比高，在单点检测和多点检测方面具有优势。因此多用于对敏感点、危险点的实时在线监控。利用波分复

7、路技术可以实现对管道多点的阵列式传感，如文献［３］所示，但还不是严格意义上的分布式传感系统。１．２　基于散射的光纤测漏传感技术光在沿光纤向前传播的同时还会产生后向传输的散射光，散射类型主要有瑞利散射（Ｒａｙｌｅｉｇｈ）、布里渊散射（Ｂｒｉｌｌｏｕｉｎ）和拉曼散射（Ｒａｍａｎ），各散射光谱的特征关系如图５所示。其中瑞利散射是光与物质发生的弹性散射，其散射波长不变，而拉曼散射和布里源散射都是非弹性散射，其反射波长发生改变，二者在入射波长λ０的两侧成