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)、Ma ch-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(chǎng)傳感技術(shù)等。近幾年來，我國(guó)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(cè)方法預(yù)報(bào)不及時(shí)、定位 精度差以及誤報(bào)率高的缺點(diǎn)已很難滿足這一需求?；诠饫w技術(shù)的管道測(cè)漏傳感系統(tǒng)，以光 為載體在同一根光纖中實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)信號(hào)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(huì)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(zhǎng)，只需要

2、在管道鋪設(shè)時(shí)埋設(shè)一條傳感光纖，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)整個(gè)管 道系統(tǒng)的長(zhǎng)期、分布式的實(shí)時(shí)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(cè)漏傳感技術(shù)光纖布拉格光柵的主要特點(diǎn)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(jiǎn)稱光纖光柵。其反射光譜的中心波長(zhǎng)A B與纖芯的有效折射率neff、柵足跳 呈關(guān)系 入 B = 2neff八(1)如圖1所示，當(dāng)環(huán)境因素導(dǎo)致這兩個(gè)參數(shù)發(fā)生改變時(shí)，光纖光柵的反射波長(zhǎng)A B會(huì)發(fā)生變化，通過檢測(cè)波長(zhǎng)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(zhǎng)的變化可用公式(2)表示。 A BAB=ks +

3、kTA T (2)式中k = A B/ 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 =A B/ 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)；為光柵軸向的應(yīng)變變量； T為光柵溫度的變量。在管道檢測(cè)領(lǐng)域，一般 將若干個(gè)FBG組成一個(gè)傳感器陣列來構(gòu)成分布式的傳感器系統(tǒng)。墨西哥R.M.Lopez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(cè)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(duì)石油類物質(zhì)敏感 的聚合物，當(dāng)泄漏發(fā)生時(shí)，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)

4、生泄漏時(shí)，其后面的FBG2、FBG3的反射光強(qiáng)會(huì)發(fā)生顯著下降，使用光 頻域反射計(jì) COFDR (Coherent Optical Frequency D omainReflectometry）可對(duì)泄漏點(diǎn)定位，定位精度可以達(dá)到0 .5 m, 探測(cè)時(shí)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(shí)橡膠膨脹引起光纖光柵反射波長(zhǎng)的移動(dòng)，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(yàn)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（T L）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

5、與函數(shù)發(fā)生 器（AFG）和高速放大器（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(shí)會(huì)對(duì)光纖產(chǎn)生應(yīng)力的作用，當(dāng)光纖與泄漏的液體接觸時(shí)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，F(xiàn)BG的反射波長(zhǎng)趨向中心波長(zhǎng)（F BG midreflectingwavelength），光電探測(cè)器檢測(cè)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(shí)現(xiàn)分布式傳感】5。國(guó)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(jì)如圖 4所示】6。當(dāng)漏油發(fā)生時(shí)，石油類的碳?xì)浠衔锱c三元已丙橡膠（EPDA ）接

6、觸，橡 膠膨脹，帶動(dòng)光纖光柵在軸向方向產(chǎn)生應(yīng)變，進(jìn)而改變光纖光柵的反射波長(zhǎng)，通過觀察反射 波長(zhǎng)的漂移量入B來確定是否發(fā)生漏油情況。實(shí)驗(yàn)中用9 0#汽油對(duì)傳感器進(jìn)行了試驗(yàn) 測(cè)試，傳感器的響應(yīng)間小于3min，可以快速的檢測(cè)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(zhǎng)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(zhǎng)位移量大于溫度引起的位移量時(shí)才可以確認(rèn)漏油情況發(fā)生（文章中取1. 0nm）, 一方 面延長(zhǎng)了傳感器的響應(yīng)時(shí)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(cè)漏傳感器屬于波長(zhǎng)調(diào)制型光纖傳感器，抗干擾能力強(qiáng)，信 噪比高，在單點(diǎn)檢測(cè)和多點(diǎn)檢測(cè)方面具有優(yōu)勢(shì)。因

7、此多用于對(duì)敏感點(diǎn)、危險(xiǎn)點(diǎn)的實(shí)時(shí)在線 監(jiān)控。利用波分復(fù)路技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對(duì)管道多點(diǎn)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(cè)漏傳感技術(shù)光在沿光纖向前傳播的同時(shí)還會(huì)產(chǎn)生后向傳輸?shù)纳⑸涔?，散射類型主要有瑞利散射（Ray leigh）、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(zhǎng)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(zhǎng)發(fā)生改變，二者在入射波長(zhǎng)入0的兩側(cè)成 對(duì)出現(xiàn)，其中波長(zhǎng)變長(zhǎng)的為斯托克光（Stokes），波長(zhǎng)變短的為反斯托克光（ant iStokes

8、）。由于光纖中的吸收損耗，瑞利散射的回波是一個(gè)沿傳輸距離均勻衰減 的曲線，在光速不變的情況下，傳輸距離與時(shí)間成正比s =ct/2n，s為光纖長(zhǎng)度， c為光在真空中的速度，n為纖芯折射率，t為信號(hào)從發(fā)射到返回時(shí)的時(shí)間。布里源散射的 波長(zhǎng)移動(dòng)與光纖周圍的溫度場(chǎng)、應(yīng)力場(chǎng)均有關(guān)，而拉曼散射的強(qiáng)度主要由光纖周圍的溫度場(chǎng) 決定，且斯托克光的拉曼散射對(duì)溫度的敏感性相對(duì)較小。Shimizu K等人利用布里淵散射技術(shù)開發(fā)了通過檢測(cè)溫度、應(yīng)變變化來檢測(cè)管道完 整性的分布式光纖傳感器，檢測(cè)長(zhǎng)度4 0 km，空間分辨率為1 0 0m7T.R.P arker等人開發(fā)了可同時(shí)進(jìn)行溫度和應(yīng)變測(cè)量的分布式光纖管道傳感器，對(duì)應(yīng)

9、變和溫度 的分辨率分別是10 0|j m和4。，當(dāng)檢測(cè)管道長(zhǎng)度1 .2 km時(shí)，空間分辨率4 0m8。Kurashima T等人利用受激布里淵散射技術(shù)開發(fā)了分布式光纖溫度傳感器，在 1.2km的傳感距離內(nèi)，溫度分辨率為3。，空間分辨率10 0m9Ba。 X.等 人同樣利用受激布里淵散射技術(shù)開發(fā)了長(zhǎng)2 2 km的分布式光纖溫度傳感器，溫度分辨率 1C,空間分辨率1 0m10Bernhard Vogel等人詳細(xì)介紹了基于拉 曼背向散射的分布式光纖溫度傳感器在天然氣、石油等管道泄漏檢測(cè)中的應(yīng)用，傳感系統(tǒng)的 壽命長(zhǎng)達(dá)3 0年，溫度測(cè)量精度0 .5C，定位精度優(yōu)于1m11。Omnisens 是瑞士一家從

10、事分布式光纖管道測(cè)漏傳感器的生產(chǎn)廠家，其產(chǎn)品DiTeST利用布里淵 散射和拉曼散射對(duì)管道周圍的溫度和應(yīng)變進(jìn)行檢測(cè)，進(jìn)而判斷是否發(fā)生泄漏事件，當(dāng)傳感 失效時(shí)系統(tǒng)可進(jìn)行自我診斷、重置并記錄相關(guān)信息，傳感器在油田管道檢測(cè)中得到了大量 應(yīng)用，傳感器系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖如圖6所示，左圖是單端結(jié)構(gòu)的傳感系統(tǒng)，右圖是環(huán)狀結(jié)構(gòu)的 系統(tǒng)】12。2 0 0 2年該系統(tǒng)被用來監(jiān)控德國(guó)柏林東北部一條長(zhǎng)55 km的輸送天然氣 的鹽水管 道，傳感器對(duì)泄漏引起的溫度變化的測(cè)量精度為1C，測(cè)量時(shí)間小于1 0min13。 2003年7月該系統(tǒng)成功的檢測(cè)到一次泄漏事故，并給出報(bào)警。2005年公司成功的 將單節(jié)傳感器的檢測(cè)長(zhǎng)度擴(kuò)展到10

11、0km14 2 0 0 7年，阿拉斯加北冰洋里的某 海上油田利用該系統(tǒng)對(duì)一條長(zhǎng)14km的輸油管道實(shí)施泄漏監(jiān)控，同時(shí)該系統(tǒng)光纖也承擔(dān) 海上平臺(tái)與陸上基地間的信息傳輸，傳感器系統(tǒng)自安裝以來性能表現(xiàn)良好且至今仍在運(yùn)行15。2009年Marc Nikles詳細(xì)介紹了D iTeST系統(tǒng)的傳感原理和 使用案例，檢測(cè)輸油管道時(shí)，流量大于管道總流量的0. 0 1%的泄漏都可以準(zhǔn)確探明， 對(duì)于高壓氣體輸送管道，傳感器的最低探測(cè)極限更低】16。在第七屆國(guó)際管道會(huì)議上Daniele Inaudi介紹了基于拉曼散射和布里淵散 射的分布式光纖管道測(cè)漏傳感器系統(tǒng)，系統(tǒng)在19 0min內(nèi)可以探測(cè)流量在每小時(shí)1 01 0 0

12、 0 L的泄漏，監(jiān)視距離30 km，空間分辨率1m，該系統(tǒng)已經(jīng)成功用于德國(guó)、 意大利的多處管道泄漏檢測(cè)中。進(jìn)一步的研究使系統(tǒng)的檢測(cè)距離提高到6 0 km，在采用光 學(xué)放大后檢測(cè)長(zhǎng)度可達(dá)3 0 0 km17。該系統(tǒng)采用的傳感光纖主要有兩種，分別是S MARTape和SMARTprofileSMARTape的結(jié)構(gòu)如圖7所示。傳感 光纖外面包被一層聚酰亞胺，并埋設(shè)在用PPS(polyphenylene sulf ide)加強(qiáng)的熱塑材質(zhì)中，用于防止傳感光纖在安裝和應(yīng)用時(shí)的損壞。封裝后的傳感光纖 厚0. 2 mm，寬13mmSMARTape主要用于測(cè)試應(yīng)力，圖8是SMARTap e用于意大利某斜坡地段管

13、道應(yīng)力檢測(cè)的現(xiàn)場(chǎng)圖】18SMARTprofile的結(jié) 構(gòu)尺寸如圖9所示(單位mm)，四根光纖包被在聚乙烯材料中，其中兩根固定的光纖用于 檢測(cè)應(yīng)力(藍(lán)色、粗)，兩根自由的光纖用于檢測(cè)溫度(紅色，細(xì))該結(jié)構(gòu)的傳感光纖可同 時(shí)對(duì)管道的應(yīng)力和溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，并據(jù)此對(duì)管道的安全情況進(jìn)行判斷。澳大利亞的Fu ture Fibre Technologies Pty. Ltd.公司基于拉曼散射研制了用于天然氣管道測(cè)漏的分布式光纖傳感器(Fibre Optic Distri butedTemperature Sensor)，傳感器通過檢測(cè)管道周邊的溫度變 化來判斷是否發(fā)生泄漏，在10km 的監(jiān)控范圍內(nèi)，測(cè)量時(shí)

14、間10min，溫度分辨率 1.5C。此外，該公司還研制了一種對(duì)壓力、聲波、振動(dòng)敏感的分布式光纖傳感器用于對(duì) 管道泄漏、挖掘、機(jī)械施工等事件的檢測(cè)，傳感距離達(dá)6 0km19。美國(guó)MOI(M icronOptics International)公司利用光纖背散光原理，通過 檢測(cè)外界影響因素，例如光纖附近的振動(dòng)、位移、應(yīng)力及溫度等變化對(duì)光纖內(nèi)光波散射強(qiáng)度、 波長(zhǎng)等參數(shù)的調(diào)制，來判斷管道內(nèi)的實(shí)時(shí)情況，使用中繼模塊，每套系統(tǒng)的檢測(cè)距離達(dá)2 1 0 km，定位精度小于1m20。國(guó)內(nèi)，大慶石油學(xué)院的王忠東教授利用光纖的背向瑞利散射和光時(shí)域反射計(jì)（OTDR ）技 術(shù)研制了分布式的光纖石油管道防盜檢測(cè)系統(tǒng)】2

15、1。當(dāng)石油管道附近發(fā)生機(jī)械施工或人 為盜油現(xiàn)象時(shí)，施工產(chǎn)生的震動(dòng)和壓力會(huì)對(duì)光纖產(chǎn)生干擾，引起背向瑞利散射的光強(qiáng)發(fā)生突 變，通過觀察這種突變即可判斷是否發(fā)生盜油現(xiàn)象。傳感器系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)在光纖長(zhǎng)度為 5. Okm時(shí)，傳感器的定位誤差小于20m。清華大學(xué)的趙洪志等人開發(fā)的分布式光纖溫 度傳感器，溫度測(cè)量精度為7C，管道檢測(cè)長(zhǎng)度1 .5km時(shí)，空間分辨率為15.6m 22。當(dāng)光纖發(fā)生彎曲變形時(shí)，光纖內(nèi)的傳播模式受到干擾后，會(huì)轉(zhuǎn)換為輻射模式損耗 掉，引起光纖輸出能量的降低，如圖10所示。光纖發(fā)生彎曲變形后，背向傳播的瑞利散射 也會(huì)產(chǎn)生突變，將光纖的微彎損耗和瑞利散射技術(shù)相結(jié)合可有效地提高傳感器的性能，許多 學(xué)者都進(jìn)行了這方面的研究。英國(guó)Alistair MacLeana23德國(guó)B uerck J. 24、墨西哥 Antonio Carrillo25，26【L6 pez R.M 27 以及西安交大的高建忠28等人分別提出了相類似的基于光 纖微彎損耗的分布式光纖傳感器。其原理是將光纖安裝在表面覆有一層吸油聚合物的圓柱體 上，用金屬絲將其固