（控制理论与控制工程专业论文）大型石油储罐光纤光栅火灾报警系统的研究与应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 中文摘要 本课题主要对全同光纤光栅技术以及分区检测技术进行了系统全面的研究，涉及到材 料、光、机、电等学科和领域。本人检索了大量的相关研究文献资料，对现阶段光纤光栅 传感技术进行了详细的分析，通过大量的试验和研究，研制出了满足大型石油储罐现场实 际应用需要的新型光纤光栅火灾报警系统。 目前，应用光纤光栅技术进行温度、应力应变等物理参量的测量的研究工作正引起国 内外学者的广泛兴趣，取得了一定的研究成果。然而，利用光纤光栅技术实现大型石油储 罐等易燃易爆场合火灾报警系统的研究工作却遇到了前所未有的困难。主要原因是：大型 石油储罐需要检测的探头数量多( 一般多于3 0 个检测点) ，而传统的光纤光栅温度传感器 受光源带宽等因素的影响检测探头的数量不能大于2 0 个：同时采用传统方式制作的传感 器对系统调制解调要求高，系统制作的成本成为实际应用的又一障碍。 针对上述情况，本论文首次创造性地提出全同光纤光栅技术。利用该技术研制成功的 全同光纤光栅火灾报警系统，经过大量的实验室验证和现场实验，取得了满意的结果。论 文中对全同光纤光栅的制作、筛选、传感器的制作进行了详细的分析和说明，并对系统的 重复性和可靠性进行了阐述，给出了大量的实际应用案例。 随着生产技术的提高和实际应用的需要，大型储油罐的直径越来越大。在某些特殊的 场合，需要对被测环境进行分区检测，这就对全同光纤光栅火灾报警系统提出了挑战，为 此，本论文中提出了波分复用与全同光纤光栅技术的混合复用的方法，成功地研制出满足 现场实际需求的分区光纤光栅火灾报警系统，使其能在大型石油储罐的火灾报警应用中发 挥作用。 为了保证全同光纤光栅火灾报警系统能够在大型石油储罐上进行使用，文中还对光纤 光栅的调制解调进行了认真的分析与探讨，其中多路并行、同步扫描波长分析技术、组合 式角调谐波长解调技术等研究成果得到了成功应用。 同时，论文以大型储油罐的火灾报警为例，给出了大量的现场应用案例，说明了光纤 光栅火灾报警系统韵工程现场应用情况，分析了其传感特点，尤其是性麓优势。 关键词：光纤光栅，石油储罐，火灾报警，波分复用 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t t h ei d e n t i c a lf i b e rb r a g gg r a t i n gt e c h n o l o g ya n dd i s t r i b u t e dt e s t t e c h n o l o g y a r e d i s c u s s e di nd e t a i li nt h i sp a p e r n o wf i b e rb r a g gg r a t i n ga r ef o u n dn u m e r o u sa p p l i c a t i o n si nt h et e m p e r a t u r ea n ds t r e s s m e a s u r e m e n t b u tt h e r ea r el o t so fp r o b l e m sa p p e a rw h e ni ti su s e dt od os o m er e a lt i m e t e s ti np e t r o c h e m i c a lt a n ka n dt o w e lt h em a i nr e a s o n sa r e ：m a n y ( u s u a l l ym o r et h a n3 0 、 p r o b e sa r en e e d e di nt h ep e t r o c h e m i c a lt a n ka n dt o w e r , b u tt h et r a d i t i o n a lf b gt e m p e r a t u r e s e n s o rc a no n l yh a v el e s st h a n2 0p r o b e sb e c a u s et h el i m i to ft h eb a n d w i d t ha n d o t h e r s ；a tt h e s a m et i m et h ef b gt e m p e r a t u r es e n s o rh a v eh i 曲e i r e q u i r e m e n tt o t h em o d u l a t ea n d d e m o d u l a t es y s t e m ，a n dt h i si sab i gh u r d l et ot h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o n a i mt os o l v et h e s ep r o b l e m s ，t h r o u g hn u m e r o u se x p e r i m e n t sa n dr e s e a r c h e s ，af i r e a l a r m i n gs y s t e ms a t i s f i e dt h ep r a c t i c a ln e e do fp e t r o c h e m i c a lt a n ka n dt o w e ra r ei n t r o d u c e di n t h i sp a p e r t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e ri n c l u d e s ： 1t h ei d e n t i c a lf i b e rb r a g g g r a t i n gt e c h n o l o g ya r ef i r s ti n t r o d u c e da n ds u c c e s s f u l l ya p p l i e di n t h ef i r ea l a r m i n gs y s t e m m a n ye x p e r i m e n t sa n d p r a c t i c a lt e s th a v ed o n ea n dg e ts a t i s f i e d r e s u r 。 2w d ma n di d e n t i c a lf i b e rb r a g gg r a t i n gt e c h n o l o g ym u l t i p l e x i n gi sm e n t i o n e di n t h i s p a p e r ，a n di ts u c c e s s f u l l ya p p l i e di nt h ef i r ea l a r m i n gs y s t e m 3l o t so fa n a l y s e sa n dr e s e a r c hh a v eb e e nd o n et ot h ed e m o d u l a t es y s t e m ，s u c ha st h e m u l t i c h a n n e lp a r a l l e l t e c h n o l o g y ，a n a l y s i st e c h n o l o g y o f s y n c h r o n o u ss c a n n i n g w a v e l e n g t ha n dt h et e c h n o l o g yo fc o m p o s i t ea n g l et u n i n g 4 a c c o r d i n gt ot h ep e t r o c h e m i c a lt a n ka n dt o w e rf i r ea l a r m i n gs y s t e m , w eg e tm a n yp r a c t i c a l c a s e s ，t h r o u g ht h e s ec a s e sw ec a nu n d e r s t a n dt h ec h a r a c t e r so ft h ef i r ea l a r m i n gs y s t e m ，a n d i t s a d v a n t a g e k e yw o r d s ：f i b e rb r a g g g r a t i n g ，p e t r o c h e m i c a lt a n ka n dt o w e r , f i r ea l a r m i n g s y s t e m ，w d m 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 大型石油储罐光纤光栅火灾报警系统研制的意义 在国民经济工业生产中，对温度这一参量的测量十分广泛，其测量方式多种多样，技 术比较成熟，但大都是采用机电类温度传感器。然而，这种机电型温度测量技术离不开电 信号进入钡5 量现场，这就决定了其应用的局限性，如对易燃易爆危险品生产与储运过程中 的温度检测与控制，带有电信号的测量手段就难以涉足。 为克服传统的电类传感器的局限性，从上世纪七十年代开始，国际上出现了光纤传感 器。众所周知，光纤在通信技术中主要用于长距离传递信息，但是，光纤不仅可以作为光 波的传播媒质，而且光波在光纤中传播时表征的特征参量( 振幅、相位、电场、位移、转 动) 的作用而间接或直接地发生变化。从而可以将光纤用作传感元件来探测各种物理 量。光纤传感技术是上个世纪7 0 年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的、以光 波为载体、光纤为媒质，能感知和传输外界被测量信号的新型传感技术。 以光栅技术制备的光纤光栅温度传感器除了具有普通光纤传感器的许多优点外，还有 一些明显优于一般光纤传感器的特征，其中最重要的就是光纤光栅传感器是数字式的，它 的传感信号为波长调制，其好处在于：测量信号不受光源起伏、光纤弯曲损耗、连接损 耗和探测器老化等因素的影响；避免了一般干涉型光纤传感器中相位测量的不清晰和对 固有参考点的需要；能方便的使用波分复用技术在一根光纤中串接多个布喇格光栅进行 分布式测量；由于光纤很细、柔软，很方便粘贴或埋设在被测物内部进行直接测量； 能进行远程监测：灵敏度高，可靠性强等。 温度的测量与报警在许多行业与领域起着十分重要的作用，能否对被测环境进行准确 及时的温度的测量与报警是企业进行安全生产的基础与保障。特别是对易燃、易爆等恶劣 环境更显示其重要性。在石化行业，对大型油罐进行实时温度报警已经成为迫在眉睫的工 作。2 0 0 0 年中国石油化工集团发文要求全国5 万方以上大型石油储罐全部安装火灾报警 系统，但设计部门一直无法在国内外选用合适的火灾报警装置，尽快提供性能可靠，工作 稳定，安全程度高，测量准确，性能价格比高的仪表具有十分重要的意义。 光纤光栅火灾报警系统的研制正是基于上述要求提出的，它能够很好地满足现场需 要，克服传统电传感器的诸多缺陷，原理可行，技术可靠，将会成为新一代理想的火灾 监测报警系统，极大提高我国测温仪表的技术水平，解决我国诸多行业的以传统的测量 武汉理工大学硕士学位论文 技术无法涉足的安全监测的技术难题，提升相关行业生产安全管理水平，促进技术进步a 本项目主要解决了对安全性、可靠性要求很高的大型石油储罐等易燃易爆场所的 温度安全检测，实现现场非电、远程、长期在线、分布式、数字化火灾报警与监控，以达 到可靠的安全控制目的。 传统的电类传感器已经形成产业，并在国民经济各行业中发挥着重要作用。但是由 于它本身固有的缺陷，其使用有很多局限性，如难以实现现场非电测量；抗电磁干扰能力 较差；抗恶劣环境的能力不强，因此长期稳定性差；难以实现大容量、分布式、数字化和 网络化测量；对窄小空间和被测物内部或界入性探测无能为力等等。因此，在应用中，特 别是对大型石油储罐等易燃易爆场所的火灾报警难以实现。电类传感技术的这些弊病，正 是光纤光栅传感技术的突出特点和优势。光纤光栅火灾报警系统的研制与开发将带动整个 传感技术领域的发展，使其提升到一个新的水平。 1 2 国内外光纤光栅传感技术的应用现状 近年来，对光纤光栅的研究取得了重大进展1 4 ” 1 6 ，主要集中在光纤光栅的紫外光照 射生长动力学、光学特性和成栅技术的研究；光栅的制各技术日趋成熟，光纤光栅技术拓 宽了光纤技术的应用范围。在光通信方面，根据特定的光栅结构可以制成满足各种光纤通 信要求的有源和无源器件：在传感技术方面应用于先进的智能传感系统。 b r a g g 光纤光栅具有优良的选频和色散特性，可用来构成w d m 系统网络中大量关键 元部件，而且通过优化设计光纤光栅结构参数，可获不同应用要求的基于光纤光栅的功能 部件，如光纤放大器、光纤反射器、波分复用器等，而且光纤型结构可大大的降低这类部 件的插入损耗。有文献报道光纤光栅在光交叉互连( o x c ) 中的应用；光交叉互连是波分复 用全光网的关键部件，通常由滤波器和空间光开关阵列构成，新型的光交叉互连采用光纤 光栅作为上下路滤波器来实现通道的信息交换。 光纤光栅可用于位移、应力、应变或温度等物理量的传感测量，具有较高的灵敏度和 测量范围，适应于高温、高压和危险性环境等，可靠性高。目前国内多家研究单位在光纤 光栅传感方面做了大量的工作，同时也开展了光纤光栅传感网络方面的研究。 光纤光栅及其应用技术正处于产品研制开发阶段，随着光纤光栅技术的不断成熟和商 用化，专家们预言，从光纤通信、光纤传感到光计算机和光信息处理的整个光纤领域将发 生一次变革性飞跃。光纤光栅的出现将改革人们在光纤技术应用中的传统设计思想，可以 武汉理工大学硬士学位论文 说光纤光栅技术是继掺铒光纤放大器( e d f a ) 技术之后光纤技术发展的又一个新的里程碑。 光纤光栅技术使得全光纤器件的研制和集成成为可能，从而为人们梦寐以求进入全光信息 时代带来了希望。 由于光纤由绝缘耐高温材料制成，光纤传感器可以工作在强电磁场、高温有腐蚀性的 以及有爆炸危险性的恶劣环境中，因而光纤传感器比其它传感器有更广阔的应用范围。近 年来，随着半导体激光器的出现，光电技术的不断发展及光电器件成本的降低，光纤传感器 的研究已成为倍受关注的分支。 上世纪丸十年代以来，国外对光纤光栅传感系统进行了很多研究，并取得了一些应用 成果。如美国在波音7 7 7 跟踪复合材料的温度、应力、应变等物理量变化的实验中应用光 纤布喇格光栅技术取得了显著成果；法国，瑞士，比利时，葡萄牙正在联合研制用于矿井 安全监测的光纤光栅准分布传感系统；德国西门子公司正在将光纤光栅传感器用于气冷涡 轮发电机定子温度的测量，他们用环氧树脂将光纤光栅埋入定子中，光纤光栅经过特殊的 封装，以保证在真空和4 b a r 压强下没有形变，并且对1 6 0 。c 温度下环氧树脂中的化学和 物理变化不敏感，他们的目标是连续测量范围从2 0 c 至01 6 0 1 3 ，测量精度小于1 。同时， 他们还在同一发电机中对大电流进行了测量；挪威的o p t o p l a n 正在开发用于永久井下测 量的光纤光栅温度和压力传感器。 目前，现有的裁用光纤传感技术进行温度测量的有嘲曼散射、光纤b r a g g 光栅等不同 的方法。 图卜2 一l 为利用喇曼散射进行大型石油储罐火灾报警的典型方案。使用该方案进行大 型石油储罐火灾报警与监测，长期使用性能稳定性差，信号处理非常复杂，系统造价昂贵。 从图卜2 一l 中可以看出，整个系统工作时，多个石油储罐相互串接，使用一台调制解调仪 表进行显示与监测，在实际应用中带来的主要问题有： ( 1 ) 光源： 利用喇曼散射进行大型石油储罐火灾报警测量时，系统检测的是光纤中的喇曼散射 光，其光强微弱。为了保证系统能够工作，其光源发光强度必须很高，而目前市场上大 功率发光元件的价格极高，而且使用寿命短，不利于系统长期工作。 ( 2 ) 可靠性： 系统测量的是回光强度，是模拟信号，其大小受光源稳定性、接收系统灵敏性、传输 光缆的损耗以及现场安装方式等诸多因素的影响，因而系统的可靠性差。 武汉理工大学硕士学位论文 圈卜2 1 利用喇曼散射进行大型储罐火灾报警的典型方案 ( 3 ) 重复性： 由于系统测量的是模拟信号，系统检测的温度受多种因素的影响，因此显示数据的重 复性较差，必须在专业人员的指导下经常进行标定，对操作人员的素质要求高，增加了现 场工的劳动强度。 ( 4 ) 响应时间： 系统测量时，报警点的确定使用了光时域技术，而该技术进行定点时。必须对大量的 测量数据进行多次平均，反映时间长，无法满足现场消防的要求。 ( 5 ) 维护性能； 多台石油储罐使用一台调制解调仪表，系统维护维修时极为困难。当一台石油储罐上 的传感器出现故障检修时，所有传感器均不能正常使用。 由于以上原因，利用喇曼散射进行大型石油储罐火灾报警的产品并没有形成，目前该 项技术还处于实验室研制阶段。 采用光纤光栅进行火灾报警的产品在国内外未见诸报道，而采用分布式测量方式进行 温度监测报警的成熟技术( 产品) 主要是感温电缆测量方式，该方法应用多年，但由于原 理上的局限，在该测量领域多年来未取得技术突破，致使其缺陷始终无法弥补。 4 武汉理工大学硕士学位论文 光纤光栅温火灾报警系统采用光信号进行检测与传输，监测现场完全无电，本质安全 防爆，具有极强的抗电磁干扰能力，并且随时可以进行在线检测，是感温电缆测量方式的 理想的替代产品。 目前限制光纤光栅技术在大型石油储罐上进行火灾报警的最主要障碍是多点测量( 3 0 个点以上) 和传感信号的解调。正在研究的光纤光栅传感解调方法有许多，但是能够实际 应用的解调产品并不多，而且价格昂贵。据查，目前美国国家计量标准局正在制订有关光 纤光栅传感器标准。美国的m i c r o no p t i c s 是一家光纤光橱传感解调产品做比较好的公司， 他们用可调法一泊腔滤波方法生产的f b g i s ，其动态范围约3 0 n m ，分辨率为l p m ，测量精度 6 p m ，扫描速度5 0 t t z ，价格约2 万美元。他们新推出的f b g s l i 采用可调激光扫描方法， 其动态范围 3 0 n m ，分辨率为l p m ，测量精度_ _ s p m ，扫描速度l o o h z ，可以同时对四路光 纤多达2 5 6 个布喇格光栅进行询查，但价格需几万美元。美国b l u er o a dr e s e a r c h 推出 一种基于啁啾光栅的解调系统，取样率可达7 k h z 并称最高可达3 m h z ，价格约5 千美元， 但这种解调系统只能解调一个光纤光栅，而且分辨率和精度都不高。美国l u n a 准备2 0 0 2 年完成d g d s 的原型机，号称可以同时测量四根八米光纤上的3 0 0 0 个布喇格光栅传感器， 报价为十万美元。如此高的价格很难在我国实际工程中得到广泛应用，因此，研究开发适于 实际工程应用的解调系统，降低解调系统的成本，是使光纤光栅传感器能够在实际工程应用 中得到推广的关键问题。本课题中采用全同光纤光栅技术制作传感器，很好地解决了光纤光 栅解调问题，极大地降低了产品的造价成本，同时满足了现场实际应用需要。 1 3 本课题的主要创新点 ( 1 ) 全同光纤光栅技术 为了有效解决单回路多点检测( 3 0 个点以上) 问题，根据大型储油罐火灾报警的特点， 本课题首次提出了全同光纤光栅的概念，创造性地利用全同光纤光栅技术，成功地解决了 应用难题。 ( 2 ) 波分复用与全同光纤光栅混合复用方法 利用全同光纤光栅技术制作的光纤光栅火灾报警系统，可以有效地检测被测环境的温 度变化，系统将整个测量系统当作一个测量点，始终显示的是被测环境中的最高温度。然 而，在某些特殊的场合，我们需要对被测环境进行分区检测( 例如，在石化行业，1 0 万立 方米的大型原油储罐的直径为8 0 米，与消防设旌配套，需要进行四个区域的温度监测) ， 这就对全同光纤光栅火灾报警系统提出了挑战。本课题采用波分复用与全同光纤光栅混合 复用方法研制的分区光纤光栅火灾报警系统成功地解决了这一难题。 5 武汉理工大学硕士学位论文 第二章光纤光栅及其传感原理 光纤光樱传感是随着光纤通信技术的发展而逐步发展起来的一项崭新技术。其传感量 以光信号的形式在光纤中传输，不受电磁干扰，可以在恶劣环境中工作。光纤光栅体积小、 插入损耗低、与光纤兼容，与波分、空分、时分复用光纤系统结合，可以组成分布式光纤 传感网络，在建筑、桥梁、航空、石油和化工领域具有广泛应用1 3 5 q 7 1 。 2 1 光纤光栅的传感原理 图2 - 1 1 为光纤b r a g g 光栅结构示意图。 图2 - 1 1 光纤b r a g g 光栅结构示意图 在b r a g g 光栅中，反射波长由下式“给出： 九t 孙呵人 ( 2 2 一1 ) 其中，l _ 是光纤芯区有效折射率，a 是光栅周期。只有满足b r a g g 条件的光波才能被布 喇格光栅反射。对上式取微分可得： v k - 2 x v n 疗x a + 2 x n 可v a ( 2 2 2 ) 从2 一卜2 式中可以看出，当外界的应力、温度等参量发生改变时，将会导致光纤光栅 的a 或者n 啊的改变，因而检测光纤光栅中心反射波长的变化，可以获知外界参量的变化。 图2 - 1 2 是光纤光栅传感原理示意图。一般而言，利用光纤光栅制作的传感器系统， 主要包括：宽带光源、光栅探头、解调仪等部分。系统工作时，宽带光源发出的宽带光经 过光纤( 光缆) 传输到现场检测探头( 图中s 1 、s 2 、s 3 s n ) ，当现场检测探头受到外 武汉理工大学硕士学位论文 界的应力、温度等参量的影响时，其中心波长将会发生响应的变化。系统解调仪通过检测 光纤光栅反射波中心波长的变化值，就可以反映现场物理参量的变化值( 如应力、温度等) 。 2 。1 1 光纤光栅的温度响应 s n 川。l s 1 s 2 s 3 一一s n 圄2 一l 一2 光纤光栅传感原理示意图 当光纤光栅不受应力作用，只是环境温度发生变化时，光纤光栅中心反射波长的变化 2 2 ，”，”为 九九2 ( 口+ ) r ( 2 2 3 ) 式中口= ( 1 r ) ( a l z r ) ，为光纤的热膨胀系数，考- ( 1 n ) ( d n d t ) ，为光纤的热光系数。 由此可见，光纤光栅周围温度的变化可以由光纤光栅b r a g g 波长的变化来反映，即： 九- k l a t ( 2 2 4 ) k f 为温变系数，丁为温度的改变量，九为b r a g g 波长的改变量。 2 1 2 光纤光栅的应交响应 光纤光栅应变传感的原理是：当光栅周围的应力或者应变发生变化时。将导致光栅周 期或纤芯折射率发生变化，从而产生光栅b r a g g 信号的波长位移a a ，通过监测b r a g g 波 长位移情况，即可获得栅周围的应力或者应变变化情况。 由外界应力引起光纤光栅轴向应变和折射率变化造成光栅b r a g g 反射波长移动 甄她”，由下式给出： 7 武汉理工大学硕士学位论文 a x h | x e k t ( 2 2 5 ) 这里九是光栅b r a g g 反射波长，九为在外界应力作用下光栅b r a g g 反射波长移动量，f 是光纤轴向应变，可表示为： s - a a z 。 k 。 ( 2 2 6 ) 在实际应用中，g 是个很小的量，为此引入应变量的1 0 4 即, u e ，作为光纤光栅度量单 位。 2 1 3 光纤光栅的压力响应 压力的变化印将导致光纤光栅产生相应的波长的移动2 8 ”a a ，： 等- 型n a 卡a 等+ 矧印 k l印 印f 4 ( 2 2 - 7 ) 对单模光纤来说，由于压力导致的光纤直径的变化，与光纤物理长度和折射率的变化 相比，其影响是可以忽略不计的。 a l 。( 。1 - 2 v ) p le 塑n 一2 p ( 1 2 u ) ( 2 p ，：+ n 。) n2 e 、 、。 其中e 是光纤的杨氏模量。给定卅一a a a ，则 三坠( i - 2 v ) a 印 e 一1j o n 一车；( 1 2 ) ( 2 _ p 。2 + | p ，) ，l 如丝、 因此，光纤光栅的压力响应可以表示为： 。九卜竿嗉u 2 p 1 2 + p n ) a p 协z 删 2 2 光纤光栅解调技术 光纤b r a g g 光栅的理论研究到目前为止已取得了很大成就，有关其实用性方面的研究 还需要进一步深入。而对于如何检测传感光栅b r a g g 波长的微小偏移，是光纤b r a g g 光栅 传感器实用化面临的关键技术。最为常用的n 群解讽疗法氤光潜阋蝴蝇基四驻嘣呦渤去、可 武汉理工大学硕士学位论文 调窄带光源解调法、边缘滤波法、非平衡m a c h z e h n d e r 干涉检测、可调光纤f a b r y p e r o t 滤波器解调【1 4 _ 2 5 1 。 2 2 1 光谱仪检测法 国2 - 2 1 光谱仪检测光纤光栅波长示意图 对光纤光栅传感器的波长移位最直接的检测方法就是用光谱仪检测输出光的a 。，如 图2 4 1 所示。这种方法结构简单适宜于实验室使用。但是受到光谱仪的分辨率的限制， 传统的以色散棱镜或衍射光栅为基础的光谱仪分辨率较低，无法满足要求。而高分辨率的 光纤光谱分析仪分辨率可以满足要求，但价格昂贵，体积庞大。所以在一个面向实际应用 的传感器系统中采用这类光谱仪检测光纤光栅的波长移位是极不现实的。更重要的是它不 能直接输出对应于波长变化的电信号，这对于测量结果的纪录、存储和显示以及提供给控 制回路必要的电信号己达到工业生产过程自动控制的目的都是不方便的。 2 2 2 边缘滤波法 根据波分藕合器的传输特性，在1 5 2 0 1 5 6 0 n m 的波长范围内，耦合器的效率与波长 基本呈线性关系，因而可以利用该特性来测量波长的变化。 测量系统如图2 - 2 - 2 所示。宽带光源发出的光被传感光栅反射回来后进入祸合器。藕 合器的出射光分为两束，两束出射光通过光电探测器变成电信号，经过处理后消除光功率 变化的影响，最后得到波长的变化量。 9 武汉理工大学硕士学位论文 图2 - 2 2 利用波分耦合器测量f b g 波长示意图 这种方法的电子处理电路比较简单，但是受到器件传输特性的影响，测量的分辨率比 较低。 2 2 3 干涉滤波法 非平衡m z 干涉仪解调法 图2 - 2 3 ( a ) 为用非平衡m a c h z e h n e l e r 光纤干涉仪检测波长移位的原理图。宽带 光源发出的光经过耦合器入射到传感光栅上，被反射后送到m - z 干涉仪，其输出光强为： ，( a ) 一爿 1 + b c o s 印( ) + 妒o ) 】) ( 2 - 4 1 ) 式中a 、b 为常系数，妒n ) 一2 n n d 九，是干涉仪两臂的相位差，妒o ) 为随机相位差， 是噪声，由反射光波长移位a 如引起的干涉仪相位差变化为： 氓一警帆等争拈 童一1 丝 k6 ( 2 4 2 ) ( 2 4 3 ) 式中& 为应变变化量，亭为应变一移频分辨率，对于动态应变则有： 妒o ) ：一【掣】九s i n 删 惦 ( 2 - 4 4 ) 以上只考虑了应变单参量检测的情况。此法的优点是分辨率高，缺点是对准静态的检 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 测不适用，因为信号的频率与妒( f ) 的变化可拟时，妒o ) 很难抑制。 图2 2 3 ( b ) 示出了一种可用于准静态检测方案，对非平衡m z 干涉仪加了一个参考光 栅，相当于对接收到的信号外加一个频率为w 的调制频率，于是信号光栅和参考光栅的反 射信号经过带通滤波后再由相位计处理，可以消除干扰，适用于准静态应变测量。 带通滤波相位计 ( 峥 图2 2 - 3 非平衡m z 光纤干涉仪解调示意图 迈克耳孙干涉仪解调法 迈克耳孙干涉仪解调法的基本原理是让来自传感光栅的光波进入短臂缠绕在受锯齿 波信号驱动的压电陶瓷上的非平衡扫描迈克耳孙干涉仪，其输出信号经探测器接收后变为 电信号，经过适当处理后的压电陶瓷的驱动信号分别作为待测信号和参考信号一起输入相 位计。在温度不变的条件下，当干涉信号变化的频率与参考信号的频率致时，相位计所 显示的值与施加在传感光栅上的待测应变值成讵比，那么相位计的变化就和应变值的变化 武汉理工大学殒士学位论文 成正比。 此方法的优点是在良好的环境条件下可以达到较高的精度，其缺点是影响系统精度的 因素较多，如压电陶瓷和锯齿波信号的频率必须一致干涉仪两臂的长度差和相位计的读 数精度都会影响系统的传感分辨率。如果要监测动态应变还需要详细分析相位随时间变化 的规律。 2 2 4 波长扫描法 匹配光栅滤波法 匹配光栅滤波法是利用另一个f b g ( 参考光栅) ，在驱动元件的作用下借助外差载波 技术来跟踪f b g ( 传感光栅) 的波长变化，使得参考光栅的反射波长在某个时刻或某段时 间内和传感光栅的反射波长一致。实现参考光栅对传感光栅信号的解调法如图2 2 4 所示。 传感光栅的反射光入射蜀参考光橱上，当参考光栅反射波长与传感光栅反射波长致时， 光被反射而没有透射：通过测量最大反射功率或最小透射功率便可测出传感光栅的波长移 动量，即表明参考光栅和传感光栅反射波长一致，此时驱动元件驱动信号对应着传感光栅 的反射波长，通过测量驱动元件的驱动信号即可获得被测的应力或温度。 该传感方法结构简单、造价低廉，其精度受光源稳定性和外界干扰的限制，同时对探 测器也提出了较高的要求。其静态轴向应变分辨率约为1 口s 瓦。 帑合嚣 图2 - 2 - 4 匹配光栅滤波解调示意图 武汉理工大学硕士学位论文 可调窄带滤波法 此法是用窄带可调谐光输入光纤光栅，并周期性的扫描变化其输出波长以扫描光纤光 栅的反射光谱，由每次扫描反射光最强时的l d 扫描电压即可得知相应的波长谯k ，此法 的研究热点是：窄带可调谐光源，其中包括可调谐外腔半导体激光器和可调谐光纤激光器。 图2 2 5 给出了可调谐激光器用于温度测量的原理图。其中工作于9 8 0 h m 波长的钛宝石激 光器作为泵浦光源由波分复用器( w d m ) 和带有光栅的传感光纤相连。w d m 的另一端焊接有 5 m m 长的掺铒光纤，其输出端为渡银反射镜，此反射镜和光纤光栅形成谐振腔，当泵浦光 输入时就形成激光振荡，于是光栅对反射光有选择性，而银反射镜则为宽带反射镜，所以 只有波长是九的光起振。当外界的温度场作用于光栅时，其中心波长发生漂移，使激光 器输出波长改变，实现了波长谐振。 采用光纤激光器构成的有源光纤激光器，其最大有点是显著提高了输出波长a 。的光功 率，使之与一般宽带光源相比，传感信号的信噪比有了极大的提高，为波长移位的检测提 供了良好的基础，便于采用低价的检测器件。不足之处是： 图2 - 2 5 用光纤激光器作为调谐光源f i 匀温度传感器 光纤激光器可靠地起振，掺铒光纤应有一定长度，而长的谐振腔容易导致多模振 荡。泵浦功率越强，起振模式越多。所以，采用光纤激光器虽然提高了信噪比，但却增加 了多纵模模式噪声，它依然会影响传感系统的可靠性和单值性； 采用光纤激光器不利用采用分布测量，因为单一光纤中串入多个不同中心波长的 武汉理工大学硕士学位论文 光栅，将会增大腔内总损耗，导致起振困难； 外界各种干扰因素都会引起光纤激光器的随机起伏，从而增大测量结果的不确定 度。 可调谐f p 腔法 可调谐f p 腔法原理如图2 2 6 所示。可调谐f p 腔由两个高反射透镜构成，当 平行光入射到f p 腔时，只有满足相干条件( 由f p 腔的腔长决定) 的光才能通过， 形成窄带滤波。这辩方法与匹配光栅法的主要差别是：角可调谐f p 腔代替了匹配光栅， f p 腔的自由光谱范围比光纤光栅的工作谱区大，从而可以保证光纤光栅的反射信号总 能被f p 腔检测到。可调谐f p 腔滤波法可以用于绝对测量和相对测量，也可用于动 态和静态测量。 箨尊 图2 - 2 - 6 可调谐f p 腔滤波法原理图 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 第三章光纤光栅感温探头的制作 光纤光栅传感器探头是直接从外界获取信息的终端设备，它的可靠性和灵敏度直接决 定了传感系统的可靠性和灵敏度，本课题中的感温探头也是光纤光栅火灾报警系统的核心 部分，其制各技术是课题的主要难点之一，也是系统能否正常工作的关键。我们经过大量 的实验研究，探索了套特定的工艺程序和合适的敏感材料，解决了光纤光栅的蠕变和重 复性问题，消除了外力使光栅波长发生飘移的问题。本课题的感温探头由测量光栅、导热 感温元件等部分组成，在感温探头内部的光纤光栅经过特殊封装，采用机械挤压固定生产 工艺保证了光栅波长不因安装发生移动，同时也保证了探头在一5 0 一1 5 0 的大温度动态 范围内保持高灵敏度和高稳定性。 在火灾报警系统中，多个感温探头相互串接，光纤光栅和光缆之间的连接是在专用的 焊接设备上进行，保证了焊接质量，特别是保证低的焊接损耗。感温探头之间的距离以及 探头数量根据现场情况确定，以保证现场准确测量与合理报警为原则。 3 1光纤光栅的制作 本课题所应用的光纤光栅是使用准分子激光器采用相位掩膜法制作的均匀周期性 b r a g g 光栅。 图3 一卜1 为利用相位掩膜板制作光纤光栅的实验装置图。德国l a m d ap h a s e 公司生产 的k r f 准分子激光器发出的波长为2 4 8 n m 的紫外激光脉冲光束垂直入射到相位模版上，脉 冲重复频率设置为4 8 h z ，脉冲宽度为2 0 n s 。实验中所用相位掩模板为加拿大s t o c k e r y a l e 公司研制的零级抑制的相位掩模板，光栅周期分别为8 9 7r i m 和1 0 7 8 n m ，零级衍射光能受到 抑n d , 于5 ， 正负一级衍射能量被极大化。相位模版靠近光纤放置，并进行微调使相位掩模板刻蚀槽与 光纤轴线成垂直。透过相位掩模板的正负一级衍射光束相干形成空间周期为a 2 的光强 分布场，直接照射放置于相位掩模板后的经过载氢敏化处理后的武汉长飞公司生产的标准 单模光纤，由于载氢敏化处理后的光纤的光敏性，使得纤芯的折射率得到调制，呈现出与照 射光空间周期相同的折射率分布，在光纤上形成b r a g g 光栅。宽带光源、分路器与光谱分 析仪( a n d 0 6 3 1 7 c ) 用于实时测量所形成光栅的反射光谱，以实现在编码式光纤光栅的制造 过程中对其形成进行实时监测。 武汉理工大学硕士学位论文 图3 - 1 1 编码式光纤光栅制作设备 如图3 一卜2 所示，将用电子束曝光刻好的图形掩膜置于裸光纤上，相位掩膜具有压制 零级、增强一级衍射的功能。紫外光经过掩膜相位调制后衍射到光纤上形成千涉条纹，写 入周期为掩膜板周期一半的b r a g g 光栅。这种成栅方法不依赖于入射光波长，只与相位光 栅的周期有关，因此。对光源的相干性要求不高，简化了光纤光栅的制造系统。 + l 嘏 一l 媛 图3 - 1 2 相位掩膜法 1 6 武汉理工大学硕士学位论文 3 2 光纤光栅的退火处理 当用紫外光在光纤上刻制光栅时，我们可以观察到光纤光栅的b r a g g 中心波长向长波 方向漂移，如图3 2 一l 所示： 图3 - 2 1b r a g g 中心波长的漂移 随着曝光时间的增加，光纤纤芯有效折射率的变化增大。b r a g g 中心波长因此向长波 方向移动。b r a g g 波长的漂移量是随着时间线性增加的，而且经过一定的暴光时间后， b r a g g 反射的增长达到饱和值。 光纤光栅制成以后，光纤光栅的中心波长缓慢的向相反的方向即短波方向移动，中心 波长的漂移量受几个方面因素的影响，比如光栅的反射率，光纤中氢的浓度，紫外光的暴 光量等。光纤光栅中心波长随时问漂移的情况以及在1 2 4 o n 处光纤的吸收峰随时间的变 化情况如图3 2 2 所示。其中在1 2 4 o n 处光纤的吸收峰是光纤中氢的浓度的指示计。 光纤光栅形成以后光纤中氧的浓度显然与光纤光栅中心波长的漂移相关联，这种漂移 对需要稳定的中心波长的器件，比如光纤激光器光纤光栅传感器等产生严重的影响。解决 此问题的其中一个方法就是对制作的光纤光栅进彳亍退火处理。在较高的温度下，经过载氢 处理后的光纤中的氢，与室温条件下相比，逸出速度更快。因而光纤光栅中心波长的漂移 会加速，更快的达到一个稳定状态。 1 7 武汉理工大学硕士学位论文 t i m e ( h o u r s ) 图3 2 2 波长随时间漂移和吸收峰变化情况 盆 已 置 当光纤光栅的温度发生变化时，它的中心波长会因为热盆张效应对有效折射率和光栅 周期的影响而随之变化。在2 5 c 到2 0 0 ( 2 之间，对光纤光栅中心波长随温度的变化作一次 循环的测量，我们却发现两条曲线是有着明显差异的，如图3 2 3 所示 t e m p e r a t u r e ( o c ) 3 - 2 3 光纤光栅的热滞效应 1 8 一u】一墨受萎鐾g 善u)芷雷一墼舅譬击 武汉理工大学硕士学位论文 循环后所测的室温下的中心波长小于循环前的，另外，光纤光栅中的热滞现象其飘移 方向与氢的逸出是一致的。如果在1 5 0 c 的温度下退火4 8 小时，热辎现象就会消失，在 同样的温度下，循环后所测的中心波长就不会小于循环前的。如图3 - 2 4 所示 经过退火处理以后，在退火温度以下，光纤光栅的性能在长时间内都是稳定的。 图3 2 4 退火后热滞效应的消失 3 3 光纤光栅感温探头的制作 图3 - 3 - 1 为光纤光栅感温探头结构简图，图3 3 2 为光纤光栅感温探头实物图。 如前所叙述，在制作光纤光栅感温探头的过程中，我们必须考虑到在现场实际应用时， 光纤光栅不得受到应力应变的影响，从而保证系统数据的真实性和可靠性，为此，我们进 行了大量的试验和数据分析，采用特殊的结构和工艺进行探头封装，解决了光纤光栅的现 场蠕变，保证了探头检测的重复性，消除了外力使光栅波长发生飘移的问题，使光纤光栅 感温探头的现场应用成为可能。 喜一96uel耋艏明 武汉理工大学硕士学位论文 图3 3 - 1 光纤光栅感温探头结构简图 1 连接光缆2 探头保护管3 测量光栅4 导热感温元件5 单模光纤 图3 - 3 2 光纤光栅感温探头实物图 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 4 1 概述 光纤远程传感已为人们所认识，并发展到了很广泛的应用领域。远程检测环境状况， 比如温度压力应力等，能够极大的提高工业化生产的能力，并能对危险情况提供早期预警。 目前使用的大多数监测环境状况的传感器往往依赖于电器件完成测量，但是，在较远 处和在恶劣的环境下，使用电类传感器有很多局限性。它们要求提供能源，在高温下容易 损坏，它们必须传输的电信号容易受到电磁干扰。 相反，光纤传感器是无源器件，不需要另外的能源。光纤既能感知信息又能传输信息， 而且不受电磁干扰。尤其是光纤光栅传感器，能够适应各种环境，提供长期稳定可靠精确 的监测，即使环境温度超过2 0 0 c 。它们还具有测量许多参量的能力，比如测量温度压力 应力。测量是光纤光栅反射的光信号的绝对波长编码。这就是说，随着环境的变化，光纤 光栅膨胀或者缩小，编码波长随之变化。 因为光纤光栅感知的信号携带在反射光信号的波长中，因此，对光纤传感系统来说， 测量绝对光波长的器件是至关重要的。解调系统必须提供精确的可重复的绝对光波长的测 量，以连续监测来自于传感器的波长的微小的变化。器件还必须非常坚固，以适应实验室 之外的各种环境的使用需要。 在光纤通讯快速发展的2 0 世纪9 0 年代末期，光纤b r a g g 光栅在波分复用方面取得了 很大的成功，光纤b r a g g 光栅作为复用、解复用器件以及上路、下路滤波器，其中单个波 长的选定和分离是必需的。基于光纤中的折射率的周期性的改变，光纤b r a g g 光栅选择性 的反射一个波长而让其它波长通过，如图4 1 1 所示： 图4 - 1 1 光纤b r a g g 光栅对波长的选择性反射 武汉理工大学硕士学位论文 对波分复用来说，f b g 是作为滤波器来分离各个不同的波长。对于光纤传感应用，利 用的是光纤b r a g g 光栅反射峰的变化。反射峰值波长随着环境状况( 如温度应力压力等) 而变化，变化情况与光栅的粘贴方式有关。f b g 与光纤传感的其它方式相比，有很多优势： f b g 是绝对波长编码测量，因而不受光源强弱以及偏振状态的影响，它对连接器耦合器及 光纤自身的损耗也不敏感，f b g 尺寸小，强度大，可在恶劣环境下持续使用。f b g 是应用 性很广的传感器，可用于测量很多参量，包括温度、应力、压力、地震波以及声波。因为 f b g 是通过紫外光刻写在光纤上，它们尺寸很小，可以镶嵌在结构中，f b g 对远距离传感 来说是非常理想的，因为它的可复用性，而且和测量仪器之间可以相隔很远。 将f b g 作为传感器的选择之一，很多领域已经开始从中受益，许多应用还处于f b g 传感器实施的早期阶段，或者是发展完善特定的f b g 传感器。其优势在石化工业、地质监 测、结构保护等方面特别明显。 石化工业 对石油和天然气的持续不断的探察使得站井越来越深，也使得钻井和生产设备达到了 承受压力和温度的边界线，在生产过程中监测油井的环境状况对确定日产量非常重要。监 测环境状况及其变化趋势可以使超作人员在有大的问题发生前就提前采取有效的行动。这 有助于降低维护费用，减少停产检修次数，因而相当于提高了生产效率。但是，使用f b g 传感器的最大的优势在于它帮助我们将之前去之不取的剩余出量开采出来。 在恶劣的地下洞穴环境中，使用可靠的、精确的传感器和测量仪器非常重要。监测地 下洞穴环境状况的障碍包括有限的可利用空间，高温高压的特定环境，还有就是在离岸油 井的情况下，远离钻探平台的巨大的距离会给实施维护带来困难。因而，f b g 是髓测油井 环境状况的理想传感器。一套可靠的测量仪器也是至关重要的，特别是对离岸油井来说。 地质监测 监测和取得环境数据不仅对保护环境和生态系统非常重要，而且对减小城市和乡村地 下基础结构的损坏同样重要