（精密仪器及机械专业论文）油井远程监控系统的研究.pdf

摘要 近年来油井设备被盗的事件时有发生，给油井的安全生产带来了隐患，针对 现有油井安全检测技术存在的问题，本文设计了一种基于马赫一增特 ( m a c h z e h n d e r ) 光纤干涉仪原理的油井远程监控系统。该系统具有体积小，速 度快等特点，通过检测油井周围的振动信号，判断油井周围是否有异常情况发生。 本文根据油井的现状，构建了油井远程监控系统，并针对以下几方面进行了 研究： 1 介绍了目前世界上防盗监控设备所采用的信号获取方式和手段，分析了各种 防盗监控设备的原理及其优缺点，根据油井的特点选择光纤的马赫一增特 ( m a c h z e h n d e r ) 干涉原理作为油井周围环境信号的获取方法，该方法具有 抗干扰，适应性强，可靠性好，实现简单等优点。 2 设计了一套油井远程监控分布式光纤测试系统，主要包括光源的驱动和保护 电路，光电探测器电路和信号调理电路。 3 设计了一套基于d s p 技术的油井远程监控系统，使用d s p 技术对光纤传感器 采集的振动信号进行模数转换，数字滤波，分析处理，并将对油井周围情况 的判断结果通过g s m 网络发送到油井监控中心。 4 采用虚拟仪器技术设计了一套监控中心的软件系统，完成了监控中心对各个 油井的情况分析、显示和存储报警信息等功能。 5 对油井远程监控系统做了模拟实验，获取了在正常和异常情况下光纤传感器 产生的电压波动值，设定了报警的阈值，为进一步研究打下了一定的基础。 关键词：光纤传感器d s pi i r 滤波虚拟仪器 a b s t r a c t r e c e n t l y , s t e e l i n gt h eo i le q u i p m e n ti ss o m e t i m e sh a p p e n e da n dt a k e st h eh i d d e n t r o u b l et ot h eo i lp r o d u c t i o n a c c o r d i n gt ot h ep r o b l e mo ft h eo i l s a f e t yd e t e c t i n g t e c h n o l o g y ，al o n g - d i s t a n c eo i lw e l lm o n i t o rs y s t e mb a s e do nt h ep r i n c i p l eo f m a c h - z e h n d e rf i b e ri n t e r f e r o m e t e ri si n t r o d u c e di nt h i sa r t i c l e t h ea d v a n t a g e so ft h i s s y s t e ma r es m a l lv o l u m e ，l o we n e r g ya n dh i g hs p e e d b yd e t e c t i n gt h es i g n a lo ft h e v i b r a t i o na r o u n dt h eo i lw e l l ，t h es y s t e me s t i m a t e sw h e t h e rt h e r ea r ea b n o r m a l s i t u a t i o n sa r o u n dt h eo i lw e l l a c c o r d i n gt ot h ea c t u a l i t yo ft h eo i lw e l l ，t h el o n g - d i s t a n c eo i lw e l lm o n i t o rs y s t e m i sd e s i g n e d ，a n ds t u d i e di nt h ef o l l o w i n ga s p e c t s ： 1 t h ew a y so ft h eg u a r da g a i n s tt h e f ta n da l a r ms y s t e mu s e dn o wi nt h ew o r l da r e i n t r o d u c e d b yc o n t r a s t i n gt h ea d v a n t a g e sa n dd i s a d v a n t a g e so ft h e m , t h ew a y b a s e do nt h ep r i n c i p l eo fm a c h - z e h n d e rf i b e ri n t e r f e r o m e t e ri ss e l e c t e dt og e tt h e s i g n a la r o u n dt h eo i lw e l li nt h el o n g - d i s t a n c eo i lw e l lm o n i t o rs y s t e m t h i sw a y h a st h ea d v a n t a g e so fa n t i - j a m m i n g ，h i g hr e l i a b i l i t y ，e a s yr e a l i z a t i o n 一 2 n ec o n s t i t u t eo ft h ed i s t r i b u t e df i b e rs e n s o rs y s t e mi nt h el o n g - d i s t a n c eo i lw e l l m o n i t o rs y s t e mi si n t r o d u c e d ，i n c l u d i n gt h ed r i v i n ga n dp r o t e c t i n gc i r c u i to ft h e l a m p h o u s e ，t h el i g h t - e l e c t r i c i t yc o n v e 瑙i o nc i r c u i t , a n dt h ef i l t e rc i r c u i t 3 t h ed s p ( d 酶t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) i ss e l e c t e da st h ed a t a - p r o c e s s i n gw a yi no r d e r t oa n a l y z et h es i g n a lo ft h ev i b r a t i o ng o tf r o mt h ef i b e rs e n s o ra n ds e n dt h er e s u l t o ft h ee n v i r o n m e n ta r o u n dt h eo i lw e l lt h r o u g ht h eg s m 4 t h em o n i t o rc e n t e ru s e st h el a b v i e ws o f t w a r et og e tt h ea l a r mf r o mt h eo i lw e l l s a n ds a v et h ea l a r m 5 s o m ee x p e r i m e n to ft h i ss y s t e mi sd o n e t h r o u g h o u tt h ee x p e r i m e n t ，t h es y s t e m l i n e so u tt h et h r e s h o l do f 也e a l a r mv o l t a g e k e yw o r d s ：f i b e rs e n s o r , d s p , l l g , l a b v i e w 独创性声明 木人尹i 明所2 交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究：作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得叁盗盘堂或其他教育机构的学位或证 j 使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：漫暂腮 签字日期：2o0 7 年多月盘7 日 学位论文版权使用授权书 本学位沦文作者完全了解苤凄盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂口j 以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。i 列意学校 向圈家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位沦文在解密后适用本授权说明) 黼论文懈签名：覆白始 签字目期：渊7 年月彳日 副雠：李- 弋 签字日期：2 7 年， 呷目 第一章绪论 第一章绪论 1 1 课题研究的目的及意义 全球经济的发展，使得市场对石油的依赖性与日俱增。石油和天然气在世界 能源总消费中的比重，由1 9 5 0 年的9 1 上升到1 9 7 5 年的6 6 5 。长期以来我 国一直以煤炭作为主要燃料，近来，石油、天然气的需求逐渐增大，有取代煤炭 作为主要燃料的趋势。目前，我国的石油消费量仅次于美国，位居世界第二，占 世界石油消费总量的8 1 9 ，并有逐年递增的趋势。从1 9 9 3 年开始，我国已成 为石油净进口国，以后逐年增加，1 9 9 6 年我国进口原油1 3 8 4 5 x 1 0 4 t ，1 9 9 9 年进 口原油2 5 5 8 x 1 0 4 t ，2 0 0 0 年进口原油6 0 0 0 x 1 0 4 t ，2 0 0 3 年进口原油8 0 0 0 x 1 0 4 t 。 我国油田共有油井1 2 万多口，其中9 5 以上是机采，各种油田管理基站1 5 万个左右。随着石油行业的发展，我国又相继发现了许多大油田，油井的数量逐 步增加，各种油井仍在不断建设中。油田的采油井大都位于荒郊野外，分布广泛， 地处偏远，环境特殊，人为破坏严重，传统的人工巡检，巡查，以及相对落后的 防盗监控手段难以保证油井生产的安全。石油企业往往需要大量的人力，物力， 财力来维护生产设备的运转。由于没有一套行之有效的现场生产设备的网络化监 控管理手段，油井的正常生产秩序得不到保护，破坏、偷窃油井设备的事件也时 有发生，我国需要建立一套完整的高效率的油井远程防盗监控设备，以保证油井 的正常生产。 1 2 远程防盗监控系统的种类 远程防盗监控系统的问世已有几十年，最初多应用于军事机构及政府部门， 价格极高，没能进入商业市场，而且由于技术不够成熟，在多变的天气及恶劣的 气候环境下可靠性不高。大约1 0 年前，户外防盗监控系统开始受到广泛注意和市 场重视，特别是随着数字信号处理( d s p ) 技术的进一步发展，户外防盗监控系统 在监控性能和环境适应性等方面有了极大提高，并且价格有较大幅度的下降。目 前常用的防盗监控系统主要有以下几种： 1 红外防盗监控系统： 红外线是一种不可见的光线，采用红外线监控具有良好的隐蔽性，白天和夜 第一章绪论 晚都能够使用。红外监控系统一般由红外发射电路，红外接收电路，无线接收报 警电路三部分组成。通常红外发射电路都是采用脉冲发射，红外接收电路首先将 接收的红外光转换为电信号并进行放大和解调，用于无线接收报警装置。当无人 或物体遮挡红外光时，电路输出低电平，监控器处于监控状态，当有人或物体遮 挡红外光时，电路输出高电平，驱动继电器接通无线发射电路，使得监控室收到 报警信号。红外防盗监控系统现在已经广泛使用，其优点是成本比较低，一般3 5 万元可以安装一套系统，探测范围在1 5 1 5 米，但是误报率较高，而且在恶劣的 天气条件下( 例如雨雪天气时) 无法正常工作。图1 1 为红外防盗报警器示意图【引。 图1 - 1 红外防盗报警器示意图 2 微波防盗监控系统： 微波防盗监控系统又称微波墙式报警系统，系统由微波发射单元和微波接收 单元两部分组成。安装时，发射机和接收机分开相对而立，其问形成一个稳定的 微波场，用来警戒所要防范的周界地带。微波防盗监控系统利用场干扰原理或波 束阻断式原理来探测入侵者，当发射机和接收机之间无阻挡物时，接收机可收到 微波发射机发送的稳定的微波信号，一旦有人闯入这个微波建立起来的警戒区， 微波场会受到干扰，微波接收机就会探测到一种异常信息，当这个异常信息超过 事先设定值时，便会发出报警。微波监控系统同样也存在着在野外及恶劣的环境 中无法正常工作的现象，安装时要注意抗风，防水，而且在其周围不能有高电磁 场的干扰存在。 3 光栅防盗监控系统： 光栅防盗监控系统是将光栅传感器外壳与激振源固定在一起，使其与激振 源一起振动。激振源中的弹簧质量系统与外壳之问产生相对运动，从而在光 电接收元件表面形成移动的莫尔条纹，通过光电转换、信号处理和计数后以数 2 第一章绪论 字信号形式输出进行分析判断。但由于受到光栅制造、传感器设计和调试 等技术的限制，光栅传感器不可避免地存在某些缺陷，如信号幅值不 稳定，信号中心电平漂移等，而且光栅对工作环境要求较高，油污和灰尘 都会影响到它的可靠性。图1 2 为光栅监控系统的传感原理部分【5 1 。 毙滁 丰尤霸 图1 - 2 光栅防盗监控系统传感器原理图 4 地音防盗探测系统1 4 j 。 地音防盗探测器是用来探测入侵者行走时产生的地震波信号，并且将地震 波信号转换为电信号。通过检测地音防盗探测器发出的电信号，判断有无异常 情况产生。由于利用电磁感应原理，将振动速度转换为电动势e 输出，因此地 音探测器不需要电源。地音防盗探测器发出的波形为阻尼震荡信号，对于非入 侵信号一般采用带通滤波器将其滤除。地音探测器的缺点在于其防范不够严 密。 5 光纤防盗监控系统 光纤传感技术是伴随着光通信技术发展而逐步形成的，光纤传感器是近年 来发展的一个热点，它在实现物理量测量的同时可以实现信号的传输，在解决 信号衰减和抗干扰方面有着独特的优越性，并且具有传统传感器所无法比拟的 优势。光纤不仅仅可以用于信号传输，还可作为传感器获取信号。当温度、压 力、电磁场等外界条件对光纤有干扰的时候，光纤传输的光的部分特性( 包括 功率、相位、波长等) 就会改变，通过专门的仪表监测光纤传输的光的特性变 化，就可以得知导致光波参数变化的各种物理量的大小。光纤防盗监控系统正 是利用光纤作为传感介质的一种分布式传感系统，其中，光纤既作为传感介质， 又作为光传输的介质。光纤防盗监控系统可以对一定精度范围内的突发事件进 行远程和实时的监控，使用光纤作为监控手段时，有以下几点优点【5 1 ： ( 1 ) 可靠性好、抗干扰能力强。 ( 2 ) 设备结构简单、尺寸小，适合各种场合，包括河流、山地等复杂地形中。 第一章绪论 尤其适合埋入地下、墙体等各种材料中，具有一定的隐蔽性。 ( 3 ) 抗电磁干扰、抗腐蚀、能于恶劣的环境下工作。 ( 4 ) 可复用性强，采用多个光纤传感系统，可以构成分布式光纤传感网络。 ( 5 ) 可以区分因干扰造成的错误报警。 光纤防盗监控技术可以分为：光纤背向散射防盗监控技术、萨格纳光纤干涉 防盗监控技术、迈克尔逊光纤干涉防盗监控技术、马赫增特光纤干涉防盗监控 技术。 1 光纤背向散射防盗监控技术吲： 脉冲在光纤中传播时，由于瑞利散射发生能量损耗，通过监测后向散射光 强度，根据其衰减程度沿光纤的分布状况来判断周围环境的变化，但光纤的背 向散射信号一般比较弱，难以测量，如果增加光脉冲的功率，可以适当提高反 射光信号强度，但是当光脉冲功率大于一定值后，将会产生受激喇曼散射和受 激布里渊散射，造成系统信噪比下降。由于光纤本身对光信号的衰减将很大， 其背向散射光功率将更弱，探测难度更大。 2 萨格纳光纤干涉防盗监控技术川： 萨格纳光纤干涉效应的基本原理是：当环形光路在惯性空间绕垂直于光路 的平面旋转时，光路内相向传播的两列光波将因光波的惯性运动产生光程差， 从而导致光的干涉。通过光源发出的光，经耦合器被分为光强为1 ：1 的两路光， 分别沿顺时针和逆时针方向在传感光纤中传播，当传感光纤的某处发生扰动 时，会导致两束传输光波相位发生变化，利用这一原理即可实现监测。但萨格 纳光纤干涉技术中，对解调电路的要求很高，必须对光源进行调制，或者对解 调光路进行扫频解调，以确定其零频率点位置，而且系统的成本也很高。 3 迈克尔逊光纤干涉防盗监控技术： 光源发出的光，经耦合器分为两路，分别入射到传感光纤和参考光纤，并 在耦合器处叠加，产生干涉效应。利用监测其干涉光达到防盗监控的目的。迈 克尔逊干涉技术是利用光纤反射光进行干涉测量，其信号比较微弱，需要利用 复杂的解调技术进行相位解调。 4 马赫增特( m a e h z e h n d e r ) 光纤干涉防盗监控技术： 马赫增特光纤干涉技术的原理如图1 3 所示。光源发出的连续光波从传感 器的一端分为光强为1 ：l 的两束光波，在两条光纤中同时传播，并在光纤传感 器另一端汇合形成干涉信号，由第三条光纤将干涉信号传输到光电探测器中， 通过光电探测器将光信号转换成电信号。当测试光缆受到振动时，光缆中的2 条测试光纤都会产生应力应变，2 条传感光纤中传播的两束相干光波都会发生 变化，通过实时检测相干光波的干涉信号的变化来判断周围的情况。马赫增特 4 第一章绪论 干涉技术的解调相对简单，可以简单地采用光电检测器直接进行光功率测量， 光路结构也相对简单。 1 3 课题采用的方案 图1 - - 3 马赫增特干涉原理图 本课题的目的是设计一个油井的远程防盗监控设备，由于油井环境复杂，条 件恶劣，红外、微波等防盗监控手段都不能取得良好的监控效果，而光纤传感器 抗干扰，抗腐蚀能力强，适合于各种场合应用，基于对油井周围环境以及系统实 现难度和效果的综合考虑，系统设计选用了基于马赫增特光纤干涉技术的分布 式光纤传感器作为信号的获取手段。 油井远程监控系统要求测量精准，运算速度快，数据运算量比较大，传统的 模拟信号的处理手段难以满足要求，随着电子技术和数字技术的发展，也带来了 d s p 的快速发展，运用d s p 技术作为信号的处理手段，有着运算速度快，功耗 低等特点。油井地处偏远，分布广泛，需要通过远程发送数据的手段对其进行监 控。近年来，数字移动通信技术迅猛发展，g s m 技术已经得到广泛应用，随着 g s m 网络规模的扩大，宏基站密度增加，g s m 网络能够覆盖大部分地区，易于 构造一个覆盖全市甚至全省的油田生产设备运行维护监控网，实现全市( 或全省) 的油井现场设备的远程监控，集中管理等功能。系统设计时选用g s m 网络作为 远程数据传输的手段，可以使一个油井监控中心监控多个油井运行情况。系统的 总体框图如图1 - 4 所示。 5 第一章绪论 光纤 卜、 信号 卜 d s p 卜、 g s m 卜、 监控 传感器 调理电路 信号处理 网络传送 中心显示 图l - 4 系统总体框图 1 4 本课题研究的意义及主要研究内容 近二十年来，我国经济持续高速发展，能源问题已经成为我国近年来尤为重 要的问题。能源结构从传统的以煤为主逐渐转变为以石油和天然气为主。随着我 国能源结构的变革和对能源需求的增加，石油在我国的地位越来越重要。油井作 为最基本的采油工具，保证其正常的安全生产显得极其重要。由于油井所处的地 理位置一般都比较偏僻，人为的巡检很难做到及时性，经常发生破坏油井生产， 盗窃油井设备的事件。针对现有的油井安全生产存在的问题，本文提出了一种基 于马赫增特( m a c h z e h n d e r ) 光纤干涉原理的油井远程监控技术，该技术以光 纤作为传感器采集油井周围的振动信号，通过对振动信号的分析，检测出油井周 围的情况，其结构简单，能够实现对油井的实时在线检测。 本文的主要工作： 1 阐述了我国油井生产目前存在的问题，通过查阅资料，了解了目前世界上防 盗监控设备所采用的信号获取方式和手段，分析了各种获取方式的原理以及 优缺点，着重阐述了马赫增特( m a c h z e h n d e r ) 光纤干涉防盗监控系统的原 理和特点。 2 介绍了油井远程监控系统的分布式光纤传感器和光电测试系统的组成，设计 了光源的驱动和保护电路，光电探测电路和信号调理电路。 3 设计了一套基于d s p 技术的油井远程监控系统，使用d s p 技术对光纤传感 器采集的振动信号进行模数转换，数字滤波，分析处理，最后将反映油井周 围情况的短消息通过g s m 网络传输到油井监控中心。 4 采用虚拟仪器技术设计了一套油井远程监控的软件系统，完成了油井监控中 心的短消息的接收、判断以及各个油井的报警功能。 5 对油井远程监控系统做了模拟实验，获取了正常和异常情况下光纤传感器采 集到的振动信号的电压情况，设定了报警的阈值，为下一步的研究打下了基 础。 6 第二章油井远程监控系统的分布式光纤传感系统设计 第二章油井远程监控系统的分布式光纤传感系统设计 油井环境复杂，条件恶劣，红外、微波等防盗监控手段都不能取得良好的监 控效果。光纤传感器是近年来发展的一个热点，它在实现物理量测量的同时可以 实现信号的传输，在解决信号衰减和抗干扰、抗腐蚀等方面有着独特的优越性。 基于对油井周围环境以及系统实现难度和效果的综合考虑，本文提出了一种基于 马赫增特( m a c h z e h n d e r ) 光纤干涉仪原理的油井远程监控分布式光纤检测技 术对油井周围环境情况进行监测，该技术利用光纤作为传感器采集油井附近的振 动信号，通过对振动信号的处理和分析，可以有效地检测出油井周围是否有异常 情况发生，并实现油井周围的实时在线监测。 2 1 分布式光纤传感器的测试原理 光波在光纤传输过程中，当光纤受到外界作用时，将对光波的传输特性产生 影响。围绕油井敷设一条光缆，利用光缆中的三条单膜光纤基于马赫增特 ( m a c h z e l m d e r ) 光纤干涉仪原理构成分布式微振动测试传感器，用于测试油井 附近的振动信号。光缆中的两条光纤构成光纤干涉仪的两条测试光纤，而第三条 光纤用于信号传输。其测试系统组成如图2 - - 1 所示。 信号传输光纤 分布式光纤微振动传感器( 传感光缆) 图2 一l 油井远程监控系统分布式光纤传感系统组成图 光源发出的连续光波从传感器的一端分为光强为l ：l 的两束光波在两条测试 光纤中同时传播，在光纤传感器另一端汇合形成干涉信号，由第三条光纤将干涉 信号传输到光电检测器，将光信号转换成电信号，通过放大和滤波电路对信号进 第二章油井远程监控系统的分布式光纤传感系统设计 行处理后，将信号传输到d s p 中进行下一步的分析和处理。 在图2 1 所示的油井远程监控分布式光纤传感器中，两条测试光纤中传播的 光波为相干光波。干涉型分布式微振动测试传感器中的两条传感光纤受到油井附 近振动信号的作用时会产生应力应变，在两条传感光纤中传播的相干波束会分别 产生相位变化，但两条光纤受到外界同一事件作用时所产生的应变并不完全相 同，因而在两条光纤中传播的相干波束所产生的相位变化也不完全相同，所以会 引起两光纤汇合处所形成的干涉光的变化。 在油井远程监控分布式光纤检测系统中，分布式光纤传感器探测的信号源为 油井附近的振动信号，土壤中传播的振动波振幅方程为 8 】： a = 坞c o s ( c o o t p o x ) ( 2 一1 ) 式中，舢为振动波的最大振幅；( - - o a 为振动波角频率，其中国口= 2 n f 。为振动波 频率) ；成为振动波的传播常数，p o = 2 1 t a , 口( 九口为振动波的波长) ；x 为振动 波的初始波程。 油井附近发生事件产生的振动波作用到光缆中的两条单模光纤所组成的传 感器上，设两条测试光纤受油井附近同一振动信号影响所产生的光波相位调制量 分别为s i ( f ) 、s 2 ( o ，沿两条测试光纤传播的两束相干光波均是简谐振动，光纤中 传播的受到调制的光波波动方程可分别表示为： 沙i = a ic o s t o t + 毛o ) + 仍】 ( 2 2 ) j c ，2 = a 2c o s t o t + 8 2 ( f ) + 伊2 】。(2-3) 式中：蛳、忱为两束相干光波的场强；a 1 、a 2 为光波振幅；c o 为光波角频率；铆、 讫为两束光波的初始相位。叠加后的光波振幅彳为： a 2 = 4 1 2 + 彳；+ 2 彳l a 2c o s s 1 ( ，) 一s 2 ( ，) + ( 伊l 一伊2 ) 】( 2 - - 4 ) 设两束相干光波的强度分别为 、如，则1 1 = 彳1 2 ，h = a 2 2 ，缸( 垆s l ( t ) - - s 2 ( t ) ， a t p = 仰一仇，两束相干光波干涉后的光强为： i = i l + 1 2 + 2 4 1 1 ，2cosas(t)+a(p(2-5) 设而为输入到两条测试光纤中的总光强；硝两相干光波的混合效率。则有 1 ( 0 = l o 1 + ac o s a s ( t ) + 缈】) ( 2 6 ) 如果仅考虑交流光强，上式可简化为： j ( f ) = i o a c o s a s ( t ) + 纠 ( 2 7 ) 通过光电检测器将光强信号转化为电流信号，光电流的交流量为： i ( f ) = 1 ：1 0 a c o s a s ( t ) + a t , o 】 ( 2 8 ) 式中k 为光电二极管的响应度。 在上式中砸常为一常数r t 2 ，称为直流偏置或正交偏置。在此偏置处，光 电流和检测相位变化斜率最大，在无检测信号的情况下两个传感光纤的光保持正 第二章油井远程监控系统的分布式光纤传感系统设计 交，检测灵敏度最高【8 】。测试信号是两束相干光波相位调制差厶( 力的函数，由于 两条测试光纤在光缆中排列位置不同，当测试光缆受到振动作用时，产生的应力 应变也不相同，因而在两条传感光纤中传播的两束相干光波产生的相位变化也不 完全相同，血( 力是一个变量，通过实时的检测干涉光信号的变化，则可以检测出 油井周围产生的振动信号，从而实现了油井的实时监测。 2 2 分布式光纤传感系统的组成 分布式光纤传感器的传感光缆，主要由沿油井周围敷设的测试光缆中的两条 传感光纤和一条信号传输光纤组成，传感光纤和传输光纤均为单模光纤。其中两 条单模测试光纤构成m a c h - - z e l m d e r 光纤干涉仪，用于检测油井附近的振动信 号。信号传输光纤主要用于传输光波和测试的光波相位调制信号。 分布式光纤传感系统主要由光源、光隔离器、光源驱动和保护电路、光电探 测器和信号调理电路组成。光源主要用于向分布式光纤微振动传感器中发射光 波。光源采用一个半导体激光二极管，光源产生的光波为连续光波，其频率为光 源本身的固有频率。光隔离器主要是用来隔离光纤中的反射光向光源中传输。光 源驱动电路中，通过一个光电二极管监视半导体激光器的功率的输出并产生控制 信号，同时采用功率自动控制电路调整激光器的驱动电流，保持光源输出的功率 恒定。光源保护电路主要由光源慢启动保护、光源过流保护和反向冲击电流保护 电路组成，以防止光源的损坏，使光源长期稳定、可靠地工作。分布式光纤微振 动检测系统的光电检测电路采用高灵敏度的光电二极管，检测来自传感器的信 号。通过光电检测器可以将分布式光纤传感器中的光信号转化为电信号，并以电 压的形式输出。为了能使数字信号处理器更好地分析光纤传感器中采集的信号， 设计了一个信号调理电路，包括抗混叠滤波电路和一个主放大器，将光电探测电 路产生的电压值滤波后进一步放大，以获得适合数字信号处理器分析的电压值。 2 2 1 光源的选择 油井远程监控分布式光纤检测系统中，光发射机主要用于发射光波，因而光 发射机的关键器件是光源。分布式光纤传感器采用m a c h z e h n d e r 光纤干涉原理， 对光源的性能要求很高，其要求可以概括为【l i j ： 1 光源发射的峰值波长，应在光纤低损耗区域内。 2 光源的中心波长应与光探测器的相应波长相匹配。 3 光源的光功率稳定。 4 单色性和方向性好，以减少光纤的材料色散，提高光源和光纤的耦合效率。 9 第二章油井远程监控系统的分布式光纤传感系统设计 分布式光纤测试系统采用半导体激光二极管作为光源。半导体激光二极管是 利用半导体材料做工作物质的激光二极管，它具有体积小，重量轻，能量转换率 高，寿命长等优点。与传统的半导体发光二极管相比，半导体激光二极管发光功 率大、单色性和方向性好，相干性好。光纤检测系统的光源波长可以选择光纤衰 减最小的区域，通过查阅光纤衰减谱，光纤在1 5 0 0 r i m 到1 6 0 0 r i m 时衰减最小， 为l d b k m ，所以分布式光纤检测系统采用的光源的中心波长为1 5 5 0 n m ，分布式 光纤测试系统采用输出功率自动控制的方法使光源发出的光功率稳定。 2 2 2 光隔离器的设计1 2 0 】 光隔离器又称光单向器，是一种光非互易传输的光纤无源器件。在光纤通信 系统中总是存在由于许多原因而产生的反向光。例如，光发射机中光源所发出的 信号光，是以活动连接器的形式耦合到光纤线路中的，活动接头处的光纤端面间 隙会使约4 的反射光向着光源传输。这类反向光的存在，将导致光路系统问产 生自耦合效应，使激光器的工作不稳定并产生反射噪声，从而使光放大器产生自 激，其增益发生变化，造成整个光纤通信系统无法正常工作。系统设计时，采用 光隔离器，使光源发出的光波通过光隔离器向光纤传输，同时隔离从光纤中返回 的光波，可以有效地减少光纤中返回光波对光源的干扰。 起偏器检偏器 法拉第旋转器 图2 - 2 光隔离器结构简图 光隔离器的工作原理是基于法拉弟旋转的非互易性。对于正向入射的信号 光，通过起偏器后成为线偏振光，法拉弟旋磁介质与外磁场一起使信号光的偏 振方向右旋4 5 度，并恰好使其低损耗通过与起偏器成4 5 度放置的检偏器。对于 反向光，出检偏器的线偏振光经过法拉弟旋转器后，偏转方向也向右旋转4 5 度， 从而使反向光的偏振方向与起偏器方向正交，完全阻断了反射光的传输。 1 0 几u 第二章油井远程监控系统的分布式光纤传感系统设计 2 2 3 光源的驱动及保护电路的设计 油井远程监控分布式光纤传感检测系统中的驱动光源的电流源采用恒定光 功率工作方式。为了能够使光功率恒定，系统增加了一个光电二极管，对半导体 激光二极管的驱动电流的变化进行控制，该光电二极管将半导体激光二极管的输 出光功率转化为电信号，通过对电信号与设定值的比较控制达到光功率的恒定。 图2 。3 所示的激光二极管输出功率自动控制图中，d l 为半导体激光二极管， 光电二极管d 2 用来检测半导体激光二极管输出的光功率大小，并将该功率转换 为电流值。u 1 为电压比较器，d 2 输出的电流信号经过电位器w l 和电阻r 3 转 换为电压信号，再通过运算放大器u 2 连接到电压比较器u 1 当中，通过与电压 比较器u l 的设定值进行比较，控制三极管q l ，调节半导体激光二极管l d 的驱 动电流输出的大小，从而达到激光二极管输出恒定功率的自动控制。 图2 3 激光二极管输出功率自动控制图 在半导体激光二极管( l d ) 工作中，温度过高、电流过大、或者瞬问流过 激光二极管的电流的过大、反向冲击电流的产生都会导致激光二极管的不能正常 工作，甚至导致激光二极管的损坏。在分布式光纤检测系统的设计中，需要采用 些电流和控制的方法，以保证激光二极管能够正常工作。对于温度保护通常采 用半导体制冷措施，为了防止电路中的电流过大，瞬间经过激光二极管的电流过 大，反向冲击电流对激光二极管的影响，在激光器驱动电路中还应实施光源过流 保护电路、光源慢启动电路以及反向冲击电流保护电路。 ( 1 ) 光源过流保护电路 第二章油井远程监控系统的分布式光纤传感系统设计 为了防止光电二极管的驱动电流过大，影响光源的正常工作，甚至损坏半导 体激光二极管，分布式光纤传感系统通常采用过流保护电路对光源进行保护。 图2 - 4 所示的光源过流保护电路中，当正常电流经过半导体激光二极管时， 三极管q 2 不导通，半导体激光二极管将正常工作，如果流经激光二极管的电流 过大，电阻r 1 1 的压降将变大，大于一定的值时就会导通三极管q 2 ，从而分流 一部分电流，起到保护激光二极管的作用。 气 一n 图2 - 4 光源过流保护电路图 ( 2 ) 反向冲击电流保护电路 为了防止光源受到反向冲击电流造成的损坏，通常利用肖特基二极管的结电 容小，反向恢复时问短的特性，如图2 - 3 激光二极管输出功率自动控制图中，在 激光二极管d l 上并联一只肖特基二极管d 3 ，当电路中产生反向电流( 电压) 时，将导致肖特基二极管d 3 迅速导通，释放一部分电压，从而可以保护光源免 受反向冲击电流或电压造成的损坏。 ( 3 ) 光源慢启动保护 在光发射机中，驱动电路、反馈电路等通常共用一组电源。为了防止一开始 接通电源时，向光源流过的瞬态电流过大，损坏激光二极管，在设计驱动电路时， 增加了光源慢启动保护，来延缓电流进入激光二极管的时间。 、 图2 5 所示的慢启动电流保护电路中，r l 和c l 为个延时电路，延时时间 大约在l m s - - - 1 0 m s 之问。在光源驱动电路接通电源之后，光源控制电路和驱动 电路达到稳定工作之前，驱动电流慢慢启动。经过一定的延时之后，光源驱动电 流才达到稳定值。通过光源慢启动电路的电流保护，可以防止接通电源瞬间冲击 电流对光源的损害。 第二章油井远程监控系统的分布式光纤传感系统设计 1 f 图2 5 光源慢启动保护电路图 2 2 4 光电探测器的设计 光电探测器件的作用是将前端接收到的光信号转换为电信号，然后将该电信 号放大和处理。光电探测器应该具有响应度高、引入附加噪声小等特点。 在实际应用中，为了获得较高的光电二极管响应度( 光电二极管响应度是指 由单位光功率照射下产生的光电流的大小) ，通常采用与光源波长相应的光电二 极管。油井远程监控分布式光纤检测系统采用的光源波长为1 5 5 0 n m ，选择响应 范围为长波段的i n g a a s 光电二极管。 光电探测器的噪声主要包括外部扰动和内部噪声。外部扰动主要包括杂散光 的入射以及检测电路所受的电磁干扰，内部噪声主要包括输入电路、放大器和光 电二极管等固有器件产生的噪声，这些噪声是随机起伏的，覆盖在很广的频谱范 围之内，通过滤波很难处理，在设计光电探测电路时，需要采用低噪声放大器。 对于低噪声放大器的设计，需要考虑放大器的噪声水平。在分布式光纤传感系统 设计中运算放大器采用a d 7 9 5 ，在1 0 k h z 下最大噪声电压为1 1 n v 舷。 油井远程监控系统的光探测器的设计如图2 6 所示，该探测器采用光电二极 管与运算放大器相连接，将光电二极管输出的电流信号转换为电压信号，由于 a d 7 9 5 的输入阻抗很高( 1 0 1 2 q ) ，光电流通过反馈电阻冠形成压降，电路的输 出电压v o u t 为： 匕= 尽 i p 为光电二极管转换的光电流。 ( 2 9 ) 第二章油井远程监控系统的分布式光纤传感系统设计 c l 图2 6 光探测器电路 光电二极管产生的光信号经过光纤后光功率会产生一定的衰减，引起光功 率衰减的原因是光纤对光能量的吸收损耗、散射损耗和辐射损耗。 光纤内传输的光功率p 随光纤距离z 的衰减可以用下式表利。 d p ：一a p ( 2 1 0 ) 出 式中，a 是衰减系数，其单位为d b k m 。如果b 。是在长度为的光纤输入端注 入的光功率，根据式( 2 1 0 ) 输出端的光功率应为： 乞熊1 酽， ( 2 1 1 ) 通过查阅单模光纤衰减谱可以得知，1 5 5 0 n m 波长的光在光纤中的衰减系数 为l d b k m 。为了能更好地获得油井周嗣的振动信号，在油井周围铺设光纤时， 铺设得弯曲松散，铺设一段油井所需要的光纤长度大约为2 0 0 米，将其带入式 ( 2 1 1 ) 中，得出输出端和输入端的光功率比为o 6 3 。 光电探测器的带宽为 2 1 】： 】 ，= ：_ _ = - ( 2 1 2 ) 。2 碣g 一 式中，冠为光电二极管的内阻，g 为二极管的结电容。选用的光电二极管的内阻 为3 0 k f 2 ，结电容巳为0 5 p f ，根据式( 2 - 1 2 ) 计算出，光电转换电路的带宽为 1 0 6 m h z 。 光电探测器中存在着很多内部噪声，主要的噪声来源是热噪声和散粒噪声。 热噪声是指导电材料中载流子的不规则的热运动在材料两端产生的不规则的随 机涨落电压，散粒噪声是指光、电载流子的形成和流动密度的涨落造成的噪声， 光电探测器中的噪声电流的大小为【2 1 】： 1 4 第二章油井远程监控系统的分布式光纤传感系统设计 i n - i t + r s = 刈回代+ 心( 2 - - 1 3 ) 为热噪声电流，为散粒噪声电流，k 为波尔兹曼常量，t 为材料的绝对温度， f 为光电转换电路的带宽，冠为反馈电阻，。为光电转换的电流值，q 为基本电 荷电量。 从式( 2 1 3 ) 中可以看出，噪声电流的大小随着光电转换产生的电流的大小 的增大而增大，由于激光二极管的发光功率比较大，短距离光纤的衰减比较小， 产生的光电流会很大，为了抑制噪声电流，系统需要在光纤传播时加一个光衰减 器，其大小为1 0 d b 。油井远程监控系统的半导体激光二极管产生的光功率为 o 8 m w , 经过光衰减器后将衰减到原来的1 1 0 ，再经过2 0 0 米光纤和光纤耦合器的 损耗后，实际投射到光电二极管的光功率p 约为0 0 1 6 m w , 系统中使用的i n g a a s 光电二极管的响应度r 为0 9 1 8ua w ，实际中得到的光电流 i 。= p x r = 0 0 1 5 m a 。电阻足是光探测电路的反馈电阻，如果反馈电阻过大，则会 造成噪声电压过大，如果过小，则不会起到放大电信号的作用，使电信号仍然很 微弱，系统设计时折中考虑，选取电阻r 为1 0 k f 2 。将其代入式( 2 9 ) 可算出 光电流经过光电探测电路后的电压为0 。1 5 v 。室温下取t = 3 0 0 k , 将光电流j 。，带 宽f g l 反馈电阻足代入公式( 2 1 3 ) 可知，电路中的噪声电流，为1 1 x 1 0 之a ， 可以看出，噪声电流与光电流相比很小，电路可以获得良好的信噪比。与反馈电 阻相并联的电容c 1 主要是消除由于电流的变化带来的电压波动，电容g 一般都 比较小( 1 p f ) ，实际中选取电容c 1 为0 5 p r o 2 2 5 信号调理器的设计 分布式光纤传感器的光电探测器完成测试信号的光电转换后，获得了油井周 围的环境情况的电信号，但是此时的测试信号中仍含有一部分噪声电压，需要采 用滤波电路对测试信号进行处理，降低噪声对有用信号的影响，使数字信号处理 器能够对分布式光纤传感器采集的电压进行更好地分析。因为光电探测电路要考 虑到很多的限制因素，特别是增益和噪声间的互相制约，所以在光电探测电路的 输出电压值并不是很高，需要通过后续的主放大器的进一步放大，才能使得d s p 系统更好地分析处理得到的电压信号。 根据奈奎斯特理论，采样频率的高低是由被采样的信号本身的最高频率决定 的。奈奎斯特理论指出，采样频率应高于模拟信号最高频率的两倍，才能把以数 字表达的信号还原成原来的信号。在进入d s p 进行数字信号处理之前，首先要 经过抗混叠滤波，消除混叠失真。油井远程监控系统中，d s p 的a d 转换设置的 采样率为5 0 k ，系统中设计一个低通滤波电路，其截止频率为2 5 k 。由于光纤埋 1 5 第二章油井远程监控系统的分布式光纤传感系统设计 设于土壤中，很少会有2 5 k 以上的高频信号传播到光纤中，系统设计时采用了 二阶低通滤波电路，它的衰减度为4 0 d b 十倍频，可以满足设计要求。油井远程 监控系统设计了一个信号调理器，其中包括一个电压跟随器和一个截止频率为 2 5 k h z 的二阶低通滤波器。电压跟随器可以提高输入阻抗，并且降低输出阻抗， 有利于与后一级信号耦合。电压跟随和低通滤波电路如图2 7 所示。 图2 7 电压跟随和低通滤波电路 该低通滤波器的截止频率为： 呢。丽1 品质因数为： q = 辐 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 由滤波器的幅频响应特性可知，当品质因数q = o 7 0 7 时，幅频响应最平坦， 截止频率形= 形，系统要滤除的频率为2 5 k h z 以上的噪声信号，该低通滤波器 的截止频率形- 27 f = - 15 7 0 0 0 r a d s 。 在设计低通滤波器时，形给定后，先选定电容c l = c 2 = o 0 1 u f , 为了保证有 良好的幅频响应，设计中取品质因数q = o 7 0 7 ，就需要使冠= 足，根据式( 2 1 4 ) 可以计算出r 1 = r 2 = 6 3 7 q ，由于没有6 3 7 q 的电阻，系统设计中选择了6 2 0 f 2 的 电阻。 主放大器的设计采用负反馈放大电路。负反馈放大电路能提高增益的稳定 性，减少非线性失真，抑制反馈环内的噪声。主放大器的运放采用a d 8 1 8 ，该运 放有速度快，功耗低等特点，反馈网络由恐，彬两个电阻组成。 1 6 第二章油井远程监控系统的分布式光纤传感系统设计 由于d s p 芯片的最大采集电压为3 v ，信号在经过主放大器后的放大电压必须 小于等于3 v ，由式( 2 。9 ) 可以得知，信号光在经过光电探测器之后得到的电压 值为0 1 5 v ，考虑到振动时会产生交流光强，系统设计时将主放大器的放大倍数 设定在1 0 倍，可以得到满足d s p 芯片的采样范围的电压值。但是由于油井周围的 环境不同，光纤铺设的长度不同，从光纤当中发出的光的强度大小可能也不相同， 系统设计了一个可以调节放大倍数的主放大器，用于以后在不同的油井环境下进 行光强度大小的调节。图2 8 为主放大器电路图。 2 3 本章小结 图2 - 8 主放大器的设计 本章介绍了