（机械工程专业论文）基于光纤光栅传感技术的储油罐火灾报警系统的研究.pdf

摘要 储油罐区是一个容易发生火灾的场所，罐区的强腐蚀、易燃易爆等恶劣条件给火灾探 测带来了很多挑战，为了避免经济损失和减少人员伤亡，必须建立完善的自动火灾报警系 统。根据火灾发生时现场产生温度升高、大量烟雾和强烈火焰等不同的现象，人们研 究出很多种火灾探测的方式，如感温式、烟雾式和感光式探测系统。为了及时发现火 灾，感温式是最有效的方式，而基于传统电类传感器的火灾报警系统因存在诸多缺陷， 如抗电磁干扰能力差、抗恶劣环境能力不强等，不能很好应用在易燃易爆的监测环境。光 纤光栅传感技术是新发展起来的热门技术，实现了现场全光式测量，拥有许多传统传感器 无法比拟的优点，成为了石油化工行业应用于火灾报警的最佳选择。本文选择光纤光栅传 感器作为储油罐火灾报警探测器，从光纤光栅温度特性的实验研究、感温探测器的设计、 传感器组网等方面入手完成系统设计。 文中分析了电类传感技术、光纤光栅传感技术、全分布式光纤传感技术在温度测量方 面的应用，总结了它们的优缺点，其中光纤传感技术在抗电磁干扰、防爆性能、性价比高 等方面具有独特的优势。重点阐述了光纤光栅传感技术的研究现状和应用，这种传感技术 具有很好的工程应用价值。 从理论上分析了光纤光栅温度传感的基本特性，对当前光纤光栅常用的封装技术进行 了总结，实验条件下分别测试了不锈钢和铝槽封装光纤光栅的温度特性，其中铝槽封装的 光栅获得了3 6 3 p m 的灵敏度。 在波长扫描极值法的基础上，本文运用n i 公司的虚拟仪器技术开发平台搭建了光纤 光栅传感信号解调系统，讨论了计算峰值波长的两种方法，并做实验进行了比较，实验表 明使用多个功率值计算的中心波长更稳定。 使用热管作为光纤光栅导热装置的感温探测器扩大了探测器的探测范围，也加快了探 测器的响应时问。本文还对基于光纤光栅感温探测器的储油罐火灾报警系统进行了探讨和 研究，系统采用了波分复用加空分复用的结构方案。文章最后在实验条件下使用3 个感温 探测器模拟了火灾报警系统。 关键词：光纤布拉格光栅；储油罐；火灾报警；虚拟仪器 浙江理l ：人学硕+ 学位论文 s t u d yo nt h ef i r ea l a r m i n gs y s t e mo fo i it a n kb a s e do nf i b e rb r a g g g r a t i n gs e n s i n gt e c h n i q u e a b s t r a c t 0 i lt a n ka r e a si saf i r e - p r o n ep l a c e ，t h eh i g h l yc o r r o s i v e ，n a m m a b i ea n de x p l o s i v ea n do t h e r h a r s hc o n d i t i o n so ft a n k sb r i n gal o to fc h a ll e n g e st of i r ed e t e c t i o n ，i no r d e rt oa v o i de c o n o m i c 1 0 s s e sa n dt or e d u c ec a s u a l t i e s ，、wm u s te s t a b l i s ha n di m p r o v et h ea u t o m a t i cf i r ea l a 肌i n g s y s t e m a c c o r d i n gt ot h ed i f 佬r e n tp h e n o m e n o ni ns c e n ew h e nt h e 矗r ei so c c u l l r e d ，s u c ha l sh i g h t e m p e r a t u r e ，l a r g ea m o u n to fs m o k ea n das t r o n gf l a m e ，p e o p i eh a v ed e v e l o p e dav 撕e t yo ff i r e d e t e c t i o nm e t h o d s ，s u c ha sb a s eo nt e m p e r a t u r e ，s m o k ea n dl i g h ts e n s i t i v e i no r d e rt od e t e c ta f i r e ，t e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti st h em o s te f f e c t i v ew a y ，c l a s so fs e n s o r sb a s e do nt r a d i t i o n a l e l e c t r i cf i r e a l a 咖s y s t e mw i t hm a n yd e f e c t s ，s u c h a s p o o r r e s i s t a n c et o e l e c t r o m a g n e t i c i m e r f i e r e n c ea n dh a r s he n v i r o n m e n t s ，a r en o tw e l lu s e di nn a m m a b l ea n de x p l o s i v ee n v i r o n m e n t f i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g yi sah o tn e wt e c h n o l o g yd e v e l o p e dt oa c h i e v ea l l o p t i c a l m e a s u r e m e n tf i e l d ，w i t hm a n yo ft h ea d v a n t a g e st h a tc o n v e n t i o n a ls e n s o r sc a nn o tm a t c h ，s oi ti s t h eb e s tf i r ea l a r n lw a yi nm ep e t r o c h e m i c a l i n d u s t r ) r i nt h i sp a p e r ，f i b e rb r a g gg r a t i n gs e n s o r si s s e l e c t e da st h et a m ( f i r ea l a r r n i n gd e t e c t o r s t h ew h o l es y s t e mi s c o m p l e t e df r o m t h e e x p e r i m e m a ls t u d yo ff i b e rg r a t i n gt e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c s ，t h ed e s i g no ft h e r m a ld e t e c t o r s ， n e t w o r l ( i n go fs e n s o r sa n do t h e ra s p e c t s 1 、h ee l e c t r i c a lt y p es e n s o rt e c h n o l o g y ，f i b e rg r a t i n gs e n s i n gt e c h n o l o g ya n df u u yd i s t r i b m e d o p t i c a i 舶e rs e n s i n gt e c l l l l o l o g y i t lt h ea p p i i c a t i o no ft e m p e r a t u r em e a s u r e m e n ti sa n a l y z e d i t s u m m 撕z e st h e i ra d v a n t a g e sa n dd i s a d v a i l t a g e s t h e 叩t i c a l 舶e rs e n s i n gt e c h n o l o g yw i t h a m i e l e c t r o m a g n e t i ci n t e r f e r e n c e ，e x p l o s i o n p r o o fp e r f o m l a n c ea n dc o s t e f - f e c t i v eh a sau n i q u e a d v a n t a g e i tf o c u s e so nt h e 叩p l i c a t i o na n dr e s e a r c ho fo p t i c a i 舳e rs e n s i n gt e c h n o l o g y ，a n dt h i s s e n s i n gt e c h n o l o g yh a sg r e a ta p p l i c a t i o nv a l u e t h eb a s i ct e m p e r a n 盯ec h a r a c t e r i s t i co f 舶e rg r a t i n gi sa n a l y z e di nt h e o r ) ，a n dt h ec u ”e n t p a c k a g i n gt e c l l i l o l o g yo ff i b e rg r a t i n gi s s u m m a r i z e d s t a i n l e s ss t e e la n da l u m i n u mt a n k t e m p e r a t u r ec h a r a c t e r i s t i c so fp a c k a g e d 舶e r 掣a t i n gi st e s t e dr e s p e c t i v e l yi nt h ee x p e r i m e n t a l c o n d i t i o n s ，a n da l u m i n u mg r a t i n gg r o o v ep a c k a g er e c e i v e da3 6 3 p m s e n s i t i v i t y 浙江理l ：人学硕十学位论文 t h i sp 印e rb u i l taf i b e rg r a t i n gs e n s o rs i g n a ld e m o d u l a t i o ns y s t e mb a s e do ne x t r e m e 、v a v e l e n 垂hs c 籼i n gw a yu s i n gn ic o m p a n y s v i n u a li n s t r u m e n tt e c i m o l o g yp l a t f o 咖，a n d d i s c u s s e dt 、v om e t h o d so fc a l c u l a t i n gp e a kw a v e l e n g t h t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t ss h o wt h a tt h e m e t h o db a s e do nm u l t i p l ep o w e rv a l u ei sm o r es t a b l e t h ef i b e rb r a g gg r a t i n gt h e 门m a ld e t e c t o r su s i n gt h et h e m l a lc o n c i u c t i v i t yo fh e a tp i p e t e c l m o l o g ye x p a n dt h ed e t e c t i o nr a n g eo ft h ed e t e c t o ra n ds p e e du pt h er e s p o n s et i m eo fm e d e t e c t o r t h i sp a p e ra l s od i s c u s s e da n ds t u d i e dt h ef i r ea l a n ns y s t e mo fo i lt a n kb a s e do nf i b e r b r a g gg r a t i n gt h e n n a l d e t e c t o r sa n dt h es t m c t u r eo fs y s t e mi sb a s e do ns p a c ed i v i s i o n m u j t i p l e x i n ga 1 1 dw a v e l e n 舀hd i v i s i o nm u l t i p l e x i n g f i n a l l y ，t h i sp a p e rs i m u l a t e d t h ef i r e a l a n n i n gs y s t e mu s i n gt h r e et h e n _ n a ld e t e c t o r su n d e rt h ee x p e r i m e n t a lc o n d i t i o n s k e y w o r d s ：f i b e rb r a g gg r a t i n g ；o i l t a n k ；f i r ea l a m l i n gs y s t e m ；v i r t u a l i n s t r u m e m s n l 浙江理f ：人学硕士学位论文 1 1 本课题的研究意义 第一章绪论 随着我国科学技术和经济建设的快速发展，石油化工企业的规模日趋庞大，产生了许 多大型的石油化工企业。自2 0 0 2 年开始，我国丌始实施建设国家战略石油储备计划， 2 0 0 8 年底，第一批储油基地工程全面竣工，预计在2 0 1 5 年以后，石油储备量将达到 8 2 0 0 万吨。石油化工设备场所大多属于火灾危险区域，近年来这些场所的火灾及爆炸事 故时常发生，危害闩趋严重，一旦发生火灾，可能造成极大的人员伤亡和财产损失，如2 0 1 0 年中石油大连油罐接连发生的火灾，不仅造成了大量的原油损失，还严重污染了环境， 因此石油化工企业的消防将面临新的挑战。一般石油化工企业都很重视消防的工作，要确 保不发生重大火灾事故，不但要配备先进的灭火设备，关键的一点还是要提高火灾的预防 意识。火灾自动报警系统提供全程的实时监控，可以让人们及早发现火灾，通知相关部门 采取有效措施控制和扑灭火灾，从而使人员伤亡与财产损失降到最低限度。石油化工行业 是易燃易爆场所比较集中的地方，且周围环境大多比较恶劣，火灾危险性比较大，工作人 员巡逻不方便，效率也不高，因此，在这些场所建立可靠的火灾自动报警系统显得非常重 要，使之能长期稳定监测温度的变化情况，而传统的火灾自动报警系统因其产品固有的局 限性不能满足要求。 储油罐区是一个火灾危险性较大的场所，在国家标准石油化工企业设计防火规范 中明确规定“大于或等于5 万立方米的浮顶罐应采用火灾自动报警系统”，这是由于浮顶 罐火灾发生初期火势不大，在低液面的情况下难于及时发现，火灾自动报警系统能尽快准 确探知火隋，从而在火灾产生的初期将其扑灭。 1 2 储油罐火灾探测技术可行性分析 认真分析储油罐发生火灾事故的案例后晗1 ，明火、静电、雷击和自燃是引发火灾 的主要原因，如电气设备工作时产生的故障或在油库禁区吸烟等违禁行为易引发明 火，静电放电火花引燃可燃液体、可燃气体等易燃易爆物质而造成的火灾或爆炸，在 有雷电的环境下，浮顶与罐壁的电气接触不良或罐体密封性较差的地方容易发生火 灾，缓慢的氧化还原反应引起自燃，如磷化氢自燃、硫自燃，自燃引发火灾的过程周 期较长。根据火灾发生时产生温度升高、烟雾和火焰等不同的现象，人们研究了很多 l 浙江理l 人学硕十学位论文 种火灾探测的方式，如感温式、烟雾式和感光式探测系统。按照火灾自动报警系统火 灾探测器的选择要求，应符合下列情况： ( 1 ) 对火灾初期有阴燃阶段，能产生大量的烟但热量较少，很少或没有火焰辐 射的场所，可选择感烟探测器。 ( 2 ) 对于火灾发展快速，期间产生大量热、烟和火焰辐射的场所，选择感温探 测器、感烟探测器或火焰探测器都可以。 ( 3 ) 对火灾发展迅速，有强烈的火焰辐射但烟、热少的场所，应选择火焰探测 器。 从储油罐区火灾事故报道可得知，当罐区发生火灾时，通常会产生大量的热、烟 和火焰辐射，按原理来说，感温探测器、感烟探测器和火焰探测器都能探测到火灾的 发生，但后面两种方式只能探测到火灾发生后的现象，如果在火灾发生的初期就能发 现并采取相关的措施，采用温度在线监测技术方式无疑是最好的选择。从目前国内外 研究现状和温度测量技术的方式来看，电类传感技术、分布式光纤传感技术和光纤光 栅传感技术使用较为广泛。 1 2 1 电类传感技术 电类传感技术是工程中最常见的温度测量的技术，此类传感器技术主要传感元件 是热电偶、热电阻或感温电缆。热电阻的测温原理是基于电阻的热效应现象，目i 主 要有半导体热敏电阻和金属热电阻，当温度发生变化时，电阻的阻值会产生相应的变 化。这类传感技术在对油罐的温度场分析时常被采用，如于达1 根据浮顶油罐传热的 特点，采用热敏电阻作为测温元件，通过特殊的测温装置实现了温度信号的数字化处 理。朱国文1 以数字半导体温度传感器和工业总线技术相结合制作的温度报警系统对 原油的温度分布进行了测量和分析。 电类传感技术比较成熟，应用也极为广泛，由于其本身固有的缺陷，其使用有很多局 限性，如抗电磁干扰能力较差，难以实现现场非电的测量，抗恶劣环境的能力不强，难以 实现数字化、分布式和网络化测量。因此，在工程应用中，特别是对石油储罐等易燃易爆 场所的火灾探测难以实现。 感温电缆是最早采用的火灾预警方式瞄1 ，该产品现场安装后不能方便地进行性能 检测，如果要进行现场检测或在使用过程中出现过报警，系统的传感器部分就会遭到 局部破坏，需要更换传感器。感温电缆不能长期在线监测被测量对象的温度变化趋势， 2 浙江理i ：人学硕十学位论文 只是在火灾发生后产生区域报警信号，不能告知火灾的确切地点，误报率较高，此外， 传感器到监控室之间需要连接大量的电缆线，造成布线不便，现已经基本不被采用。 1 2 2 分布式光纤传感技术 分布式光纤传感技术是近些年发展起来的新型传感技术，广泛应用于桥梁、大坝、建 筑、油气管线、电力线监测等方面。它的基本原理3 是一束光脉冲注入光纤，在其后向反 射端会产生瑞利散射光、与注入光波长不同的布罩渊散射光和拉曼散射光，分析这三种散 射光可以实现光纤分布式测量。已报道的分布式光纤传感技术n 州主要有基于光学时域反射 仪( 0tdr ) 、拉曼散射光学时域反射仪( r o t d r ) 、布罩渊散射光学时域反射分析仪( b o f d a b o f d a ) 、光频域反射仪( o f d r ) 的分布式光纤传感技术，其中基于0 t d r 技术的分布式光 纤传感器的发展较为成熟。 o t d r 技术由b a m o s k i 于1 9 7 6 年提出0 1 ，是分布式光纤传感的关键技术，它的基本原 理是光源发出的光在沿光纤向前传输的过程中产生后向散射，后向散射光强在传播过程中 随着距离的增加而按一定规律衰减，在光速不变的情况下，距离与时间成正比。因此，根 据光电探测器接收到的后向散射光强及到达探测器的时间就可以知道沿光纤路径上任意 一点的初始后向散射光强。它可以用以下式子表示： p ( t ) = 三 昂s ( ，) 口。( f ) e x p 2 a ( ，) 】 1 一( 1 ) 么 式中p ( t ) 为t 时刻后向反射到光纤入射端的光功率，圪为输入光功率，以( ，) 为单位散射系 数，s ( ，) 为后向反射因子， 气为光脉冲在光纤中的传播速度，气为光散射和光吸收系数 沿光程上积分和的一半。图1 1 是0 t d r 的原理框图，这种后向散射光的强度与光纤中散 射点的温度密切相关，散射点的温度越高，散射光的强度也越大，也就是洗，后向散射光 的强度能够反映出散射点的温度，利用这个现象，如果已知后向散射光的强度，就可以准 确计算出散射点的温度。 浙江理i ：人学硕十学位论文 图1 10 t d r 原理框图 分布式光纤温度探测技术的主要优点有：光纤纤芯的主要成分是石英材料，因而属于 无电检测技术，具有很好的抗电磁干扰的能力。构成分布式测量系统，在一定的时间和空 间分辨率范围内，可以连续检测温度分布状况。长距离探测，最长可达数十上百千米的探 测范围，且响应时间快。分布式光纤传感器的这些优点使得它在油气管线监测、大坝监测、 电力线监测、边境安全监测等方面有广泛的应用叫2 | 。国外许多知名公司对这一技术进行 了研究，并取得了很多研究成果，如加拿大的0 z 光学公司，其f o r e s i g h t t m 系列分布式 光纤传感器，空| 日j 分辨率达到了l o c m ，测温精度为0 1 ，瑞士的( ) f i l n i s e n s ，日本的 y o k o g a w a 和n e u b r e x ，英国的s e n s o r n e t 等公司都提供分布式光纤测量技术的解决方案， 而我国涉及这些技术的研究机构还不多，主要研究集中在光纤光栅传感器的研究。 分布式光纤温度探测技术能够对光缆沿线的温度分布进行连续监测，但数据采集的频 率不可能无限制增大，因此设备不可能对光纤沿线的任意点进行温度监测，而是有一定的 分辨度限制。基于排除干扰和程序算法的原因，光纤本体必须在大于分辨率的连续长度上 的温度保持一致时，才能对该区域的平均温度进行计算，如果光纤本体的某一小面积区域 所处温度发生明显变化，程序的固有算法将会排除此区域的异常温度，得出光纤在分辨率 长度内的平均温度而不能显示此区域异常温度。此外，光纤线路的铺设条件也有非常严格 的要求，挤压和弯曲过度会严重地影响系统测量精度。 作为长期在线监测仪器，分布式光纤温度探测技术的测温仪还有一个缺点就是设备的 核心元件容易损耗。该技术是利用散射光强度进行测量的，考虑到散射光信号十分微弱和 接入损耗、长距离传输损耗等因素的影响，为了能够使检测单元接收到足够强度的散射光， 必须加大光纤入射光的强度，所以分布式光纤测温仪都必须使用大功率激光发射装置，其 入射光强度达数十毫瓦，而大功率激光发射装置的正常使用寿命不是很长，连续运行两三 年以后就要更换新元件。大功率激光发射装置国内很少有类似的替代品，只能依赖国外进 4 浙江理r 人学硕十学位论文 口，而单独购买这些元件的价格通常十分昂贵。 1 2 3 光纤光栅传感技术 在光纤光栅传感技术出现之前，人们对基于光强的光纤传感技术表现了浓厚的兴趣， 特别是自二十世纪八十年代以来，世界上很多国家都参与到分布式光纤传感技术的应用研 究中，到目前已有2 0 多年，由于分布式光纤传感技术受本身一些客观因素的限制，近2 0 年来，在国内外的研究相对减少。而光纤光栅传感技术在短短几年的时间内，应用范围已 经远远超过了分布式光纤传感技术。光纤光栅传感器是国际上新一代光纤传感器，具有以 下的优点n 3 1 们： ( 1 ) 抗电磁干扰、耐腐蚀、电绝缘、本质安全。由于光纤光栅传感器是利用光波传输 信息，而光纤本身是电绝缘、耐腐蚀的传输介质，因而不怕强电磁干扰，适合于用在易燃 易爆、强腐蚀的环境中。 ( 2 ) 重量轻、体积小、外形可变。对光纤光栅进行特定的封装后，可以制成尺寸不同、 外形各异的传感器，方便传感器的使用。 ( 3 ) 测量对象广泛。目前已报道的光纤光栅传感器可以测量多种类型物理量，如温度、 压力、位移、速度、加速度、流量、磁场、电场、电流、电压等。 ( 4 ) 便于复用。使用不同的复用方式，将单点测量的光纤光栅传感器组合成一个传感 网络，构成准分布式测量。 测量技术的不断进步和发展，特别是光通信技术在传感领域罩的深入发展，光纤光栅 这种先进传感技术开始在火灾自动探测报警领域开始得到应用，在实现火灾发生初期准确 探测温度变化趋势的技术有了真j 下的突破。与感温电缆和分布式光纤传感技术比较可 知，如表1 1 所示，光纤光栅传感技术是目i j 应用于储油罐火灾报警的最佳方式。 浙江理1 ：人学硕+ 学位论文 表1 1 三类传感技术对照 1 3 光纤光栅传感技术的研究现状 光纤传感技术是随着光纤通信技术而发展起来的。光纤应用于传感领域，主要分为传 感型与传光型两大类。传光型光纤传感器是借助其它敏感元件测得物理量后，由光纤进行 数据传输，一般在光纤端面或两光纤之间设置敏感元件，利用敏感元件的光强、透射率、 反射率、发光时| 白j 、相位及热辐射功能来实现信息检测。传感型光纤传感器是利用外界因 素改变光纤中光的相位、强度、波长或偏振态，从而对外界环境变化进行计量和数据传输。 光纤光栅属于传感型的光纤传感器，它可用于应力、位移、温度或应变等物理量的测量， 并且具有很高的灵敏度和较大的测量范围，可长期使用。目前国内许多著名高校在光纤光 栅传感器应用研究方面做了大量的研究工作， 化的发展5 1 。由于光纤本身由绝缘材料制成， 取得了很多优异成绩，推动了光纤光栅产业 由光纤光栅制作的传感器可以工作在强电磁 场、强腐蚀性以及易燃易爆危险性高等恶劣环境中，光纤光栅传感器突出的优点使之比其 它传感器具有更大的应用范围。近年来，随着光电技术的不断发展以及核心光电元件成本 的降低，光纤光栅传感器的研究将表现出更大的应用价值。 国外已经出现了大量的光纤光栅传感器的研究成果。美国、英国和加拿大等西方 国家以及亚洲的韩国、日本利用它们在光通信领域的优势和资金的投入，因而处在光纤光 栅传感领域的领先地位，相关的研究机构包括美国的海军实验室( n r l ) 、m i c r o no p t i c s 公 司，b l u er o a dr e s e a r c h 公司，英国的c 时大学、k e n t 大学、s m a nf i b e r s 公司，韩国的国 家光子研究中心和加拿大的p h o t o n i c sr e s e a r c h 公司等。应用领域涉及到航天器、电力工业、 6 浙江理j ：人学硕十学位论文 医学、化学及结构健康监测等方面。 国内对光纤传感器的研究起步相对较晚，但在国家自然基会等国家基金以及其他专项 基金的资助下，光纤光栅传感的应用研究也取得了很多成果。清华大学、中科院半导体所、 上海光机所、吉林大学对光纤的光敏性、成栅机理、光波传输规律等问题进行了深入研究， 武汉理工大学、南丌大学、西安石油大学、重庆大学对光纤光栅传感的关键技术进行了研 究。除此之外，一些公司也加入了研究队伍，如深圳朗科公司、北京菲博特公司、上海紫 珊光电公司等公司作了各有特色的研究。 光纤光栅传感新技术的出现增强了传感器的实用性，除了众所周知的优点外，如抗电 磁干扰，体积小，耐腐蚀性好，长期稳定性好，还有更多基于已确定的新型传感机制基础 上的优势，例如绝对测量，成本低和独特的波长复用能力。这些新的传感技术已经形成了 全新一代传感器，为许多重要的测量提供了机会和巨大的应用潜力，如在电力、石油、 工程结构健康监测、航空航天、生物、国防、环境保护等领域弘阳1 得到了广泛的应用。 ( 1 ) 电力工业中的应用 电力工业中的设备大都处在强电磁场、高电压的环境中，如高压变压器绕组、高压丌 关的在线监测，发电机定子地方的温度和位移的测量，一般电类传感器无法在现场使用。 又如大雪造成的电力线超重，这样的机械负载可能会导致严重的事故，特别是线路在偏僻 的或荒凉的山区，那罩没有人检查，很不方便。因此，在线测量系统监测电力线的负荷变 化非常必要。这些地方的测量要求传感器具有很好的绝缘性能、体积要小、抗电磁干扰， 而且是无源器件，因而光纤光栅传感器成为这些测量的最佳选择。h a m m o n 等人把光纤光 栅传感器应用到高压变压器的绕组温度监测中，经长时间使用证明了光纤光栅传感器具有 很好的测量精度。o g a w a 等人心们将紧贴光纤光栅的会属板固定在电缆上，荷载变化引起的 应变经金属板传递到传感器，这样就可有效检测到电缆的应变情况，他们在3 千米长的电 缆上安置了多个光纤光栅，然后运用波分复用技术对多个光栅进行解调。 ( 2 ) 石油化工业中的应用心卜2 胡 光纤光栅其固有的优势，如不受电磁干扰，高温下测量，复用能力，使之成为石油和 天然气行业理想的应用。在光纤光栅的众多优点当中，多路复用和准分布式传感功能对于 井下许多监测空间位置的一个或多个参数必须通过井下测量的应用尤其重要。在石油和天 然气行业，光栅的主要应用集中于遥感，参数测量范围广，如压力、温度、振动、流量、 声场，永久性安装的石油和天然气井下油藏监测系统。近年来已经取得了很多重大进展， 特别是在压力和温度测量，例如为了测量井下的压力、温度和流量，对于典型的温度测量 7 浙江理i ：人学硕十学位论文 范围为1 5 0 至2 5 0 这样的高温环境，运用传统的电子仪表会遇到很多问题，特别是缩 短了电子仪表的使用寿命。硅微机械谐振传感器的出现解决这个问题，使用单模光纤同时 用于微共振器的光激发和微共振器的共振频率测量，用一个和压力传感探头类似结构的温 度传感器补偿温度变化造成的压力误差。 ( 3 ) 工程结构健康监测中的应用 水坝可能是最大的土木工程结构，为了确保施工质量、长期使用和大坝的安全性，在 施工期间或修建完成后对水坝的力学参数的监测是至关重要的。光纤光栅首次应用于大型 结构的监测是在采用碳纤维复合材料代替钢筋结构来解决公路桥严重的腐蚀问题，由于复 合材料替代钢筋在混凝土结构中还没有得到很好的证明，采用光纤光栅传感系统监测复合 材料结构，可以观察到桥梁的应变或变形、温度、环境退化等状况。 ( 4 ) 航空工业中的应用 目前先进复合材料一般用于制造业，如航空航天工程结构( 如飞机机翼部件) ，与金 属材料相比，先进复合材料可以具有较高的耐疲劳性，重量更轻，强度重量之比更高，形 状多变，无腐蚀。因此，使用嵌入光纤光栅复合材料的系统可减少机器的蕈量，检查的时 问间隔，以及飞机维修成本，从而改善飞机的性能。然而，实现实时健康监测和构建传感 器网络是目前主要的挑战，准分布式光纤光栅传感系统解决了这方面的难题。由于光纤光 栅传感器对应变和温度是同时敏感的，在连续测量温度和应变的时候，必须校f 温度引起 的应变，一个简单而有效的方法通常是采用不受应变影响的温度参考光栅，但这种方法并 不适合于所有情况，例如，嵌入在复合材料中的光纤光栅传感器。目前已有多种方法来区 分温度和应变，从而实现应变和温度的同时测量。 1 4 本课题研究的主要内容 本文以光纤布拉格光栅( 若无特殊说明，本文提到的光纤光栅都指光纤布拉格光栅) 为研究对象，对光纤光栅的传感信号解调方法和长距离准分布式光纤光栅传感系统进行了 研究，结合石油工业对火灾报警的要求，对基于光纤光栅的火灾自动报警系统进行了分析， 实时监测油罐的温度分布，在网络实时监测领域具有重要的现实意义和潜在的应用价值。 本文的主要研究内容包括： 全面分析了电类传感技术、分布式光纤传感技术和光纤光栅传感技术在储油罐火灾探 测方面的可行性，本文选择了光纤光栅传感技术，然后在理论和实验上对光纤光栅的温度 传感原理进行了分析。 8 浙江理i ：人学硕十学位论文 光纤布拉格光栅中心波长偏移检测方法的研究：介绍了可调谐f p 滤波法和匹配光纤 光栅法的信号解调原理。本文在波长扫描极值法的基础上，运用n i 公司的虚拟仪器技术 开发平台搭建了光纤光栅传感信号解调系统，讨论了计算峰值波长的两种方法，并做实验 进行了比较，实验表明使用多个功率值计算的中心波长更稳定。 储油罐火灾报警系统的研究：制作了光纤光栅感温探测器，然后对基于光纤光栅的储 油罐火灾报警系统进行了探讨和研究，系统采用了波分复用加空分复用的结构方案，最后 在实验条件下使用3 个感温探测器模拟了火灾报警系统。 9 浙江理i ：人学硕十学位论文 2 1 光纤光栅理论 2 1 1 光纤光栅的概述 第二章光纤光栅传感理论及封装技术 1 9 7 8 年，加拿大的h i l l 等人心棚首次发现了掺锗光纤的光敏效应，采用驻波法导致纤 芯区呈现出周期性的折射率调制，制作了光纤和拉格光栅，此后的三十多年中，光纤光栅 的制作技术取得了许多重要的进展。 光纤布拉格光栅是利用紫外光通过相位模板对光敏光纤曝光使光纤中的折射率周期分 布，从而形成光栅，图2 1 是光纤光栅的结构示意图。 涂敷层 包层 纤芯 t i1 2 5 “m 1 图2 1 光纤光栅的结构 光纤光栅中形成的一种周期性折射率分布，也可以看作是一种对纤芯折射率的微扰 万n ( x ，y ，z ) ，该微扰在光纤横截面上是均匀的，沿光纤轴向( z ) 成正弦变化。通常我们 用下面的公式来描述光纤光栅中的折射率分布心引： 翮扣班z ) - 锄扣) 坜北) 1 w c o s 【罢外啡) 】) 2 - ( 1 ) 是光纤的有效折射率，在折射率均匀凋制的单模光纤光栅中，略小于纤芯的折射率，v 为折射 率变化的条纹可见度，一般为常数( o 5 1 之间取值) ，人为光栅的周期，万玎彬( z ) 是纤芯折射率的平均 变化量，( z ) 是折射率变化的相位，用米描述光栅的啁啾，( z ) = 0 是最简单的f b g 折射率分布。 2 1 2 光纤布拉格光栅的传感原理分析 光纤光栅是一种光纤无源器件，它在光纤中建立起一种空间周期性的折射率分布，使 1 0 浙江理i ：人学硕十学位论文 在光纤中传播的光发生变化，光纤光栅作为光子研究领域的一门新兴技术，在通信、传感 等领域具有极其广阔的应用前景。对于光在光纤中传播的分析，主要有耦合模理论啪1 、傅 立叶变换理论和传输矩阵理论。“1 ，利用这些方法可以推导出光纤布拉格光栅满足的布拉格 条件以及反射率和折射率。 光 力 如 五 以 力 图2 2 光纤布拉格光栅传感原理 光纤布拉格光栅的传感原理可以表述为：使用宽带光源作为入射光，光传输至光纤光 栅时，只有满足光栅周期的特定波长的光反射回来，如图2 2 所示，这一特定波长可用公 式表示为m 3 以= 2 a 2 一( 2 ) 以为布拉格中心波长，即被反射光的波长，为光栅区的有效折射率，人为光纤光栅 的周期。当宽谱光源入射到光纤光栅后，反射光谱是一个只包含布拉格波长附近分量的窄 带信号，光栅的应变或温度发生变化时，光栅的纤芯有效折射率和光栅周期会改变。因此， 外界条件( 温度、压力等) 变化能够导致反射波长偏移，通过检测反射波长的移动可以测 量外界物理量。 改变光栅的折射率和周期时，光栅耦合波长的变化为 以= 2 恸八+ 2 人饧 2 一( 3 ) 当光栅的外界环境温度和应力发生变化时，相应的波长改变为 垒冬： 1 一! 等二 鼻：一v ( 弓。+ 日：) 】) f + ( + 矢) 丁 2 一( 4 ) 九r z 占、丁分别为应变变化和温度变化，乞为光纤材料的弹光张量分量，v 为光纤材料的泊 浙江理i ：人学硕十学位论文 松比系数，瓯= 去筹为光纤的热膨胀系数，描述了光栅的栅距随温度的变化关系， 矢= 会等为光纤的热光系数，描述了光纤的折射率随温度变化的关系。 不考虑应力的影响，可得： 兰旱，旦：( 嗷+ 六) 丁 2 一( 5 ) 伽 令砗= 以( 啦+ 六) ，则可得 九= k 7 ，丁 2 一( 6 ) 丘为光纤光栅温度特性的灵敏度系数。 2 2 光纤光栅的封装技术 2 2 1 光纤光栅常见的封装方式 在光纤光栅传感器的实际应用当中，通常是将裸光纤光栅通过一定方式进行封装，制 成较为实用的传感器。光纤光栅使用的光纤为普通单模光纤，纤芯的主要成分是二氧化硅， 抗剪切能力差，质地比较硬脆，因此对裸光纤光栅进行封装，不仅可以起到很好的保护作 用，消除由机械碰撞、振动等因素引起的部件松动，还可以改变它的灵敏度，提高系统的 分辨率。为了防止裸光纤光栅在实际结构监测中受到外界因素的干扰而破坏，一般将其封 装在较为坚固的壳体内，一般而言，在设计光纤光栅温度传感器的封装方法时，要考虑以 下3 个因素：封装后的传感器要具备良好的线性度和重复性；应该给光纤光栅提供很好的 保护，确保封装结构要有足够的强度；封装结构必须具备良好的稳定性，以满足长期使用 的要求。 封装技术是光纤光栅传感器的重要内容之一，封装质量较差将直接影响到传感器的特 性，甚至会破坏传感器。以下内容分析了，本小节主要从封装结构、封装材料和封装工艺 对光纤光栅常见的封装方式进行了分类。 1 封装结构，从封装的结构看，大致有管式封装、贴片封装和机械式封装。 ( 1 ) 管式封装：管式封装是最常见的封装方式之一，套管一般选择质地硬的金属管， 也可以用陶瓷材料。这种封装结构外壳坚硬，适合填埋的安装方式，因此大多应用在工程 结构健康监测中。 1 2 浙江理i ：人学硕十学位论文 图2 3 是赵雪峰等。”用不锈钢对光纤光栅制作的封装，用环氧树脂将光纤的一端固定， 另一端可自由伸缩，这样的结构使得传感器在温度测量中不受应变的影响。 环氧树脂 钢管环氧树脂 光纤布拉格光栅 图2 3 光纤光栅管式封装的温度传感器示意图 ( 2 ) 贴片封装。1 ：贴片封装的基本结构是先在贴片上刻一个小槽，然后用胶结剂将光 栅固定在小槽内，基底材料大多用会属片，这种结构容易固定在被测物体表面，使应变能 有效从贴片传递到光栅上。 ( 3 ) 机械式封装：俞钢等人。矧制作了一种无需应力的剪刀形支架封装结构，如图2 4 所示，两个v 型支架通过中问的铰链连接起来，形成剪刀形结构，用环氧树脂把光栅固定 在两个v 型支架的左侧内侧面间，使得光纤光栅能够同时进行温度补偿和调谐作用。 金属丝 图2 4 光纤光栅的剪刀形封装结构 2 封装材料，从封装所使用的材料划分，主要有会属封装和聚合物封装。封装材料的 性能参数( 弹性模量、线膨胀系数等) 与光栅材料的性能参数不一致，会造成光栅封装后 的温度灵敏度系数与裸光栅有很大不同。 ( 1 ) 金属封装：金属具有良好的导热性，种类繁多，且物理特性比较稳定，是光纤光 栅封装考虑的首选材料。 ( 2 ) 聚合物封装。剐：根据材料性质以及用途，可用于封装光纤光栅的聚合物材料分为 橡胶、胶粘剂、塑料、聚合物基底复合材料以及功能型高分子材料等。因此对封装聚合物 浙江理l ：人学硕+ 学位论文 材料的选择，需要综合考虑聚合物的温度压力特性以及与光栅粘接性能、导热性、固化特 性、抗老化性及是否有利于实施封装工艺等，封装用聚合物一般都应处于玻璃念或者是高 弹态。 何伟等人。盯1 用双分组环氧树脂将光栅粘在两层有机聚合物做的基底之间，如图2 5 所 示，使传感器的温度灵敏度系数提高到原来的1 2 3 倍。 脂 图2 5 聚合物封装的光纤光栅 3 封装工艺，从封装工艺来分，大致有机械固定式、胶粘固定式和会属焊固定式。 ( 1 ) 机械固定式：主要是按照传感器的性能和使用要求，设计一定的容器和相应的紧 固件，将各部件固定成一个整体，这种封装方式便于工艺的标准化。如果采用相应的密封 措施，还可满足密封要求，如利用耐油的挚片可满足防油的要求，利用真空挚圈呵满足气 密要求封装结构。 ( 2 ) 胶粘固定式：这种封装方式是用各种胶结剂连接传感器的各个部件，主要优点是 简单灵活、适用面广，但受胶结剂热膨胀系数的影响，这类传感器的温度稳定性稍差，容 易产生附加的内应力。 ( 3 ) 金属焊锡固定式。州：需先在被焊接的光学元器件上涂敷一层金属薄膜，然后用焊 锡方式进行会属焊接。这种封装方式是用金属焊接来取代胶结剂的使用，优点是热稳定性 好，不足之处是工艺复杂，不易操作。刘春桐等人。憎1 制作的全金属封装工艺为：先将焊锡 置于小金属盒内，光栅固定在盒内中心轴线位置，然后用酒精灯外焰加热金属盒，直至锡 焊将光栅完全封住。 2 2 2 封装结构对光纤光栅温度灵敏度的影响 由2 1 2 节可知，施加应变和温度变化均可改变光纤光栅的周期及折射率，从而使光 栅的中心波长发生漂移，因此将光纤光栅固定在封装材料上会产生温度增敏的效果，基本 原理是高热膨胀系数材料在温度作用下产生的大变形引起封装在材料内部的光纤产生较 1 4 浙江理i ：人学硕士学位论文 大的轴向变形，从而增加光纤光栅中心波长的漂移量。不考虑波导效应，即不考虑光纤光 栅因受轴向应力而产生轴向变形对折射率的影响，光纤光栅封装后的波长随温度变化的关 系可以表示为 等= h “卅。训p 2 - ( 7 ) 口为封装材料的热膨胀系数，尸。为光纤材料的弹光系数。 2 3 光纤布拉格光栅温度特性实验研究 2 3 1 光纤布拉格光栅的不锈钢管式封装 封装结构对光纤光栅传感器的特性有很重要的影响，利用热膨胀系数较大的材料封装 光栅，可以提高传感器的分辨率，因而外界温度微小的变化也可以引起传感光栅中心波长 较大偏移。考虑到封装工艺简单、实用化的要求，选择不锈钢管作为光纤光栅的保护外套， 光栅和套管的固定使用双分组环氧树脂胶。 封装采用双套管式结构，分为内管和外管，都使用不锈钢材料。内管的规格为：外径 1 舢，内径0 6 舢，长1 0 0 m m ，外管的规格为：外径2 5 舢，内径2 舢，长8 0 l i l l 。首先将光 栅放入内管中，管的两端涂上环氧树脂胶，置于加热台上高温固化，然后将内管套在外管 中，两管之间的空隙用导热硅脂填充。 实验对封装后光纤光栅的温度特性进行了测试，测试系统将在第3 章中详细介绍。本 实验所用光纤光栅的中心波长为1 5 4 5 5 8 n m ，带宽为0 1 6 n m ，反射率为9 6 。实验时将传 感光纤光栅置于温控箱中，其变化范围为一2 0 至8 0 ，分辨率为0 1 。c ，温