（光学专业论文）光纤传感技术在长输管道的泄漏检测与定位中的应用.pdf

摘要 由于自然腐蚀、老化以及人为破坏等原因，长输管道泄漏时有发生，造成了巨 大的经济损失、环境破坏甚至人员伤亡。因此对于管道泄漏的检测与定位技术的研 究就具有重大意义目前，分布式光纤传感器的研究是国内外无损检测领域的一个 热点，但是，虽然国内外针对用于大型结构健康监测的分布式光纤温度、应变传感 器进行了许多卓有成效的研究工作，但这些传感器一般用以检测静态损耗和变化缓 慢扰动，不适合管道泄漏实时检测，并且对小泄漏不敏感。迄今为止，国内外还没 有形成一套完善的、有效的用于长距离管道泄漏实时监测的分布式光纤传感系统。 本课题特点在于，采用基于s a g n a c 效应的分布式光纤声学传感器对管道泄漏进 行检测和定位。 综述了管道泄漏监测的现状和使用的传统方法，以及分布式光纤传感技术的历 史、现状和发展方向等内容。 理论上研究了泄漏声发射信号对光信号的相位调制机理和泄漏声信号的光学参 数表征；讨论了s a g n a c 非互易相位调制的干涉原理，并用此原理设计了分布式光纤 声学传感器：从理论上讨论了压电陶瓷( p z t ) 模拟声发射信号的机理，并设计了用 于模拟泄漏信号的p z t 相位调制器。 阐述了偏振控制器的工作原理，比较了几种常用的偏振控制器，给出了描述传 输光偏振态的方法及偏振角的计算方法。 。 将分布式光纤声学传感器应用到管道泄漏检测系统中，首先判断是否有泄漏发 生，并对泄漏点进行定位。在实验室条件下进行了实验研究。采用环形结构，当系 统总长1 0 0 4 4 k i n 时，测量结果与实际泄漏点相对误差为0 4 4 ；采用直线型结构， 在系统总长为1 4 5 9 k i n 时，测量结果与实际泄漏点相对误差为3 8 ，6 关键词：s a g n a c 效应：分布式光纤传感；泄漏检测：偏振 a b s t r a c t l o n g - d i s t a n c ep i p el e a k a g ei sas e r i o u sp r o b l e ab e r a l l s eo ft h e i rr u s t , a g i n g 锄d m a n - m a d 屺a e s t r o y e dw l f i e hc o u l dr e s u l t si nh u g ee e , o n o m i cl o s s e s ，e n v i r o n m e n tp o l l u t i o n , 钾饥p e o p l ed e a t l li ti sv e r yi m p o r t a n tt od 0s o i n cr e s e a r c ho np i p el e a k a g ed e t e e l i n ga n d p o s i t i o n i n g d i s t r i b l t e df i b e rf l e n s o l $ y s t e m sa t er e s e a r e l a e dr e c e n t l y a l t h o u g ht h e r ea m m a n yf i u i t f u lp r o d u e t i o mo nd i s t r i b u t e df i b e rt e m p e r a t u r e 鲥矗i s o 幅a n do t h e rs e n s o r s , t l a e s c3 a 娜a i r e ：d e s i g n e dt od e t e c ts m i l es t a t ew a s t a g eo rs l o wc l m a g e , c o u l dn o tt od e a l w i t hl i t t l el e a k a g ee f f e c t i v e l y s of a r , t h e r ei sn o tas u i to fp i 矧融吒e f f e c t i v ed i s t r i b u t e d f i b e rs 即_ s o fs y 吐锄u s e di nl o n g - d i s t a n c ep i p el e a k a g ed e t e c t i n g ， h e r e , o u i m a i nt a s ki st od e t e c ta n dp o s i t i o nl e a k a g ep o 缸u s i n g $ a g m c - b a s e d d i s t r i b u t e df i b e r 剐m 剐璃 ， i nt h et i i _ s tp a r t , 胛s u mu pt h ea c t u a l i t yo fp i p el e a k a g ed e t e c t i n ga n ds o n i c t r a d i t i o m im e t h o d sw h i e l a 蹴a l r e a d y i s t s u m m a r i z et l x cl a i s ：l o r y , a e t 越t y 。f a t t t r c d e v e l o p m e n ta n do t h e ra s p e c t so f t h ed i s t r i b u t e df i b e rs c i 强o i s t h ep r i n c i p l e so ff i b e rs a 坫。幅e s p e c i a l l yt h ep r i n c i p l e so fp h a s em o d u l a t i o na 托 e x p a t i a t e d t h ei n l l u e n e e so ft h em o d u l a t i o no ft h el i g h ts i 掣1 a lo i lt h el e a k a g es i g n a l w 骶d i s e u c d t h e o r e t i c a l l y a c c o r d i n g t ot h en o - - r e c i p r o c i t yt h e o r y , d e v e l o l 蜮l $ a g n a e - b a s e dd i s t r i b u t e df i b e rs a l l s o i i nt k i sp a p e r , w cd i s c u s s e d t h em e c h a n i s mo fp z t p h a s em o d u l a t o ra n d u s e di tt os i m u l a t et r a n s m i ta c o u s t i cs i g a 1 t h ep r i n c i p l eo ft h ep o l a r i z a t i o ne o n l r o l l e rw a si l l u s t r a t e da n ds o i l l cc o m m o n p o l a r i z a t i o ne o n l r o l l e r s 帐c o m p a r e d s o m em e t h o d st od e s c r i b el i g h tp o l a r i z a t i o na n d h o wt oa e e o l m tp o l a r i z e da n g l e 、e 佗d i s c u s s e d l o n g - d i s t a n c ep i p el e a k a g ed e t e c t i o nu s i n gd i s t r i b u t e df i b e ra e o t t s t i ei b c i f l t l 0 1 曙w 罄 r e s e a r e l a e d w i t ht h el o o p 刚卫北：t i l 强t h er e l a t i v ed i f f e r e o e eb c t w c e l lt h er e a ll e a k a g e p o s i t i o na n dt h ec a l c u l a t e do n e w a s0 4 4 w h e nt h es y s t e mi s1 0 0 4 4l m a - l o n g w i t ht h e l i n es t r u c t u r e ，t h er e l a t i v ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h er e a ll e a k a g ep o s i t i o na n dt h ec a l c u l a t e d o mw a s3 8 w h e nt h es y s t e mi s1 4 5 9 k i n l o n g k e yw o r d s ：$ a g m ee t l e c t ；d i s m l m t e df i b e r l i j o g ；1 月k a g cl 蒯o u ；p o l a r i z a t i o n 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。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。 签名：硷垒捡日期：2 2 1 2 ：亟：f 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：豳! 盘拯 导师签名：燧 日期：互塑z 兰， 1 1 引言 第1 章绪论 现代管道运输起始于1 9 世纪中叶，自1 8 6 5 年s a m u e lv a ns y c h e l 在美国宾夕 法尼亚洲泰特期绍尔油田内建成世界上第一条输油管道( 管径5 0 m m ，长8 k m ) 至今， 管道运输业已有近1 4 0 年的历史。管道具有特殊优势，尤其是在输送气体、液体等 物质的时候其优势就更加明显，因此，管道运输业已经成为与铁路、公路、航空、 水运并驾齐驱的五大运输手段之一 1 9 5 8 年，我国在克拉玛依油田建成了第一条长距离输油管道【1 1 ；此后，随着大 庆、辽河、胜利等油田的开发，我国的长输管道建设进入了一个新的发展时期。截 至2 0 0 4 年底，我国已经建成天然气管道总长度2 2 万余公里。其中，陆上管道已超 过2 万公里，海洋管道达2 0 0 0 多公里，目前在建和拟建的管道总里程也有2 万多公 里，城市天然气管网也以前所未有的速度在发展【2 埘。城市供水系统也是极为庞大的 管道网络。2 0 0 2 年底，仅北京市区供水管线总长度就达到6 4 1 7 公里【”。 管道运输主要用于能源输送，普遍用于石油、天然气、液化石油气，化工原料 等的输送。在全球已建成的2 3 0 多万公里管道中，输气管道占近6 0 ，原油管道和 成品油管道各占1 5 多，化工和其他管道不足1 0 。目前，世界管道总长度已超过了 世界铁路总里程，成为能源运输的主要方式，世界上1 0 0 的天然气、8 5 以上的原 油的运输是通过管道输送实现的。在发达国家，成品油的远距离运输主要靠管道。 欧美发达国家和中东产油区的油品运输现已全部实现了管道化【】。 但是，由于老化、腐蚀、人为损坏等原因，管道泄漏事件频频发生。 总的来说，我国的大型油气管网敷设技术己达到或接近国际先进水平，能够成 功地在各种地质条件复杂、地理环境特殊的地区建设油气管道。但是，管网运行安 全检测技术相当落后，而且由于管道所传输的介质的危险性和污染性，一旦发生事 故将会造成巨大的生命财产损失和环境污染。 ， 因此，对长输管道泄漏检测和定位技术的研究具有很高的学术和工程实用价值， 可为流体管网泄漏的测定、评估和安全管理提供科学对策和方法。 1 2 管道泄漏检测 、 1 2 1 管道泄漏检测的现状 国内外对管道泄漏检测方法的研究已经有几十年的历史了，但是由于管道泄漏 检测的复杂性，管道输送介质的多样性、管道所处环境的多样性、泄漏形式的多样 性等等，现在没有一种简单、可靠、通用的方法能够很好地解决管网的各种泄漏的 检测问题。 1 2 2 管道泄漏检测的传统方法 管道泄漏检测技术从不同的侧重点出发有不同的分类方法：按采用的技术不同 可分为基于硬件的方法和基于软件的方法；按检测方式不同可分为外部检测法和内 部检测法；按是否依赖管网流体力学参数可分为依赖管网流体力学参数的方法和不 依赖管网流体力学参数的方法。虽然检测技术的分类各不相同，但总结起来，国内 外管道泄漏检测的传统方法主要有： ( 1 ) 负压波法当管道泄漏时，泄漏点的压力会突然下降，因此在流体中会产 生一个瞬态负压波，负压波沿管道向上下游传播。由于管道的波导作用，负压波可 传播数十公里的距离。根据负压波向上下游传播的时间差和负压波的传播速度即可 以对泄漏进行定位l ”】负压波检漏法的特点是能迅速地检测出大的泄漏，对于检 测过程中突然爆发的泄漏检测效果好，但对于比较小的泄漏或者缓慢泄漏效果不佳 特别是，当泄漏已经发生，负压波法将失去检测能力 ( 2 ) 管道爬机法将管道爬机从一端放入管道，顺流而下，利用超声波、涡流、 录像等技术采集有关管道内流动和管壁完好程度的信息【l “”。在国外，这项技术已 经比较成熟，并己用于各种管道检测中，该方法检测准确，精度较高；但是，对管 道要求严格，只适用于没有太多接头和转弯的管道。 ( 3 ) 声发射技术( a c o u s t i ce m i s s i o n 。简称a e )利用流体泄漏时引发的沿 管壁传播的应力波来判断泄漏和定位。作为一种动态无损检测方法，声发射技术可 以实现对结构区域或整体的大范围检测，检测效率较高，因此该方法对于管道的泄 漏监测具有潜在的特殊优势【1 4 j ”但是，由于泄漏声发射信号及影响其传播因素的 复杂性，使得泄漏声发射检测技术推广应用于工业管道泄漏检测面临一些亟待解决 的问题，如信号解释问题、定位问题和噪声剔除问题等【l “ ( 4 ) 流量平衡法基于管道流体流动的质量守恒关系，根据管道进出口的流量 测量值，结合管道中流体的流量分析，确定管道是否发生泄漏【l ”该方法简单直观， 2 但是不能定位，而且对任何一个扰动都很敏感，易造成误检。 ( 5 ) 压力坡降检测法基于正常输送时站间管道的压力波降呈斜线，当泄漏发 生时，漏点前的流量变大，坡降变陡，而漏点后流量变小，坡降变平，因此，沿管 线的压力坡降呈折线状。折点即为泄漏点，据此可算出实际泄漏位置”1 1 2 3 光纤传感器检测管道泄漏 目前，光纤因其抗电磁干扰能力强、电绝缘、耐腐蚀、重量轻、灵敏度高，测 量对象广泛等优点已经开始取代一些传统的传感技术，并且应用于各种外界物理量 的测量中1 2 1 。目前广泛应用于长输管道的泄漏检测中。 光纤传感器的基本原理是m 】：光波在光纤中传播时表征光波的特征参量( 强度、 相位、偏振态、波长等) 因外界因素( 如温度、压力应变、磁场、电场、位移、 转动等) 的作用而间接或直接的发生变化，从而可使光纤用作传感元件来探测各种 物理量。 与传统传感器相比，光纤传感器具有其独特的优势： 1 灵敏度高。光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。尤其是在测量一些特殊 物理量的时候，如加速度、磁场、水声等，光纤传感器的灵敏度显著要高于一般传 感器。 2 重量轻、体积小。光纤除了具有重量轻、体积小的优点外还可绕曲，这对于 制作不同外型和尺寸的传感器提供了很大的方便和可能。 3 抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀由于光纤传感器是利用光波传输信息，而且 光纤又是耐腐蚀、电绝缘的传输煤质，因此光纤传感器安全可靠，尤其适用于检测 石油化工等强电磁干扰和易燃易爆的恶劣环境中。 4 对被测介质影响小、成本低、易于复用。 此外，由于同时获得的信息量大，单位时间所需的费用大大降低，性价比很高， 所以很适合长距离管道泄漏的实施监测。 光纤传感器按传感原理可分为非功能型和功能型。非功能型光纤传感器是利用 其它敏感元件感受被测量变化，而光纤仅作为传输煤质，所以又称作传光型传感器。 功能型光纤传感( 分布式光纤传感) 系统原理则是同时利用光纤做为传感敏感元件 和传输信号介质，采用先进的o t d r 技术，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的 变化，实现真正分布式的测量。本文中采用分布式光纤传感技术，以下所说的光纤 传感即为分布式光纤传感。 3 i 3 分布式光纤传感技术 1 3 1 分布式光纤传感技术的研究历史 在光通信系统中，光纤被用做远距离传输光波信号的媒质。显然，在这类应用 中，光纤传输的光信号受外界干扰越小越好但是，在实际的光传输过程中，光纤 易受外界环境因素影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波 参数如光强、相位、频率、偏振、波长等的变化。因此，人们发现如果能测出光波 参数的变化，就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤 传感的构想 上世纪7 0 年代，科学家首次将低损耗光纤用于传感而非通讯目的的实验 1 9 1 但是受到光源光功率特别是光纤传输损耗的限制，光纤传感器诞生之初，主要进行 单点测量，还不能实现长距离分布式测量。然而随着大功率光源和低传输损耗光纤 的出现，使长距离分布式光纤传感成为可能。 自从上个世纪8 0 年代首个分布式光纤传感原理被提出以来嗍，随着研究的深 入，光纤传感在多个领域得到了广泛运用由于它具有可以获得被测量信息在时间 上和空问上连续分布的特点，以及光纤作为传感元件的诸多优点，非常适用于工程 结构监测。1 9 7 6 年b a r n o s k i 提出了光时域反射( 0 t d r ) 技术，这是实现分布式光 纤传感的关键技术。j p d a m n 等m 1 在1 9 8 7 年提出了一种基于s a g n a c 和 n a c h - z e h n d e r 干涉仪组合的新型分布式光纤传感系统对沿光纤长度上的扰动进行 检测和定位。1 9 9 1 年k l l r m a 等开发了基于s a 弘效应的分布式光纤声学传感器 5 5 蚓。来检测用以保护地下电缆的管道内绝缘液的泄漏。 根据检测空间范围的不同，分布式光纤传感器可以分为全分布式光纤传感器和 准分布式光纤传感器下面我们主要介绍全分布式传感技术 1 3 2 全分布式光纤传感技术 全分布式光纤传感技术使利用一根光纤作为延伸的敏感元件，光纤上的任意一 段既是敏感单元又是其它敏感单元的信息传输通道，因而可获得被测量的沿此光纤 空间和时间变化的分布信息。它消除了传统传感器存在的“盲区”，从根本上突破 了传统的单点测量限制，是真正意义上的分布式光纤传感器。另外，由于全分布光 纤传感器利用一根光纤取代大量的分立传感器，大大降低了造价，可以获得较高的 性价比，因此在检测中越来越广泛应用 全分布式光纤传感技术的方法主要有光时域反射法( 唧d c a l d o m a i n r e f l e c t o m e t r y - o t d r ) 和干涉法。 1 3 2 1 光时域反射法光时域反射( o t d r ) 技术是由b a r n o s k i “1 在1 9 7 6 年提出 的，是实现分布式传感的关键技术。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，后向散射光强在向后传播过程中随着距离增长而按一定 规律衰减，在光速不变的情况下，距离与时间成正比；因此根据探测器探测到的后 向散射光强及其到达探测器的时间，就可以知道沿光纤路径上任一点的初始后向散 射光强。图1 - 1 是基于后向散射的光纤分布式传感器的测量原理图： 图卜1 后向散射光纤传感器原理( 驯 f i g1 - 1 b a c k s c a t t e rf l b e fs e n s o rp r i n c i p l e 当光通过被测物理场时，光的能量一部分沿着光纤传输通道继续传播：一部分 在传输过程中被吸收损耗或是散射至光纤外；一部分被耦合至接收通道，被光电探 测器探测。 后向散射光强的数学表达式为： p ( f ) = 鲁晶s ( f ) q ( 咖x p 缸( f ) ( 1 1 ) 式中尸r 砂一一t 时刻后向反射到光纤入射端的光功率； c 。一一光脉冲在光纤中传播速度； 尼一输入光功率： s 俐一一后向反射因子： 口( t ) 一一单位散射系数； 口( t ) 一光散射和光吸收系数沿光程上积分和的一半 光的后向散射包括瑞利散射( r a y l e i g hs c a 士i e * r i n g ) 、拉曼散射( r a m a ns c a t t e r i n g ) 和布里渊散射( b d l l o u i ns c a t t e r i n g ) 三种形式。 ( 1 ) 基于瑞利散射的分布式光纤传感技术瑞利散射是由光纤材料不均匀导致 光纤的折射率不均匀所引起的，它是光与物质之间发生的弹性散射，在散射过程中 不发生频移。光的后向散射中，瑞利散射的光功率比拉曼散射和布里渊散射的光功 率大很多，因此，主要通过测量瑞利后向散射光强的变化来进行扰动定位当窄带 光脉冲被注入到光纤中时，系统通过测后向散射光强随时间变化的关系来检查光纤 的连续性并测出其衰减。瑞利散射的光功率为： 足( z ) = s y o e oe x p ( - 2 c t o z ) ( 1 - 2 ) 式中z 一一距光纤注入端的距离； 一一光纤的衰减系数； b 一一光纤注入端的脉冲功率； s 一一后向散射系数； 如一一与光纤瑞利散射截面有关的系数。 当激光脉冲在光纤中传输时，在光纤中产生瑞利散射。 利散射光返回到光纤入射端所需的时间为t ，则有： 三：三w ， 2 ， 距入射端l 处的局域瑞 ( i - 3 ) 式中，一一光在光纤中的速度，且y = 二 刀 c 一一真空中的光速： 矗一一光纤折射率 在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射( o t d 鼬结构来 实现被测量的空间定位o t d r 技术可以确定光纤的损耗，光纤故障点、断点的位 置因此，根据o t d r 技术的特性可以将其应用到分布式光纤传感技术中，用以进 行沿光纤长度上的扰动定位。 ( 2 ) 基于拉曼背向散射的分布式光纤传感技术激光脉冲注入光纤，由于非弹 性散射而产生拉曼散射，其中背向拉曼散射中因分子能级间的转换，包含有高于入 射光频率的斯托克斯光( s t o k e s ) 和低于入射光频率的反斯托克斯光( a n t i s t o k e s ) 斯托克斯光和反斯托克斯光的光强表达式分别为： b ( z ) = k s 嵋晶o x p ( 一口。一口s ) z q r , c t ) ，、 只( z ) ：k 。s v 麓e x p ( 一一) z 凡( r ) 1 4 式中，髟一一与光纤斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射截面有关的系数； s 一一光纤的背向散射因子： 6 略，屹一一斯托克斯和反斯托克斯散射光子频率； 一一入射光光纤传输损耗； 一一斯托克斯散射光光纤传输损耗： 一一反斯托克斯散射光光纤传输损耗； z 一一光纤待测局域处长度； b ( r ) ，兄( r ) 一一与光纤分子低能级和高能级上布居数有关的系数。 由于反斯托克斯光强大于斯托克斯光强，且对温度敏感，因此可通过光时域反 射技术测量背向散射的反斯托克斯光强，得到沿光纤长度各点的温度分布。但由于 拉曼散射光强较弱，且存在环境噪音影响，所以用这种方法测量温度分布，距离短、 信号弱、空间分辨力低因此我们采用双通道双波长比较的方法来提高测温精度。 以光强较大的反斯托克斯光作为信号通道，斯托克斯光作为参考通道，通过两者比 较解调温度。 ( 3 ) 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术布里渊散射是光波与声波在光纤 中传播时相互作用而产生的光散射过程，在不同的条件下，布里渊散射又分别以自 发散射和受激散射两种形式表现出来。利用布里渊散射技术测量温度和应变较拉曼 散射有更多的优点：其信号较强( 约比拉曼散射大l o d b t 纠) 。如果用单模光纤作 为传感光纤，其工作波长可为1 5 5 0 n m 和1 3 3 0 r i m 。特别地，1 5 5 0 n m 是光纤的第三个 窗口波长，光信号的衰减和色散都很小，适用于长距离测试。因此，基于布里渊散 射的分布式光纤传感器较基于拉曼散射的分布式光纤传感器有更好的发展潜力。 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术主要有布里渊时域分析法( b r i l l o u i n o p f i c mf i b e rt i m ed o m a i na n a l y s i s - b o t d a ) 和布里渊时域反射计法( b r i l l o a i ao p d c a l f i b e rt i m ed o m a i nr e f l e c t o m e ：t r y - b o t d r ) 其主要区别在于b o t d r 利用自发布里 渊散射，只需要单端测量，实际使用方便；而b o t d a 则需要两个光源，系统较复 杂，但是精度要高一些。 1 3 2 2 干涉法光纤干涉型传感器主要是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏 感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生 的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得 到被测对象的信息【2 0 0 】。 干涉式光纤传感器以其具有的高灵敏度、大动态范围等特点 3 t l ，近年来得到了 快速发展，且一些传感器已经得到了广泛应用，如光纤陀螺、水听器等等。随着光 纤传感技术的快速发展，越来越多的人开始着手研究用于长时间、大面积、实时监 测的传感器，而分布式传感技术恰能满足这一要求。干涉型传感器是我们所研究的 7 重点，其原理将在下一章详细分析 1 3 3 分布式光纤传感技术的发展方向 虽然，这二三十年来，随着光电子技术突飞猛进的发展，光纤传感技术也有了 长足的进步，但是，光纤传感技术的现状仍然远远不能满足实际需要，还有许多有 待解决的问题。近些年来，虽然世界各国科研人员对各种各样的光纤传感机理进行 了大量的研究和开发，但是，被人们寄予厚望的光纤传感器始终没有成为主导传感 技术还有很多问题需要研究解决为了实现高效、精确的测量，今后还有在以下 几个方面继续努力： 1 传感器的实用化研究，提高测量系统的测量范围，减少测量时间，提高传感 系统，尤其是传感器的性价比 2 新传感机理的研究，开拓新型光纤传感器。 3 将新型光纤材料( 如，增敏和去敏光纤、荧光光纤、电极化光纤等) 用于传 感系统，以适用于不同的测量要求。 ， 4 充分发挥微处理技术和计算机软件功能以改善和补偿光纤传感器的性能。形 成数字化、集成化、自动化的光纤传感系统 1 4 本文的主要研究内容 分布式光纤传感器的研究是国内外无损检测领域的一个热点，但是，虽然目前 国内外针对用于大型结构健康监测的分布式光纤温度、应变传感器进行了许多卓有 成效的研究工作，但这些传感器一般用以检测静态损耗和变化缓慢扰动，不适合管 道泄漏实时检测，并且对小泄漏不敏感。迄今为止，国内外还没有形成一套完善的、 有效的用于长距离管道泄漏实时监测的分布式光纤传感系统 本课题特点在于，采用基于s a g n a c 效应的分布式光纤声学传感器对管道泄漏进 行检测和定位。 文章结构如下： 第一章绪论，综述了管道泄漏监测的现状和使用的传统方法，以及分布式光纤 传感技术的历史、现状和发展方向等内容 第二章介绍了光纤传感原理，主要对相位型光纤传感理论进行了阐述理论上 研究了泄漏声发射信号对光信号的相位调制机理；研制了基于s a g n a c 非互易相位调 制干涉原理的分布式光纤声学传感器采用压电陶瓷( p z t ) 来模拟声发射信号，并 从理论上证明了其可行性。 第三章阐述了偏振控制器的工作原理和数学描述 第四章实验，对分布式光纤声学传感器在管道泄漏检测系统中的应用进行研究。 9 2 1 引言 第2 章光相位调制原理 光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种 以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号( 被测量) 的新型传感技术口”。 外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度( 功率) 、 波长，频率、相位和振幅等发生变化。因此，光纤传感器按被调制的光波参数不同 又可分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振 调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。本章主要分析外界信号变化对光纤中传输 光的相位调制机理。 在光纤中传输的光波可用方程表示为 e = e o c o s ( m t + ) 式中 磊一一光波的振幅； 一一频率； 口一一初相位。 式( 2 一1 ) 中包含五个参数，即强度霹，频率m ，波长厶= 2 j r c m ，相位( 甜+ 9 ) 和偏振态，被测量在敏感头内与光发生相互作用，如果作用的结果是改变了光的强 度，就叫强度调制型光纤传感器，其它依此类推。因此，就得到了五种调制类型的 光纤传感器m l 。但是，无论是探测哪种物理量，其工作原理无非都是用被测量的变 化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进行检测， 从而得到被测量。 我们所研究的光纤干涉型传感器，也被称为相位调制型光纤传感器。因此本章 我们主要阐述光相位调制原理。 2 2 光相位调制原理的类型 光相位调制的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射 率或传播常数发生变化，而导致光相位的变化，使两柬单色光所产生的干涉条纹发 生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的 信息。利用光相位调制来实现一些物理量的测量可以获得极高的灵敏度。其开发应 用已经有一百多年的历史，广泛应用于高分辨率实验室测量装置。 2 2 1 功能型光相位调制原理 。 功能型调制，外界信号通过光纤的应力应变效应、热应变效应、弹光效应等使 传感光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化，从而导致光纤中的光相位变化，以 实现对光相位的调制。 光波通过长度为，的光纤相位延迟为 妒= ( 2 2 ) 式中 户一一光波在光纤中的传播常数，卢= 咄，； 其中刀一一纤芯折射率； 毛一一光在真空中的波数，= 2 衫凡； 一一光真空中的波长。 当传感光纤受机械力或温场作用时，将导致一系列物理效应，使光纤的参数变 化，其中的纵向应变效应使光纤的长度，变化( ，) ；横向泊松效应使光纤的芯径纽 变化( 口) ，进而导致传播常数变化( ) ；弹光效应和热光效应使光纤的纤 芯折射率刀变化( a r t ) 传感光纤的上述参数变化都将引起光纤中的光波相位变化 将( 2 - 2 ) 微分，得到 舻出班( 孚) + 愕) m 惺 o c z s ， 式中第一项表示传感光纤长度变化引起的相位差，第二项为传感光纤折射率变 化引起的相位差，第三项为传感光纤芯径变化引起的相位差，由于其值相对很小， 一般可以忽略不计。则( 2 3 ) 式可简化为 舻( 孚 + 愕 血= 睁) + l a , 8 a ， 2 2 2 s a g n a o 效应光相位调制 s a g n a c 效应相位调制，是指外界信号不改变光纤本身的参数，而是通过旋转惯 性场中的环形光纤，使其中相向传播的两束光产生相应的光程差，以实现对光相位 的调制。如图2 1 m m 盯 a 蕾止 b 运动 图2 - 1s a g n a c 效应示意图【蚓 f i g2 - 1s a 掣m ce f f e c t 图2 一l a 所示，当环形光路静止时，光束进入系统后分成两束相反方向传播的光 波，它们在经过相同光路，以相反方向传播后返回分束点。图2 - 1 b 所示，当环形光 路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，光路内相向传播的两列光波之间将因 光波的惯性运动产生光程差，从而导致光的干涉。设环形光路半径为r ，以角速度q 绕垂直于环路所在平面并通过环心的轴旋转。环路中的两列光波同时从膨处开始分 别沿顺时针( c w ) 方向和逆时针方向( c c w ) 相向传播。 设光波在静止环路中传播一周所需时间为t ，则t = 2 z r c ，c 为环路中的光速。 根据惯性运动原理，与环路旋转同向的顺时针方向( c w ) 波列在t 时间内超前达到 ，其光程为 z 钾= 2 n - r + r d t ( 2 5 ) 与环路旋转反向的逆时针方向( c c w ) 波列在t 时间内迟后达到m ，其光程为 【c r = 2 石r r q f ( 2 6 ) 则顺、逆两列波在环路中传播一周产生的光程差为 3 7 1 。 a l = 垃= c h ( - 2 z c 面r 一罴r f 2 ) 竿q c z - ，l c 一尬c + c 。 由于光纤环路面积为s = 7 r r 2 ，则 世：兰兰q( 2 8 ) 式( 2 8 ) 说明，沿顺时针方向( c w ) 和逆时针方向( c c w ) 传播的两柬光光程 差l 与闭合回路的旋转角速度q 及回路面积s 成正比，与真空中的光速c 成反比 如果采用单模光纤构成长度为上的环形光路，则光波渡越光纤环路产生的相位 移为 3 3 j 0 ：2 r f n l ( 2 - 9 ) c o 式中 ，一一光波频率5 刀一一光纤纤芯折射率o 一一真空中光速 对( 2 - 9 ) 式中工进行微分，并将( 2 - 8 ) 式代入，可以得到与光程差业相应的 相位差 叠：堕堕( 2 1 0 ) 厶c o ， 外界信号可通过旋转光纤环对光纤中的光束进行相位调制，产生相应的c w 和c c w 两列光波的相位差 2 3 光纤相位调制 相位调制光纤传感器的基本传感原理呻1 是：通过被测能量场的作用，使光纤内 传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检 测出待测的物理量。 从式( 2 - 3 ) 的分析可知，光纤中的光相位由光纤波导的物理长波】、折射率 及其分布、横向几何尺寸所决定。一般而言，应力、应变、温度等外界物理量能直 接改变上述三个波导参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制。下面具体讨论引 起敏感光纤中光相位调制的两种物理效应 2 3 1 应力应变对光纤相位的影响 当光纤受到轴向的机械应力作用时，光纤的长度、芯径纤芯折射率都将发生变 化，这些变化导致光波的相位变化。 上文已经提到，光波在外界因素作用下。相位的变化可以写成( 2 - 4 ) 式所表达 的形式 妒螂) 叫( 孚 + 愕) ( 警) 血 由此可看出，( 2 - 4 ) 式中，第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟( 应变 1 4 效应) ；第二项表示感应折射率变化引起的相位延迟( 光隙效应) ；第三项表示光 栅的半径改变引起的相位延迟( 泊松效应) 根据弹性力学原理，对各向同性材料，其折射率的变化与对应的应变毛有如下 关系 ( 2 - 1 1 ) 式中，a ，几，儿是光纤的光弹系数，其中凡= ( a 。一p l ：) 2 ；毛和毛是光 纤的横向应变；岛为光纤的纵向应变。 因为 4 = ( 笥 忙哪， c 批， 所以 印5 一圭司鹋( i - - 垃3 ) 假设光纤芯为各向同性材料，有毛= 毛，且一= 码= 玛= ，则有 ，z 1 = 一互1 万3 ( a 。+ a ：) 毛+ ，。：毛 ，z ：= 一互1 捍3 ( a 。+ a ：) 毛+ a ：毛 ，z 3 = 一j 1 【2 崩：毛+ a ，毛】 ( 2 1 3 ) ( 2 - 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 - 1 6 ) 设卢= ，a 归= 钿= = 2 州凡，毛= a l l ，则( 2 - 4 ) 式可改写为 妒= k o n l 毛+ 三聘 ( 2 1 7 ) 气岛扇0 0 o 丌iiiiijiiiiii=爿 0 0 0 0 o o o o o 艮o 0 0 0 0 0 m 庇肌o o o 凡用几o o o ，几耽o o o 蛆迥迥蛆皑饯 只有纵向应变时，毛= 岛= o ，由于光纤中光的传播是沿横向偏振的，仅考虑折射率 的径向变化，将式( 2 1 4 ) 代入式( 2 - 1 7 ) 得到 妒= i i k o l ( 2 - n 2 p 1 2 ) 岛( 2 - 1 8 ) 2 径向应变引起的相位变化 此时毛= o ，对于轴向对称的径向应变毛= 毛= 丝，考虑泊松效应时，由( 2 1 7 ) 得 妒驯i 意( 警) 7 i2 ( p l l + p 1 2 ，卜c 枷， 式中，d 3 d a 蔓b 传播常数的应变因子。 不考虑泊松效应时有 = - 吉k o l n 3 ( a 1 + p 1 2 ) q ( 2 2 0 ) 3 光弹效应引起的相位变化 此时纵、横向效应同时存在，将式( 2 1 4 ) 代入式( 2 一1 7 ) 得相位变化为 = 万三 岛一j 1 玎2 ( a ，+ p 。：) 毛一j 1 厅2 a ：岛 ( 2 - 2 1 ) 4 一般形式的相位变化 当纵向应变为伸长时，横向应变为缩短；纵向应变为缩短时，横向应变为伸长。 两者符合相反，符合虎克定律 。 ，悼，( 2 - 2 2 ) l 毛i 式中，y 是泊松比，为常数；且毛= 毛 则式( 2 - 3 ) 写为 舻慨工1 以一y ) t 7 1 2 - - v p l i 卜伽警毛 浯z 。， 2 3 2 温度应变对光纤相位的影响 温度应变效应与应力应变效应相似【。将光纤放置在变化的温度场中，且把温 1 6 度场变化等效为作用力f ，则，将同时对光纤纤芯折射率h 和光纤长度工的变化产 生影响。由f 引起的光相位变化为 害= k o l ( 嘉 + 舭( 芸) = k o l ( 骞+ 呈箬) ( 2 - 2 4 ) 式中第一项表示由折射率变化引起的光相位变化；第一项表示由光纤长度变化引起 的光相位变化。式中忽略了光纤直径变化引起的光相位变化。用温度变化r 和相 位变化表示( 2 - 2 4 ) 式得 盟a t = 工( 鲁) + 一( 等 ( 2 - 2 5 ) 由于光纤中的光是横向偏振光，所以当仅考虑径向折射率变化时，其相位随温度的 变化为 笪：三立+ 。一1 堕 弘r 月d t l d t ( 2 2 6 ) 吉嘉+ 吉卜i 1n 2 ( p l l + p 1 2 ) 凡毛 式中，q 和毛与应力应变的物理意义相同，且应变毛、毛与光纤材料性质有关a 2 4 干涉式分布光纤传感技术 因为目前的光探测器只能探测到光的强度信号，而不能直接探测光的相位信 号，所以要采取一定的方式将光相位信号转换成相应的光强信号，这种转换方式就 是干涉法，按照干涉法构成的光学系统统称为干涉仪【”】。由于干涉条纹记录了光的 相位，当相位变化时干涉条纹随之变化，因此根据探测系统探测的干涉条纹变化情 况可以解调出光相位的变化。 例如，有振幅为4 和4 的两束相干光，若其中一束光的相位由于某种因素的影 响受到调制，则这两束光产生干涉。干涉场中各点的光强可表示为 4 2 = 4 2 + 4 2 + 2 4 4c o s ( a 妒) ( 2 2 7 ) 式中，一是相位调制引起的两相干光之间的相位差。通过探测干涉光强度的变化， 就可以确定两光束间的相位的变化，进而得到待测物理量的大小。 下面我们具体介绍几种光纤相位干涉仪。 2 4 1 迈克尔逊( m i c h l s o n ) 光纤干涉仪 s 图2 - 2 迈克尔逊干涉仪工作原理图d t f i g2 - 2 m i c h l s o ni n 怔r f 细e t 日p f i n c i p l e 如图2 - 2 所示为迈克尔逊干涉仪的工作原理图。当m 和鸩到g l 的光程差小于 激光器的相干长度时，入射到光探测器p 上的两相干光束便产生干涉干涉光强由 式( 2 - 2 7 ) 确定。两相干光的相位差为 = 2 k 0 世， ( 2 2 8 ) 式中，毛是光在空气中的传播常数；越是两相干光的光程差。由式( 2 - 2 7 ) 和( 2 - 2 8 ) 可知，m 每移动，= x 2 长度，光探测器p 的输出就变化一个周期 基于m i c h l s m 干涉仪的分布式光纤传感结构如图2 - 3 图2 3 基于迈克尔逊干涉仪的分布式光纤传感器 f i g2 - 3 d i s t r i b u t e df i b e rs e d s o rb a s e d0 1 1m i c h l s mi n t c f f c r o m v t a r 图2 - 3 所示系统，由光源、3 d b 耦合器、法拉第旋转镜、检光器以及传感光纤 和传输光纤组成。传感光纤中传输的光在某一外界物理场的作用下相位被调制，导 致两路光的相位不同，通过解调干涉光的相位变化可以获得物理场的信息。 1 8 这种基于m i c h l s o n 涉仪的分布式光纤传感器中要求传感臂和参考臂等长，且光 源有较高的同调长度，这是发生干涉的条件。但要使传感臂和参考臂的光纤完全等 长是很难实现的，因此存在着由于两臂不完全等长而引起的噪音。其优点在于两个 法拉第旋转镜的应用，可使两路光的偏振态保持一致，因此不会出现偏振引起的信 号衰减现象。 2 4 2 马赫一曾德( m a c h -