基于法珀（F-P）光纖傳感技術(shù)管道壓力在線監(jiān)測方法研究

衣文索，李靜芳

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130000）

基于法珀（F-P）光纖傳感技術(shù)管道壓力在線監(jiān)測方法研究

衣文索，李靜芳

（長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130000）

目前油氣輸送中的管道壓力檢測是該工程領(lǐng)域急待解決的問題之一，本文提出基于法布里-珀羅（Fabry-Perot）光纖傳感技術(shù)對回波信號進(jìn)行傅立葉變化分析的方法，根據(jù)光波光譜強(qiáng)度特性參數(shù)的變化特點(diǎn)對管道壓力變換進(jìn)行定性、定量分析，實(shí)現(xiàn)管道壓力的實(shí)時(shí)監(jiān)測，測試數(shù)據(jù)表明該方法具有良好的噪聲抑制能力和較高的接收靈敏度。

傅里葉變換；法布里-珀羅干涉；石油管道；光譜影響

0 引言

管道是輸送油氣的主要途徑之一，外力、腐蝕或其他因素都會(huì)導(dǎo)致管道運(yùn)送途中出現(xiàn)穿孔、泄漏、爆破的危險(xiǎn)，所以對管道壓力的實(shí)時(shí)檢測可以預(yù)防管道泄漏等事故的發(fā)生，同時(shí)也可對發(fā)生泄漏事故的管道進(jìn)行及時(shí)定位及維修。

以前工程上通常采用電壓力傳感器，通常這種方法的電磁干擾會(huì)大幅度影響測量值的準(zhǔn)確度，而光纖以光波為載體，光纖為媒介，感知和傳輸被測量信號發(fā)揮了不可代替的作用，光纖傳感器相比電傳感器有：電絕緣、抗電磁干擾，易為探測器接收、靈敏度高、易于集成化、耐壓耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，對于檢測石油管道壓力的光纖傳感器，多采用布拉格光纖光柵傳感器，優(yōu)點(diǎn)是存活壽命長，成本較低，技術(shù)成熟，但是以光纖光柵的波長作為傳感媒介，通過波長漂移來感知外界物理參量的變化，欲加寬測量范圍就必須采用寬帶光源，而欲提高分辨率就必須壓制反射帶寬，這就大幅度降低的光源的利用率，加之光源的分線性分布造成的周期性跳變，如果過多的降低光源的利用率，可能造成壓力檢測的大幅度偏差，給油田管道測量帶來巨大的隱患，所以必須解決兩個(gè)技術(shù)難題：1）消除光纖光柵的彈性襯底元件的彈性遲滯和帶寬比例［1］，2）消除溫度和應(yīng)力同時(shí)對FBG交叉敏感的影響［2-3］，本文采用F-P干涉儀原理來檢測石油管道中的壓力參數(shù)，可以很好的避免以上問題，同時(shí)運(yùn)用傅里葉變換來抑制光譜影響。

1 法布里-珀羅光纖傳感器

1.1 法珀干涉原理

光纖傳感器技術(shù)是光波在光纖中傳播時(shí)，其光波特性參量（振幅、相位、頻率、偏振態(tài)等）隨著外界因素（溫度、壓力、電場、磁場、振動(dòng)等）的作用而發(fā)生變化，通過測量這些光波特性參量，便可確定作用在光纖外面物理量的大小，考慮到石油管道中的特殊環(huán)境，本文采用了法布里-珀羅傳感器。

法布里-珀羅光纖干涉原理是光纖內(nèi)部有一對平行反射膜鏡，兩板之間是距離為t的腔長，當(dāng)光束進(jìn)入光纖時(shí)，經(jīng)過多次反射和折射，產(chǎn)生多束光束，多光束反射相遇后產(chǎn)生干涉，其原理圖如圖1所示，光從折射率為n1的物質(zhì)以角度α1的入射角進(jìn)入腔長t，折射率為n2的平行板中，光在板中折射角度為

每一束透射光相對于前一束而言，多經(jīng)歷了在兩平行鍍膜面之間的兩次相同反射和期間的傳輸損耗，（對于確定的腔長，其衰減系數(shù)為一穩(wěn)定值α），故相鄰的投射光成比例，相位差恒定，傳播方向平行。

任意兩束光光程差為：

圖1 法珀干涉原理圖

相位差為：

在忽略損耗理想情況下，反射光強(qiáng)分布：

其中I0為入射光強(qiáng)，F(xiàn)為F-P干涉儀的精細(xì)度系數(shù)為：

其中R為反射膜鏡的反射率。

1.2 法珀傳感器

圖2 法珀傳感器系統(tǒng)圖

圖3 （a）與（b）為法布里-珀羅腔長t分別為30um與70um兩種情況下，傳感器輸出的不同光強(qiáng)分布示意圖，就可以求出傳感器腔長t，得出其感受的應(yīng)變。

圖3 傳感器輸出的不同光強(qiáng)分布示意圖

3 解調(diào)算法

光纖法珀壓力傳感器原理是干涉原理，將兩根單模光纖的端面加工成高膜反射面或者是反射鏡，按照上節(jié)的法珀干涉原理，在理想情況下，光強(qiáng)和波長的關(guān)系如圖4所示，但是在實(shí)際工程中，沒有理想光源，任何一種實(shí)際的光源，發(fā)出的光強(qiáng)都是不同的，其強(qiáng)度隨波長的分布呈如圖5所示的高斯分布［5］：

圖4 理想光源下光強(qiáng)分布

圖5 實(shí)際高斯光源

其中λP是光源光譜的峰值波長，B是光源光譜帶寬，根據(jù)v=c/λ，可得［6］：

取一階近似值，帶入式（6）可得：

即對光源還可以遵循高斯分布，則反射光強(qiáng)輸出信號強(qiáng)度為：

對式（9）做傅里葉變換，可得：

通過檢峰信號，求得中心頻率Ωl為：

進(jìn)一步可求得法珀傳感器的腔長為：

4 法珀光纖傳感器

在油田管道的實(shí)際應(yīng)用中，用波長為830nm的光源，將光源、耦合器、光譜分析、光探測功能模塊、處理電路進(jìn)行集成一體，稱為光纖解調(diào)儀，在油田管道中放入法珀光纖傳感器，運(yùn)用光纖法珀解調(diào)儀，利用其專有客戶端軟件在上位機(jī)上對接收到的信號進(jìn)行分析，處理，顯示，打印報(bào)警等，如圖6所示，其進(jìn)行實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)結(jié)果如圖7所示。

圖6 工程應(yīng)用原理圖

圖7 測試結(jié)果圖

5 結(jié)語

采用F-P干涉儀原理來檢測石油管道中的壓力參數(shù)，對壓力的顯示及時(shí)做出分析、定位及維修，可以很好的避免光源以及光譜背景噪聲的影響問題，同時(shí)運(yùn)用傅里葉變換來抑制光譜影響，通過把光源、耦合器、光探測器及處理電路合并為一的光纖解調(diào)儀的使用，利用傅立葉算法的變化使其于腔長的關(guān)系，可以更加安全可靠的對管道中壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測、監(jiān)控、處理，使油田管道使用中更加安全。

［1］ 王洪亮，喬學(xué)光，馮德全，等.溫度和應(yīng)力遲滯自補(bǔ)償型光纖光柵傳感器的研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2007（3）：550-554.

［2］ 李川，孫宇，吳晟，等.分離應(yīng)變和溫度的差動(dòng)光纖布拉格光柵傳感器［J］.儀表技術(shù)與傳感，2004（3）：10-11.

［3］ 呂且妮，張以謨，劉鐵根，等.光纖光柵傳感器測量中的交叉敏感研究［J］.天津大學(xué)學(xué)報(bào)，2002，35（4）：425-428.

［4］ 李成.光纖法珀壓力傳感器的研究［D］.成都：電子科技大學(xué)，2013（5）：9-11.

［5］ 孫吉勇，陳偉民，朱永，等.光源光譜對光纖法布里-珀羅應(yīng)變傳感器系統(tǒng)的影響［J］.光學(xué)學(xué)報(bào)，2002，22（5）：596-600.

［6］ 周鑫磊.高精度光纖傳感器系統(tǒng)及其在油田測井中的應(yīng)用，2012（9）：19-30.

責(zé)任編輯：吳旭云

Research of PiPeline Pressure On-line M onitoring Based on Fabry-Perot OPtical Fiber Sensing Technology

YIWensuo，LI Jingfang
（School of OPtoElectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China）

Currently，the PiPeline Pressure detection in the Process of the transPortation of oil and gas is one of the Problems to be solved in engineering field.Based on Fabry-Perot oPtical fiber sensing technology，this PaPer Presents amethod for Fourier transform analysis on echo signals，whichmakes a qualitative and quantitative analysis on the PiPeline Pressure transform according to the changing characteristics of the intensity Parameters ofwave and sPectrum，realizing the real-timemonitoring on PiPeline Pressure.The test data shows that themethod has good noise suPPression and high receiving sensitivity.

Fourier transform；Fabry-Perot interference；oil PiPeline；sPectrum imPact

TP212.4+4

A

1009-3907（2015）06-0001-04

2014-09-15

衣文索（1971-），男，吉林輝南人，副教授，博士，主要從事信號檢測方面研究；李靜芳（1986-），女，河北張家口人，碩士研究生，主要從事儀器科學(xué)與技術(shù)方面研究。