基于分布式光纖傳感技術(shù)的智能管道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

宋繼紅，李詩春

(1.長春大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長春130022;2.長春高祥特種管道有限公司，長春130012)

0 引言

保證輸油、輸氣管道的安全是管道作業(yè)關(guān)鍵問題之一，目前國內(nèi)外應(yīng)用于管線工程監(jiān)測的技術(shù)和方法主要是傳統(tǒng)的電測式傳感器，受到布點(diǎn)數(shù)量的限制，無法全面反映管道的結(jié)構(gòu)和功能情況。本文介紹一種采用塑料復(fù)合管道內(nèi)部集成功能光纖的分布式溫度和應(yīng)力傳感技術(shù)，在管道生產(chǎn)過程直接集成，在光纖端口采用FPGA系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集管道運(yùn)行參數(shù)，解決了目前國內(nèi)外光纖傳感和管道分別集成，工程施工難度較大且可靠性差的問題。這種分布式光纖傳感器具有抗電磁干擾、防水、抗腐蝕和耐久性長等特點(diǎn)，管道端口的數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)單元可以準(zhǔn)確測出光纖沿線任一點(diǎn)上的應(yīng)力、溫度等信息，克服了傳統(tǒng)點(diǎn)式監(jiān)測漏檢的弊端，提高了監(jiān)測成功率［1］。測溫和測壓系統(tǒng)采用基于受激布里淵散射的布里淵光時(shí)域分析技術(shù)(Brillouin Optical Time-Domain Analysis，簡稱BOTDA)，布里淵頻移對(duì)壓力敏感，但同時(shí)也對(duì)溫度敏感，利用上述不同護(hù)套結(jié)構(gòu)的光纖具有不同壓力和溫度靈敏度系數(shù)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)基于雙通道分布式光纖布里淵頻移的傳感器，解決了壓力和溫度的交叉敏感問題，并實(shí)現(xiàn)了管道壓力和溫度的同時(shí)測量。

1 受激布里淵散射及其傳感類型

布里淵散射(Brillouin-scattering)是非彈性散射，由于聲波通過介質(zhì)時(shí)所引起的折射率不均勻而產(chǎn)生的，受激布里淵散射過程是頻率較高的泵浦光的能量向頻率低的斯托克斯光轉(zhuǎn)移的過程，布里淵散射也屬于喇曼效應(yīng)，即光在介質(zhì)中受到各種元激發(fā)的非彈性散射［2］。如圖1所示，數(shù)據(jù)采集與空時(shí)控制系統(tǒng)激發(fā)拉曼光譜(1550nm)進(jìn)入LD脈沖激光發(fā)生器，此泵浦激光通過光學(xué)系統(tǒng)耦合到功能光纖中，泵浦激光在光纖中某處(被測量點(diǎn))由于受到溫度或應(yīng)力變化，在被測點(diǎn)的布里淵頻移就會(huì)發(fā)生變化，這時(shí)斯托克斯信號(hào)光功率也會(huì)發(fā)生變化。圖1中光纖中反射回來的斯托克斯光通過光學(xué)反射進(jìn)入WF分光系統(tǒng)，接收端采用2組光電探測器件APD，模擬前端采用多路同步采保電路，然后進(jìn)入高精度AD轉(zhuǎn)換部分來檢測斯托克斯光和反斯托克斯光回光功率，由于布里淵頻移和斯托克斯光功率都與溫度、應(yīng)變存在線性關(guān)系，通過在光纖泵浦光輸入端檢測反射回來的斯托克斯光的功率或者布里淵頻移，就可以確定光纖各小段區(qū)域上能量變化或者頻移變化，從而得到溫度、應(yīng)變信息，實(shí)現(xiàn)分布式測量。通過布里淵信號(hào)光功率與溫度的線性關(guān)系可以擬合出布里淵功率溫度系數(shù)。

圖1 分布式光纖傳感器測量原理

預(yù)泵浦脈沖描述如公式(1):

這里D表示泵浦脈沖光持續(xù)時(shí)間，而Dpre表示脈沖預(yù)泵浦光持續(xù)的時(shí)間，Cp表示脈沖光功率，而Ap+Cp表示脈沖預(yù)泵浦光功率。通過適當(dāng)設(shè)置脈沖光與脈沖預(yù)泵浦光的功率比即消光系數(shù)(Rp)，可以降低多余的輸出功率，見公式(2):

泵浦激光采用脈沖為1ns的脈沖光，為了提高空間分辨率和測量精度，泵浦激光采用預(yù)調(diào)制窄帶激光脈沖，泵浦激光采用3階梯時(shí)延脈沖，峰值部分采用1ns時(shí)延，這樣既降低了泵浦激光在光纖中損耗，又保證了反射斯托克斯光的功率的尖銳性。適當(dāng)設(shè)置脈沖光和脈沖預(yù)泵浦光的消光系數(shù)，來自脈沖預(yù)泵浦光的信號(hào)能夠被有效控制，可以實(shí)現(xiàn)30cm的空間分辨率與高測量精度?；诓祭餃Y散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)，需要通過對(duì)系統(tǒng)定標(biāo)以及對(duì)測試到的數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合而得到，這樣建立較精確的符合實(shí)際環(huán)境的布里淵散射強(qiáng)度與溫度、應(yīng)變的定量關(guān)系［3］。

2 系統(tǒng)集成

實(shí)驗(yàn)表明，布里淵頻移與光纖所受到的壓力存在負(fù)線性關(guān)系，對(duì)于G652標(biāo)準(zhǔn)單模裸光纖，其比例系數(shù)約為-0.742MHz/MPa。光纖布里淵頻移在壓力作用下的線性敏感特性，為利用基于分布式光纖布里淵頻移的傳感器進(jìn)行液體壓力檢測奠定了基礎(chǔ)［4］。系統(tǒng)集成圖如圖2所示。

圖2 分布式光纖傳感器管道集成

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，光纖布里淵頻移是這兩種應(yīng)變復(fù)合作用的結(jié)果，并與這兩種應(yīng)變都成線性關(guān)系，但它們的比例系數(shù)卻存在很大差異，其中軸向應(yīng)變系數(shù)實(shí)驗(yàn)值為0.053MHz/με，徑向應(yīng)變系數(shù)實(shí)驗(yàn)值為0.029MHz/με。以構(gòu)建雙通道分布式光纖布里淵傳感器為例，其理論壓力精度和溫度精度分別為0.256MPa和0.284℃，此結(jié)果對(duì)于30MPa左右的壓力已達(dá)到高于1%的精度，而且通過護(hù)套的優(yōu)化設(shè)計(jì)還可以實(shí)現(xiàn)更高精度。如圖3所示。

圖3 智能管道測控系統(tǒng)

3 檢測結(jié)果分析

脈沖光在傳輸?shù)耐瑫r(shí)，不斷產(chǎn)生背向散射光，由時(shí)鐘電路計(jì)算入射光和接收到散射光的時(shí)間差，可實(shí)現(xiàn)散射點(diǎn)的定位。管道監(jiān)測中，實(shí)測光纖位置和被測體的對(duì)應(yīng)關(guān)系十分重要，在正常使用管道實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果具有很好的穩(wěn)定性，多次測量的結(jié)果，重復(fù)性誤差具有正態(tài)分布特征［5］。如圖4所示。

圖4 應(yīng)變光的測量結(jié)果及誤差分析

研究表明，利用分布式光纖測量溫度時(shí)，管道溫度慢變情況測量精度較高，快變溫度信號(hào)測量誤差較大;在測量管道壓力過程中，利用分布式光纖所測得的應(yīng)變?yōu)樵摫O(jiān)測段的平均應(yīng)變，對(duì)于有應(yīng)力集中現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)測量精度不好;而且基于BOTDA技術(shù)的光纖測量要求被測光纖傳感器必須是一個(gè)完整的回路，這對(duì)光纜的鋪設(shè)和保護(hù)要求較高。圖5為當(dāng)前的一些油氣管道線路鋪設(shè)現(xiàn)場圖片。分布式光纖油氣管道監(jiān)測系作為一種新型的光纖傳感技術(shù)，可很好的應(yīng)用于石油管道監(jiān)測中。

圖5 分布式光纖油氣管道監(jiān)測系在石油管道監(jiān)測中的應(yīng)用

4 結(jié)語

本文介紹了分布式光纖傳感器用于管道數(shù)據(jù)采集和參數(shù)檢測，使集成分布式光纖傳感器的塑料復(fù)合管道成為智能化管道，工程應(yīng)用數(shù)據(jù)表明，基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)由于在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和高精度探測方面有很大的發(fā)展前景，隨著該技術(shù)不斷運(yùn)用和推廣，該技術(shù)所達(dá)到的探測距離和探測精度也都在不斷提高。

［1］江宏，崔何亮.分布式光纖傳感技術(shù)在管線檢測中應(yīng)用［Z］.歐美大地儀器設(shè)備中國有限公司，2010:27-31.

［2］鄒劍.分布式光纖溫度測量系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)研究［D］.重慶:重慶大學(xué)，2005:65-71.

［3］黃尚廉，梁大巍.分布式光纖溫度傳感系統(tǒng)的研究［J］.儀器儀表學(xué)報(bào)，2011，12(4):359-364.

［4］鄒健，黃尚廉.基于普通光纖的分布式溫度傳感系統(tǒng)［J］.光電工程，1996，23(2):57-60.

［5］李卓明，李永倩，趙麗娟，等.光纖布里淵傳感器在電力系統(tǒng)光纜監(jiān)測中的應(yīng)用探討［J］.電力系統(tǒng)通信，2006，27(161):37-41.