1、光纖布拉格光柵傳感技術、光纖散射傳感技術、Sagnac光纖干涉傳感技術、Ma ch-Zehnder光纖干涉傳感技術、偏振光光纖傳感技術、光纖消逝場傳感技術等。近幾年來，我國的油氣管道因非法侵入，打孔盜油、自然災害和管道老化等原因造成的泄漏 事件屢有發生，造成了巨大的經濟損失和環境污染，傳統的管道檢測方法預報不及時、定位 精度差以及誤報率高的缺點已很難滿足這一需求。基于光纖技術的管道測漏傳感系統，以光 為載體在同一根光纖中實現現場信號的采集和傳輸，抗電磁干擾能力強，且傳感器沒有額外 的電學部分，不會產生電打火現象，安全可靠。光纖材料主要是摻雜的二氧化硅，抗氧化、 抗酸堿腐蝕能力強，壽命長，只需要

2、在管道鋪設時埋設一條傳感光纖，就可以實現對整個管 道系統的長期、分布式的實時在線監控。光纖布拉格光柵傳感技術、光纖散射傳感技術1.1基于光纖布拉格光柵(FBG)的光纖測漏傳感技術光纖布拉格光柵的主要特點是光纖中的某一段纖芯折射率成周期性變化，光纖布拉格光柵也 簡稱光纖光柵。其反射光譜的中心波長A B與纖芯的有效折射率neff、柵足跳 呈關系 入 B = 2neff八(1)如圖1所示，當環境因素導致這兩個參數發生改變時，光纖光柵的反射波長A B會發生變化，通過檢測波長位移量的大小即可反推出外部 環境因素的改變量，完成傳感過程。光纖光柵中心反射波長的變化可用公式(2)表示。 A BAB=ks +

3、kTA T (2)式中k = A B/ 是光纖光柵的應力系數，為光纖材料泊松比、彈光系數和有效折 射率的函數；kT =A B/ T是光纖光柵的溫度系數，是光纖材料熱光系數和熱膨脹系 數的函數；為光柵軸向的應變變量； T為光柵溫度的變量。在管道檢測領域，一般 將若干個FBG組成一個傳感器陣列來構成分布式的傳感器系統。墨西哥R.M.Lopez等人提出了一種利用微彎效應加強的光纖布拉格光纖測漏傳感系 統，傳感器的結構如圖所示。在傳感光纖上制有一系列離散分布的布拉格光柵，各光柵間的光纖上覆有對石油類物質敏感 的聚合物，當泄漏發生時，聚合物吸收石油發生膨脹，引起光纖輸出光強的降低。當在如圖 所示的地方發

4、生泄漏時，其后面的FBG2、FBG3的反射光強會發生顯著下降，使用光 頻域反射計 COFDR (Coherent Optical Frequency D omainReflectometry）可對泄漏點定位，定位精度可以達到0 .5 m, 探測時間小于8min。印度學者NaharSingh將醫用橡膠固定在光纖光柵上，漏 油時橡膠膨脹引起光纖光柵反射波長的移動，探知管道泄漏。在橡膠干后，傳感器回復初始 狀態，多次試驗證明傳感器具有良好的重復性。日本學者將超聲技術和光纖光柵相結合開發了管道泄漏傳感器，如圖3所示。可調激光器（T L）發出的光，經過光學環形器（OC）后進入超聲波發射機（UT），在這里

5、與函數發生 器（AFG）和高速放大器（HSA）產生的超聲波一起在光纖內傳播。超聲波在光纖中傳 播時會對光纖產生應力的作用，當光纖與泄漏的液體接觸時超聲波泄漏到基底上，造成 光纖中傳輸的超聲波強度降低，光纖內的超聲應力減弱，FBG的反射波長趨向中心波長（F BG midreflectingwavelength），光電探測器檢測到這種變化， 即可判斷管道發生泄漏。該結構的傳感器避免了在光纖光柵上纏繞其他附屬結構的需要，更 易實現分布式傳感】5。國內大慶采油三廠三礦的程書春等也利用FBG制作了漏油傳感器，傳感器的探頭設計如圖 4所示】6。當漏油發生時，石油類的碳氫化合物與三元已丙橡膠（EPDA ）接

6、觸，橡 膠膨脹，帶動光纖光柵在軸向方向產生應變，進而改變光纖光柵的反射波長，通過觀察反射 波長的漂移量入B來確定是否發生漏油情況。實驗中用9 0#汽油對傳感器進行了試驗 測試，傳感器的響應間小于3min，可以快速的檢測出漏油情況的發生。由于溫度的變化 同樣可以引起光纖光柵反射波長的位移，該傳感器沒有溫度補償措施，只有當光纖的反射波 長位移量大于溫度引起的位移量時才可以確認漏油情況發生（文章中取1. 0nm）, 一方 面延長了傳感器的響應時間，另一方面也可能造成漏診和誤診。基于光纖光柵傳感技術的光纖測漏傳感器屬于波長調制型光纖傳感器，抗干擾能力強，信 噪比高，在單點檢測和多點檢測方面具有優勢。因

7、此多用于對敏感點、危險點的實時在線 監控。利用波分復路技術可以實現對管道多點的陣列式傳感，如文獻3所示，但還不 是嚴格意義上的分布式傳感系統。1.2基于散射的光纖測漏傳感技術光在沿光纖向前傳播的同時還會產生后向傳輸的散射光，散射類型主要有瑞利散射（Ray leigh）、布里淵散射（Brillouin ）和拉曼散射（Raman）各散射光譜 的特征關系如圖5所示。其中瑞利散射是光與物質發生的彈性散射，其散射波長不變，而拉 曼散射和布里源散射都是非彈性散射，其反射波長發生改變，二者在入射波長入0的兩側成 對出現，其中波長變長的為斯托克光（Stokes），波長變短的為反斯托克光（ant iStokes

8、）。由于光纖中的吸收損耗，瑞利散射的回波是一個沿傳輸距離均勻衰減 的曲線，在光速不變的情況下，傳輸距離與時間成正比s =ct/2n，s為光纖長度， c為光在真空中的速度，n為纖芯折射率，t為信號從發射到返回時的時間。布里源散射的 波長移動與光纖周圍的溫度場、應力場均有關，而拉曼散射的強度主要由光纖周圍的溫度場 決定，且斯托克光的拉曼散射對溫度的敏感性相對較小。Shimizu K等人利用布里淵散射技術開發了通過檢測溫度、應變變化來檢測管道完 整性的分布式光纖傳感器，檢測長度4 0 km，空間分辨率為1 0 0m7T.R.P arker等人開發了可同時進行溫度和應變測量的分布式光纖管道傳感器，對應

9、變和溫度 的分辨率分別是10 0|j m和4。，當檢測管道長度1 .2 km時，空間分辨率4 0m8。Kurashima T等人利用受激布里淵散射技術開發了分布式光纖溫度傳感器，在 1.2km的傳感距離內，溫度分辨率為3。，空間分辨率10 0m9Ba。 X.等 人同樣利用受激布里淵散射技術開發了長2 2 km的分布式光纖溫度傳感器，溫度分辨率 1C,空間分辨率1 0m10Bernhard Vogel等人詳細介紹了基于拉 曼背向散射的分布式光纖溫度傳感器在天然氣、石油等管道泄漏檢測中的應用，傳感系統的 壽命長達3 0年，溫度測量精度0 .5C，定位精度優于1m11。Omnisens 是瑞士一家從

10、事分布式光纖管道測漏傳感器的生產廠家，其產品DiTeST利用布里淵 散射和拉曼散射對管道周圍的溫度和應變進行檢測，進而判斷是否發生泄漏事件，當傳感 失效時系統可進行自我診斷、重置并記錄相關信息，傳感器在油田管道檢測中得到了大量 應用，傳感器系統結構簡圖如圖6所示，左圖是單端結構的傳感系統，右圖是環狀結構的 系統】12。2 0 0 2年該系統被用來監控德國柏林東北部一條長55 km的輸送天然氣 的鹽水管 道，傳感器對泄漏引起的溫度變化的測量精度為1C，測量時間小于1 0min13。 2003年7月該系統成功的檢測到一次泄漏事故，并給出報警。2005年公司成功的 將單節傳感器的檢測長度擴展到10

11、0km14 2 0 0 7年，阿拉斯加北冰洋里的某 海上油田利用該系統對一條長14km的輸油管道實施泄漏監控，同時該系統光纖也承擔 海上平臺與陸上基地間的信息傳輸，傳感器系統自安裝以來性能表現良好且至今仍在運行15。2009年Marc Nikles詳細介紹了D iTeST系統的傳感原理和 使用案例，檢測輸油管道時，流量大于管道總流量的0. 0 1%的泄漏都可以準確探明， 對于高壓氣體輸送管道，傳感器的最低探測極限更低】16。在第七屆國際管道會議上Daniele Inaudi介紹了基于拉曼散射和布里淵散 射的分布式光纖管道測漏傳感器系統，系統在19 0min內可以探測流量在每小時1 01 0 0

12、 0 L的泄漏，監視距離30 km，空間分辨率1m，該系統已經成功用于德國、 意大利的多處管道泄漏檢測中。進一步的研究使系統的檢測距離提高到6 0 km，在采用光 學放大后檢測長度可達3 0 0 km17。該系統采用的傳感光纖主要有兩種，分別是S MARTape和SMARTprofileSMARTape的結構如圖7所示。傳感 光纖外面包被一層聚酰亞胺，并埋設在用PPS(polyphenylene sulf ide)加強的熱塑材質中，用于防止傳感光纖在安裝和應用時的損壞。封裝后的傳感光纖 厚0. 2 mm，寬13mmSMARTape主要用于測試應力，圖8是SMARTap e用于意大利某斜坡地段管

13、道應力檢測的現場圖】18SMARTprofile的結 構尺寸如圖9所示(單位mm)，四根光纖包被在聚乙烯材料中，其中兩根固定的光纖用于 檢測應力(藍色、粗)，兩根自由的光纖用于檢測溫度(紅色，細)該結構的傳感光纖可同 時對管道的應力和溫度進行實時檢測，并據此對管道的安全情況進行判斷。澳大利亞的Fu ture Fibre Technologies Pty. Ltd.公司基于拉曼散射研制了用于天然氣管道測漏的分布式光纖傳感器(Fibre Optic Distri butedTemperature Sensor)，傳感器通過檢測管道周邊的溫度變 化來判斷是否發生泄漏，在10km 的監控范圍內，測量時

14、間10min，溫度分辨率 1.5C。此外，該公司還研制了一種對壓力、聲波、振動敏感的分布式光纖傳感器用于對 管道泄漏、挖掘、機械施工等事件的檢測，傳感距離達6 0km19。美國MOI(M icronOptics International)公司利用光纖背散光原理，通過 檢測外界影響因素，例如光纖附近的振動、位移、應力及溫度等變化對光纖內光波散射強度、 波長等參數的調制，來判斷管道內的實時情況，使用中繼模塊，每套系統的檢測距離達2 1 0 km，定位精度小于1m20。國內，大慶石油學院的王忠東教授利用光纖的背向瑞利散射和光時域反射計（OTDR ）技 術研制了分布式的光纖石油管道防盜檢測系統】2

15、1。當石油管道附近發生機械施工或人 為盜油現象時，施工產生的震動和壓力會對光纖產生干擾，引起背向瑞利散射的光強發生突 變，通過觀察這種突變即可判斷是否發生盜油現象。傳感器系統的技術指標在光纖長度為 5. Okm時，傳感器的定位誤差小于20m。清華大學的趙洪志等人開發的分布式光纖溫 度傳感器，溫度測量精度為7C，管道檢測長度1 .5km時，空間分辨率為15.6m 22。當光纖發生彎曲變形時，光纖內的傳播模式受到干擾后，會轉換為輻射模式損耗 掉，引起光纖輸出能量的降低，如圖10所示。光纖發生彎曲變形后，背向傳播的瑞利散射 也會產生突變，將光纖的微彎損耗和瑞利散射技術相結合可有效地提高傳感器的性能，許多 學者都進行了這方面的研究。英國Alistair MacLeana23德國B uerck J. 24、墨西哥 Antonio Carrillo25，26【L6 pez R.M 27 以及西安交大的高建忠28等人分別提出了相類似的基于光 纖微彎損耗的分布式光纖傳感器。其原理是將光纖安裝在表面覆有一層吸油聚合物的圓柱體 上，用金屬絲將其固