光纖傳感技術(shù)在長輸管道的泄漏檢測與定位中的應(yīng)用

1、北京工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文光纖傳感技術(shù)在長輸管道的泄漏檢測與定位中的應(yīng)用姓名：孫文韜申請學(xué)位級別：碩士專業(yè)：光學(xué)指導(dǎo)教師：宋晏蓉20070501摘要由于自然腐蝕、老化以及人為破壞等原因，長輸管道泄漏時有發(fā)生，造成了巨大的經(jīng)濟(jì)損失、環(huán)境破壞甚至人員傷亡。因此對于管道泄漏的檢測與定位技術(shù)的研究就具有重大意義目前，分布式光纖傳感器的研究是國內(nèi)外無損檢測領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)，但是，雖然國內(nèi)外針對用于大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的分布式光纖溫度、應(yīng)變傳感器進(jìn)行了許多卓有成效的研究工作，但這些傳感器一般用以檢測靜態(tài)損耗和變化緩慢擾動，不適合管道泄漏實(shí)時檢測，并且對小泄漏不敏感。迄今為止，國內(nèi)外還沒有形成一套完善的、有效的用于

2、長距離管道泄漏實(shí)時監(jiān)測的分布式光纖傳感系統(tǒng)。本課題特點(diǎn)在于，采用基于效應(yīng)的分布式光纖聲學(xué)傳感器對管道泄漏進(jìn)行檢測和定位。綜述了管道泄漏監(jiān)測的現(xiàn)狀和使用的傳統(tǒng)方法，以及分布式光纖傳感技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展方向等內(nèi)容。理論上研究了泄漏聲發(fā)射信號對光信號的相位調(diào)制機(jī)理和泄漏聲信號的光學(xué)參數(shù)表征；討論了非互易相位調(diào)制的干涉原理，并用此原理設(shè)計了分布式光纖聲學(xué)傳感器：從理論上討論了壓電陶瓷（）模擬聲發(fā)射信號的機(jī)理，并設(shè)計了用于模擬泄漏信號的相位調(diào)制器。闡述了偏振控制器的工作原理，比較了幾種常用的偏振控制器，給出了描述傳輸光偏振態(tài)的方法及偏振角的計算方法。將分布式光纖聲學(xué)傳感器應(yīng)用到管道泄漏檢測系統(tǒng)中，首

3、先判斷是否有泄漏發(fā)生，并對泄漏點(diǎn)進(jìn)行定位。在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)研究。采用環(huán)形結(jié)構(gòu)，當(dāng)系統(tǒng)總長時，測量結(jié)果與實(shí)際泄漏點(diǎn)相對誤差為；采用直線型結(jié)構(gòu)，在系統(tǒng)總長為時，測量結(jié)果與實(shí)際泄漏點(diǎn)相對誤差為，關(guān)鍵詞：效應(yīng)：分布式光纖傳感；泄漏檢測：偏振，鋤屺，鉀饑￥鰣矗幅，娜：，矧融吒即吐鋤，缸￥剮剮璃，胛蹴：，越。強(qiáng)坫。幅托掣骶，蜮￥，帳、佗曙罄剛衛(wèi)北：強(qiáng)，：￥；月蒯；獨(dú)創(chuàng)性聲明本人聲明所呈交的論文是我個人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的研究成果，也不包含為獲得北京工業(yè)大學(xué)或其它教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書而使用過的材

4、料。與我一同工作的同志對本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中作了明確的說明并表示了謝意。簽名：鹼壘撿日期：亟：關(guān)于論文使用授權(quán)的說明本人完全了解北京工業(yè)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即：學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)?？梢怨颊撐牡娜炕虿糠謨?nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論文。（保密的論文在解密后應(yīng)遵守此規(guī)定）簽名：豳！盤拯導(dǎo)師簽名：燧日期：互塑蘭，引言第章緒論現(xiàn)代管道運(yùn)輸起始于世紀(jì)中葉，自年在美國賓夕法尼亞洲泰特期紹爾油田內(nèi)建成世界上第一條輸油管道（管徑，長）至今，管道運(yùn)輸業(yè)已有近年的歷史。管道具有特殊優(yōu)勢，尤其是在輸送氣體、液體等物質(zhì)的時候其優(yōu)勢就更加明

5、顯，因此，管道運(yùn)輸業(yè)已經(jīng)成為與鐵路、公路、航空、水運(yùn)并駕齊驅(qū)的五大運(yùn)輸手段之一年，我國在克拉瑪依油田建成了第一條長距離輸油管道【；此后，隨著大慶、遼河、勝利等油田的開發(fā)，我國的長輸管道建設(shè)進(jìn)入了一個新的發(fā)展時期。截至年底，我國已經(jīng)建成天然氣管道總長度萬余公里。其中，陸上管道已超過萬公里，海洋管道達(dá)多公里，目前在建和擬建的管道總里程也有萬多公里，城市天然氣管網(wǎng)也以前所未有的速度在發(fā)展【塒。城市供水系統(tǒng)也是極為龐大的管道網(wǎng)絡(luò)。年底，僅北京市區(qū)供水管線總長度就達(dá)到公里【”。管道運(yùn)輸主要用于能源輸送，普遍用于石油、天然氣、液化石油氣，化工原料等的輸送。在全球已建成的多萬公里管道中，輸氣管道占近，原油管

6、道和成品油管道各占多，化工和其他管道不足。目前，世界管道總長度已超過了世界鐵路總里程，成為能源運(yùn)輸?shù)闹饕绞?，世界上的天然氣、以上的原油的運(yùn)輸是通過管道輸送實(shí)現(xiàn)的。在發(fā)達(dá)國家，成品油的遠(yuǎn)距離運(yùn)輸主要靠管道。歐美發(fā)達(dá)國家和中東產(chǎn)油區(qū)的油品運(yùn)輸現(xiàn)已全部實(shí)現(xiàn)了管道化【】。但是，由于老化、腐蝕、人為損壞等原因，管道泄漏事件頻頻發(fā)生?？偟膩碚f，我國的大型油氣管網(wǎng)敷設(shè)技術(shù)己達(dá)到或接近國際先進(jìn)水平，能夠成功地在各種地質(zhì)條件復(fù)雜、地理環(huán)境特殊的地區(qū)建設(shè)油氣管道。但是，管網(wǎng)運(yùn)行安全檢測技術(shù)相當(dāng)落后，而且由于管道所傳輸?shù)慕橘|(zhì)的危險性和污染性，一旦發(fā)生事故將會造成巨大的生命財產(chǎn)損失和環(huán)境污染。，因此，對長輸管道泄漏

7、檢測和定位技術(shù)的研究具有很高的學(xué)術(shù)和工程實(shí)用價值，可為流體管網(wǎng)泄漏的測定、評估和安全管理提供科學(xué)對策和方法。管道泄漏檢測、管道泄漏檢測的現(xiàn)狀國內(nèi)外對管道泄漏檢測方法的研究已經(jīng)有幾十年的歷史了，但是由于管道泄漏檢測的復(fù)雜性，管道輸送介質(zhì)的多樣性、管道所處環(huán)境的多樣性、泄漏形式的多樣性等等，現(xiàn)在沒有一種簡單、可靠、通用的方法能夠很好地解決管網(wǎng)的各種泄漏的檢測問題。管道泄漏檢測的傳統(tǒng)方法管道泄漏檢測技術(shù)從不同的側(cè)重點(diǎn)出發(fā)有不同的分類方法：按采用的技術(shù)不同可分為基于硬件的方法和基于軟件的方法；按檢測方式不同可分為外部檢測法和內(nèi)部檢測法；按是否依賴管網(wǎng)流體力學(xué)參數(shù)可分為依賴管網(wǎng)流體力學(xué)參數(shù)的方法和不依賴

8、管網(wǎng)流體力學(xué)參數(shù)的方法。雖然檢測技術(shù)的分類各不相同，但總結(jié)起來，國內(nèi)外管道泄漏檢測的傳統(tǒng)方法主要有：（）負(fù)壓波法當(dāng)管道泄漏時，泄漏點(diǎn)的壓力會突然下降，因此在流體中會產(chǎn)生一個瞬態(tài)負(fù)壓波，負(fù)壓波沿管道向上下游傳播。由于管道的波導(dǎo)作用，負(fù)壓波可傳播數(shù)十公里的距離。根據(jù)負(fù)壓波向上下游傳播的時間差和負(fù)壓波的傳播速度即可以對泄漏進(jìn)行定位”】負(fù)壓波檢漏法的特點(diǎn)是能迅速地檢測出大的泄漏，對于檢測過程中突然爆發(fā)的泄漏檢測效果好，但對于比較小的泄漏或者緩慢泄漏效果不佳特別是，當(dāng)泄漏已經(jīng)發(fā)生，負(fù)壓波法將失去檢測能力（）管道爬機(jī)法將管道爬機(jī)從一端放入管道，順流而下，利用超聲波、渦流、錄像等技術(shù)采集有關(guān)管道內(nèi)流動和管壁

9、完好程度的信息【“”。在國外，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)比較成熟，并己用于各種管道檢測中，該方法檢測準(zhǔn)確，精度較高；但是，對管道要求嚴(yán)格，只適用于沒有太多接頭和轉(zhuǎn)彎的管道。（）聲發(fā)射技術(shù)（。簡稱）利用流體泄漏時引發(fā)的沿管壁傳播的應(yīng)力波來判斷泄漏和定位。作為一種動態(tài)無損檢測方法，聲發(fā)射技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)對結(jié)構(gòu)區(qū)域或整體的大范圍檢測，檢測效率較高，因此該方法對于管道的泄漏監(jiān)測具有潛在的特殊優(yōu)勢【”但是，由于泄漏聲發(fā)射信號及影響其傳播因素的復(fù)雜性，使得泄漏聲發(fā)射檢測技術(shù)推廣應(yīng)用于工業(yè)管道泄漏檢測面臨一些亟待解決的問題，如信號解釋問題、定位問題和噪聲剔除問題等【“（）流量平衡法基于管道流體流動的質(zhì)量守恒關(guān)系，根據(jù)管道進(jìn)出

10、口的流量測量值，結(jié)合管道中流體的流量分析，確定管道是否發(fā)生泄漏【”該方法簡單直觀，但是不能定位，而且對任何一個擾動都很敏感，易造成誤檢。（）壓力坡降檢測法基于正常輸送時站間管道的壓力波降呈斜線，當(dāng)泄漏發(fā)生時，漏點(diǎn)前的流量變大，坡降變陡，而漏點(diǎn)后流量變小，坡降變平，因此，沿管線的壓力坡降呈折線狀。折點(diǎn)即為泄漏點(diǎn)，據(jù)此可算出實(shí)際泄漏位置”光纖傳感器檢測管道泄漏目前，光纖因其抗電磁干擾能力強(qiáng)、電絕緣、耐腐蝕、重量輕、靈敏度高，測量對象廣泛等優(yōu)點(diǎn)已經(jīng)開始取代一些傳統(tǒng)的傳感技術(shù)，并且應(yīng)用于各種外界物理量的測量中。目前廣泛應(yīng)用于長輸管道的泄漏檢測中。光纖傳感器的基本原理是】：光波在光纖中傳播時表征光波的特

11、征參量（強(qiáng)度、相位、偏振態(tài)、波長等）因外界因素（如溫度、壓力應(yīng)變、磁場、電場、位移、轉(zhuǎn)動等）的作用而間接或直接的發(fā)生變化，從而可使光纖用作傳感元件來探測各種物理量。與傳統(tǒng)傳感器相比，光纖傳感器具有其獨(dú)特的優(yōu)勢：靈敏度高。光纖傳感器的靈敏度優(yōu)于一般的傳感器。尤其是在測量一些特殊物理量的時候，如加速度、磁場、水聲等，光纖傳感器的靈敏度顯著要高于一般傳感器。重量輕、體積小。光纖除了具有重量輕、體積小的優(yōu)點(diǎn)外還可繞曲，這對于制作不同外型和尺寸的傳感器提供了很大的方便和可能?？闺姶鸥蓴_、電絕緣、耐腐蝕由于光纖傳感器是利用光波傳輸信息，而且光纖又是耐腐蝕、電絕緣的傳輸煤質(zhì)，因此光纖傳感器安全可靠，尤其適用

12、于檢測石油化工等強(qiáng)電磁干擾和易燃易爆的惡劣環(huán)境中。對被測介質(zhì)影響小、成本低、易于復(fù)用。此外，由于同時獲得的信息量大，單位時間所需的費(fèi)用大大降低，性價比很高，所以很適合長距離管道泄漏的實(shí)施監(jiān)測。光纖傳感器按傳感原理可分為非功能型和功能型。非功能型光纖傳感器是利用其它敏感元件感受被測量變化，而光纖僅作為傳輸煤質(zhì)，所以又稱作傳光型傳感器。功能型光纖傳感（分布式光纖傳感）系統(tǒng)原理則是同時利用光纖做為傳感敏感元件和傳輸信號介質(zhì)，采用先進(jìn)的技術(shù)，探測出沿著光纖不同位置的溫度和應(yīng)變的變化，實(shí)現(xiàn)真正分布式的測量。本文中采用分布式光纖傳感技術(shù)，以下所說的光纖傳感即為分布式光纖傳感。分布式光纖傳感技術(shù)分布式光纖傳

13、感技術(shù)的研究歷史在光通信系統(tǒng)中，光纖被用做遠(yuǎn)距離傳輸光波信號的媒質(zhì)。顯然，在這類應(yīng)用中，光纖傳輸?shù)墓庑盘柺芡饨绺蓴_越小越好但是，在實(shí)際的光傳輸過程中，光纖易受外界環(huán)境因素影響，如溫度、壓力、電磁場等外界條件的變化將引起光纖光波參數(shù)如光強(qiáng)、相位、頻率、偏振、波長等的變化。因此，人們發(fā)現(xiàn)如果能測出光波參數(shù)的變化，就可以知道導(dǎo)致光波參數(shù)變化的各種物理量的大小，于是產(chǎn)生了光纖傳感的構(gòu)想上世紀(jì)年代，科學(xué)家首次將低損耗光纖用于傳感而非通訊目的的實(shí)驗(yàn)但是受到光源光功率特別是光纖傳輸損耗的限制，光纖傳感器誕生之初，主要進(jìn)行單點(diǎn)測量，還不能實(shí)現(xiàn)長距離分布式測量。然而隨著大功率光源和低傳輸損耗光纖的出現(xiàn)，使長距離

14、分布式光纖傳感成為可能。自從上個世紀(jì)年代首個分布式光纖傳感原理被提出以來嗍，隨著研究的深入，光纖傳感在多個領(lǐng)域得到了廣泛運(yùn)用由于它具有可以獲得被測量信息在時間上和空問上連續(xù)分布的特點(diǎn)，以及光纖作為傳感元件的諸多優(yōu)點(diǎn)，非常適用于工程結(jié)構(gòu)監(jiān)測。年提出了光時域反射（）技術(shù)，這是實(shí)現(xiàn)分布式光纖傳感的關(guān)鍵技術(shù)。等在年提出了一種基于和干涉儀組合的新型分布式光纖傳感系統(tǒng)對沿光纖長度上的擾動進(jìn)行檢測和定位。年等開發(fā)了基于弘效應(yīng)的分布式光纖聲學(xué)傳感器蚓。來檢測用以保護(hù)地下電纜的管道內(nèi)絕緣液的泄漏。根據(jù)檢測空間范圍的不同，分布式光纖傳感器可以分為全分布式光纖傳感器和準(zhǔn)分布式光纖傳感器下面我們主要介紹全分布式傳感技

15、術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)全分布式光纖傳感技術(shù)使利用一根光纖作為延伸的敏感元件，光纖上的任意一段既是敏感單元又是其它敏感單元的信息傳輸通道，因而可獲得被測量的沿此光纖空間和時間變化的分布信息。它消除了傳統(tǒng)傳感器存在的“盲區(qū)”，從根本上突破了傳統(tǒng)的單點(diǎn)測量限制，是真正意義上的分布式光纖傳感器。另外，由于全分布光纖傳感器利用一根光纖取代大量的分立傳感器，大大降低了造價，可以獲得較高的性價比，因此在檢測中越來越廣泛應(yīng)用全分布式光纖傳感技術(shù)的方法主要有光時域反射法（唧）和干涉法。光時域反射法光時域反射（）技術(shù)是由“在年提出的，是實(shí)現(xiàn)分布式傳感的關(guān)鍵技術(shù)。它的基本原理是光源發(fā)出的光在沿光纖向前傳輸?shù)倪^程中產(chǎn)

16、生后向散射，后向散射光強(qiáng)在向后傳播過程中隨著距離增長而按一定規(guī)律衰減，在光速不變的情況下，距離與時間成正比；因此根據(jù)探測器探測到的后向散射光強(qiáng)及其到達(dá)探測器的時間，就可以知道沿光纖路徑上任一點(diǎn)的初始后向散射光強(qiáng)。圖是基于后向散射的光纖分布式傳感器的測量原理圖：圖卜后向散射光纖傳感器原理（馴當(dāng)光通過被測物理場時，光的能量一部分沿著光纖傳輸通道繼續(xù)傳播：一部分在傳輸過程中被吸收損耗或是散射至光纖外；一部分被耦合至接收通道，被光電探測器探測。后向散射光強(qiáng)的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：（）魯晶（）（咖缸（）（）式中尸砂一一時刻后向反射到光纖入射端的光功率；。一一光脈沖在光纖中傳播速度；尼一輸入光功率：俐一一后向反射

17、因子：口（）一一單位散射系數(shù)；口（）一光散射和光吸收系數(shù)沿光程上積分和的一半光的后向散射包括瑞利散射（士）、拉曼散射（）和布里淵散射（）三種形式。（）基于瑞利散射的分布式光纖傳感技術(shù)瑞利散射是由光纖材料不均勻?qū)е鹿饫w的折射率不均勻所引起的，它是光與物質(zhì)之間發(fā)生的彈性散射，在散射過程中不發(fā)生頻移。光的后向散射中，瑞利散射的光功率比拉曼散射和布里淵散射的光功率大很多，因此，主要通過測量瑞利后向散射光強(qiáng)的變化來進(jìn)行擾動定位當(dāng)窄帶光脈沖被注入到光纖中時，系統(tǒng)通過測后向散射光強(qiáng)隨時間變化的關(guān)系來檢查光纖的連續(xù)性并測出其衰減。瑞利散射的光功率為：足（）（）（）式中一一距光纖注入端的距離；一一光纖的衰減系數(shù)

18、；一一光纖注入端的脈沖功率；一一后向散射系數(shù)；如一一與光纖瑞利散射截面有關(guān)的系數(shù)。當(dāng)激光脈沖在光纖中傳輸時，在光纖中產(chǎn)生瑞利散射。利散射光返回到光纖入射端所需的時間為，則有：三：三，距入射端處的局域瑞（）式中，一一光在光纖中的速度，且二刀一一真空中的光速：矗一一光纖折射率在利用后向瑞利散射的光纖傳感技術(shù)中，一般采用光時域反射（鼬結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)被測量的空間定位技術(shù)可以確定光纖的損耗，光纖故障點(diǎn)、斷點(diǎn)的位置因此，根據(jù)技術(shù)的特性可以將其應(yīng)用到分布式光纖傳感技術(shù)中，用以進(jìn)行沿光纖長度上的擾動定位。（）基于拉曼背向散射的分布式光纖傳感技術(shù)激光脈沖注入光纖，由于非彈性散射而產(chǎn)生拉曼散射，其中背向拉曼散射中因分

19、子能級間的轉(zhuǎn)換，包含有高于入射光頻率的斯托克斯光（）和低于入射光頻率的反斯托克斯光（）斯托克斯光和反斯托克斯光的光強(qiáng)表達(dá)式分別為：（）嵋晶（一口。一口），），、只（）：。麓（一一）凡（）式中，髟一一與光纖斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射截面有關(guān)的系數(shù)；一一光纖的背向散射因子：略，屹一一斯托克斯和反斯托克斯散射光子頻率；一一入射光光纖傳輸損耗；一一斯托克斯散射光光纖傳輸損耗：一一反斯托克斯散射光光纖傳輸損耗；一一光纖待測局域處長度；（），兄（）一一與光纖分子低能級和高能級上布居數(shù)有關(guān)的系數(shù)。由于反斯托克斯光強(qiáng)大于斯托克斯光強(qiáng)，且對溫度敏感，因此可通過光時域反射技術(shù)測量背向散射的反斯托克斯光強(qiáng)，得到沿

20、光纖長度各點(diǎn)的溫度分布。但由于拉曼散射光強(qiáng)較弱，且存在環(huán)境噪音影響，所以用這種方法測量溫度分布，距離短、信號弱、空間分辨力低因此我們采用雙通道雙波長比較的方法來提高測溫精度。以光強(qiáng)較大的反斯托克斯光作為信號通道，斯托克斯光作為參考通道，通過兩者比較解調(diào)溫度。（）基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)布里淵散射是光波與聲波在光纖中傳播時相互作用而產(chǎn)生的光散射過程，在不同的條件下，布里淵散射又分別以自發(fā)散射和受激散射兩種形式表現(xiàn)出來。利用布里淵散射技術(shù)測量溫度和應(yīng)變較拉曼散射有更多的優(yōu)點(diǎn)：其信號較強(qiáng)（約比拉曼散射大糾）。如果用單模光纖作為傳感光纖，其工作波長可為和。特別地，是光纖的第三個窗口波長，光信

21、號的衰減和色散都很小，適用于長距離測試。因此，基于布里淵散射的分布式光纖傳感器較基于拉曼散射的分布式光纖傳感器有更好的發(fā)展?jié)摿??；诓祭餃Y散射的分布式光纖傳感技術(shù)主要有布里淵時域分析法（）和布里淵時域反射計法（：）其主要區(qū)別在于利用自發(fā)布里淵散射，只需要單端測量，實(shí)際使用方便；而則需要兩個光源，系統(tǒng)較復(fù)雜，但是精度要高一些。干涉法光纖干涉型傳感器主要是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，而導(dǎo)致光的相位變化，使兩束單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息【】。干涉式光纖傳感器以其具有的高靈敏度、大動態(tài)范圍

22、等特點(diǎn)，近年來得到了快速發(fā)展，且一些傳感器已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用，如光纖陀螺、水聽器等等。隨著光纖傳感技術(shù)的快速發(fā)展，越來越多的人開始著手研究用于長時間、大面積、實(shí)時監(jiān)測的傳感器，而分布式傳感技術(shù)恰能滿足這一要求。干涉型傳感器是我們所研究的重點(diǎn)，其原理將在下一章詳細(xì)分析分布式光纖傳感技術(shù)的發(fā)展方向雖然，這二三十年來，隨著光電子技術(shù)突飛猛進(jìn)的發(fā)展，光纖傳感技術(shù)也有了長足的進(jìn)步，但是，光纖傳感技術(shù)的現(xiàn)狀仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足實(shí)際需要，還有許多有待解決的問題。近些年來，雖然世界各國科研人員對各種各樣的光纖傳感機(jī)理進(jìn)行了大量的研究和開發(fā)，但是，被人們寄予厚望的光纖傳感器始終沒有成為主導(dǎo)傳感技術(shù)還有很多問題需要研

23、究解決為了實(shí)現(xiàn)高效、精確的測量，今后還有在以下幾個方面繼續(xù)努力：傳感器的實(shí)用化研究，提高測量系統(tǒng)的測量范圍，減少測量時間，提高傳感系統(tǒng)，尤其是傳感器的性價比新傳感機(jī)理的研究，開拓新型光纖傳感器。將新型光纖材料（如，增敏和去敏光纖、熒光光纖、電極化光纖等）用于傳感系統(tǒng)，以適用于不同的測量要求。，充分發(fā)揮微處理技術(shù)和計算機(jī)軟件功能以改善和補(bǔ)償光纖傳感器的性能。形成數(shù)字化、集成化、自動化的光纖傳感系統(tǒng)本文的主要研究內(nèi)容分布式光纖傳感器的研究是國內(nèi)外無損檢測領(lǐng)域的一個熱點(diǎn)，但是，雖然目前國內(nèi)外針對用于大型結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測的分布式光纖溫度、應(yīng)變傳感器進(jìn)行了許多卓有成效的研究工作，但這些傳感器一般用以檢測靜態(tài)

24、損耗和變化緩慢擾動，不適合管道泄漏實(shí)時檢測，并且對小泄漏不敏感。迄今為止，國內(nèi)外還沒有形成一套完善的、有效的用于長距離管道泄漏實(shí)時監(jiān)測的分布式光纖傳感系統(tǒng)本課題特點(diǎn)在于，采用基于效應(yīng)的分布式光纖聲學(xué)傳感器對管道泄漏進(jìn)行檢測和定位。文章結(jié)構(gòu)如下：第一章緒論，綜述了管道泄漏監(jiān)測的現(xiàn)狀和使用的傳統(tǒng)方法，以及分布式光纖傳感技術(shù)的歷史、現(xiàn)狀和發(fā)展方向等內(nèi)容第二章介紹了光纖傳感原理，主要對相位型光纖傳感理論進(jìn)行了闡述理論上研究了泄漏聲發(fā)射信號對光信號的相位調(diào)制機(jī)理；研制了基于非互易相位調(diào)制干涉原理的分布式光纖聲學(xué)傳感器采用壓電陶瓷（）來模擬聲發(fā)射信號，并從理論上證明了其可行性。第三章闡述了偏振控制器的工作

25、原理和數(shù)學(xué)描述第四章實(shí)驗(yàn)，對分布式光纖聲學(xué)傳感器在管道泄漏檢測系統(tǒng)中的應(yīng)用進(jìn)行研究。引言第章光相位調(diào)制原理光纖傳感技術(shù)是伴隨著光導(dǎo)纖維及光纖通信技術(shù)的發(fā)展而迅速發(fā)展起來的一種以光為載體，光纖為媒質(zhì)，感知和傳輸外界信號（被測量）的新型傳感技術(shù)口”。外界信號按照其變化規(guī)律使光纖中傳輸?shù)墓獠ǖ奈锢硖卣鲄⒘浚鐝?qiáng)度（功率）、波長，頻率、相位和振幅等發(fā)生變化。因此，光纖傳感器按被調(diào)制的光波參數(shù)不同又可分為強(qiáng)度調(diào)制光纖傳感器、相位調(diào)制光纖傳感器、頻率調(diào)制光纖傳感器、偏振調(diào)制光纖傳感器和波長調(diào)制光纖傳感器。本章主要分析外界信號變化對光纖中傳輸光的相位調(diào)制機(jī)理。在光纖中傳輸?shù)墓獠捎梅匠瘫硎緸椋ǎ┦街欣谝灰还?/p>

26、波的振幅；一一頻率；口一一初相位。式（一）中包含五個參數(shù)，即強(qiáng)度霹，頻率，波長厶，相位（甜）和偏振態(tài)，被測量在敏感頭內(nèi)與光發(fā)生相互作用，如果作用的結(jié)果是改變了光的強(qiáng)度，就叫強(qiáng)度調(diào)制型光纖傳感器，其它依此類推。因此，就得到了五種調(diào)制類型的光纖傳感器。但是，無論是探測哪種物理量，其工作原理無非都是用被測量的變化調(diào)制傳輸光光波的某一參數(shù)，使其隨之變化，然后對已調(diào)制的光信號進(jìn)行檢測，從而得到被測量。我們所研究的光纖干涉型傳感器，也被稱為相位調(diào)制型光纖傳感器。因此本章我們主要闡述光相位調(diào)制原理。光相位調(diào)制原理的類型光相位調(diào)制的基本原理是利用被測對象對敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或傳播常數(shù)發(fā)生變化，

27、而導(dǎo)致光相位的變化，使兩柬單色光所產(chǎn)生的干涉條紋發(fā)生變化，通過檢測干涉條紋的變化量來確定光的相位變化量，從而得到被測對象的信息。利用光相位調(diào)制來實(shí)現(xiàn)一些物理量的測量可以獲得極高的靈敏度。其開發(fā)應(yīng)用已經(jīng)有一百多年的歷史，廣泛應(yīng)用于高分辨率實(shí)驗(yàn)室測量裝置。功能型光相位調(diào)制原理。功能型調(diào)制，外界信號通過光纖的應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)、熱應(yīng)變效應(yīng)、彈光效應(yīng)等使傳感光纖的幾何尺寸和折射率等參數(shù)發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光纖中的光相位變化，以實(shí)現(xiàn)對光相位的調(diào)制。光波通過長度為，的光纖相位延遲為妒（）式中戶一一光波在光纖中的傳播常數(shù)，盧咄，；其中刀一一纖芯折射率；毛一一光在真空中的波數(shù)，衫凡；一一光真空中的波長。當(dāng)傳感光纖受機(jī)

28、械力或溫場作用時，將導(dǎo)致一系列物理效應(yīng)，使光纖的參數(shù)變化，其中的縱向應(yīng)變效應(yīng)使光纖的長度，變化（，）；橫向泊松效應(yīng)使光纖的芯徑紐變化（口），進(jìn)而導(dǎo)致傳播常數(shù)變化（）；彈光效應(yīng)和熱光效應(yīng)使光纖的纖芯折射率刀變化（）傳感光纖的上述參數(shù)變化都將引起光纖中的光波相位變化將（）微分，得到艫出班（孚）愕）惺，式中第一項(xiàng)表示傳感光纖長度變化引起的相位差，第二項(xiàng)為傳感光纖折射率變化引起的相位差，第三項(xiàng)為傳感光纖芯徑變化引起的相位差，由于其值相對很小，一般可以忽略不計。則（）式可簡化為艫（孚愕血睜），效應(yīng)光相位調(diào)制效應(yīng)相位調(diào)制，是指外界信號不改變光纖本身的參數(shù)，而是通過旋轉(zhuǎn)慣性場中的環(huán)形光纖，使其中相向傳播的兩

29、束光產(chǎn)生相應(yīng)的光程差，以實(shí)現(xiàn)對光相位的調(diào)制。如圖盯蕾止運(yùn)動圖效應(yīng)示意圖【蚓掣圖一所示，當(dāng)環(huán)形光路靜止時，光束進(jìn)入系統(tǒng)后分成兩束相反方向傳播的光波，它們在經(jīng)過相同光路，以相反方向傳播后返回分束點(diǎn)。圖所示，當(dāng)環(huán)形光路在慣性空間繞垂直于光路平面的軸轉(zhuǎn)動時，光路內(nèi)相向傳播的兩列光波之間將因光波的慣性運(yùn)動產(chǎn)生光程差，從而導(dǎo)致光的干涉。設(shè)環(huán)形光路半徑為，以角速度繞垂直于環(huán)路所在平面并通過環(huán)心的軸旋轉(zhuǎn)。環(huán)路中的兩列光波同時從膨處開始分別沿順時針（）方向和逆時針方向（）相向傳播。設(shè)光波在靜止環(huán)路中傳播一周所需時間為，則，為環(huán)路中的光速。根據(jù)慣性運(yùn)動原理，與環(huán)路旋轉(zhuǎn)同向的順時針方向（）波列在時間內(nèi)超前達(dá)到，其光

30、程為鉀（）與環(huán)路旋轉(zhuǎn)反向的逆時針方向（）波列在時間內(nèi)遲后達(dá)到，其光程為【石（）則順、逆兩列波在環(huán)路中傳播一周產(chǎn)生的光程差為。垃（面一羆）竿，一尬。由于光纖環(huán)路面積為，則世：蘭蘭（）式（）說明，沿順時針方向（）和逆時針方向（）傳播的兩柬光光程差與閉合回路的旋轉(zhuǎn)角速度及回路面積成正比，與真空中的光速成反比如果采用單模光纖構(gòu)成長度為上的環(huán)形光路，則光波渡越光纖環(huán)路產(chǎn)生的相位移為：（）式中，一一光波頻率刀一一光纖纖芯折射率一一真空中光速對（）式中工進(jìn)行微分，并將（）式代入，可以得到與光程差業(yè)相應(yīng)的相位差疊：墮墮（）厶，外界信號可通過旋轉(zhuǎn)光纖環(huán)對光纖中的光束進(jìn)行相位調(diào)制，產(chǎn)生相應(yīng)的和兩列光波的相位差光纖

31、相位調(diào)制相位調(diào)制光纖傳感器的基本傳感原理呻是：通過被測能量場的作用，使光纖內(nèi)傳播的光波相位發(fā)生變化，再用干涉測量技術(shù)把相位變化轉(zhuǎn)換為光強(qiáng)變化，從而檢測出待測的物理量。從式（）的分析可知，光纖中的光相位由光纖波導(dǎo)的物理長波】、折射率及其分布、橫向幾何尺寸所決定。一般而言，應(yīng)力、應(yīng)變、溫度等外界物理量能直接改變上述三個波導(dǎo)參數(shù)，產(chǎn)生相位變化，實(shí)現(xiàn)光纖的相位調(diào)制。下面具體討論引起敏感光纖中光相位調(diào)制的兩種物理效應(yīng)應(yīng)力應(yīng)變對光纖相位的影響當(dāng)光纖受到軸向的機(jī)械應(yīng)力作用時，光纖的長度、芯徑纖芯折射率都將發(fā)生變化，這些變化導(dǎo)致光波的相位變化。上文已經(jīng)提到，光波在外界因素作用下。相位的變化可以寫成（）式所表達(dá)

32、的形式妒螂）叫（孚愕）（警）血由此可看出，（）式中，第一項(xiàng)表示由光纖長度變化引起的相位延遲（應(yīng)變效應(yīng)）；第二項(xiàng)表示感應(yīng)折射率變化引起的相位延遲（光隙效應(yīng)）；第三項(xiàng)表示光柵的半徑改變引起的相位延遲（泊松效應(yīng)）根據(jù)彈性力學(xué)原理，對各向同性材料，其折射率的變化與對應(yīng)的應(yīng)變毛有如下關(guān)系（）式中，幾，兒是光纖的光彈系數(shù)，其中凡（。一：）；毛和毛是光纖的橫向應(yīng)變；島為光纖的縱向應(yīng)變。因?yàn)椋用δ模?，所以印一圭司鹋（垃）假設(shè)光纖芯為各向同性材料，有毛毛，且一碼瑪，則有，一互萬（。：）毛，。：毛，：一互捍（。：）毛：毛，一【崩：毛，毛】（）（）（）（）設(shè)盧，歸鈿州凡，毛，則（）式可改寫為妒毛三聘（）氣島扇丌

33、爿艮庇肌凡用幾蛆迥迥蛆皚餞只有縱向應(yīng)變時，毛島，由于光纖中光的傳播是沿橫向偏振的，僅考慮折射率的徑向變化，將式（）代入式（）得到妒（）島（）徑向應(yīng)變引起的相位變化此時毛，對于軸向?qū)ΨQ的徑向應(yīng)變毛毛絲，考慮泊松效應(yīng)時，由（）得妒馴意（警）（，卜枷，式中，蔓傳播常數(shù)的應(yīng)變因子。不考慮泊松效應(yīng)時有吉（）（）光彈效應(yīng)引起的相位變化此時縱、橫向效應(yīng)同時存在，將式（）代入式（一）得相位變化為萬三島一玎（，。：）毛一廳：島（）一般形式的相位變化當(dāng)縱向應(yīng)變?yōu)樯扉L時，橫向應(yīng)變?yōu)榭s短；縱向應(yīng)變?yōu)榭s短時，橫向應(yīng)變?yōu)樯扉L。兩者符合相反，符合虎克定律。，悼，（）毛式中，是泊松比，為常數(shù)；且毛毛則式（）寫為艫慨工

34、8;以一）卜伽警毛浯。，溫度應(yīng)變對光纖相位的影響溫度應(yīng)變效應(yīng)與應(yīng)力應(yīng)變效應(yīng)相似【。將光纖放置在變化的溫度場中，且把溫度場變化等效為作用力，則，將同時對光纖纖芯折射率和光纖長度工的變化產(chǎn)生影響。由引起的光相位變化為害（嘉舭（蕓）（騫呈箬）（）式中第一項(xiàng)表示由折射率變化引起的光相位變化；第一項(xiàng)表示由光纖長度變化引起的光相位變化。式中忽略了光纖直徑變化引起的光相位變化。用溫度變化和相位變化表示（）式得盟工（魯）一（等（）由于光纖中的光是橫向偏振光，所以當(dāng)僅考慮徑向折射率變化時，其相位隨溫度的變化為笪：三立。一墮弘月（）吉嘉吉卜（）¨凡毛式中，和毛與應(yīng)力應(yīng)變的物理意義相同，且應(yīng)變毛、毛與光纖

35、材料性質(zhì)有關(guān)干涉式分布光纖傳感技術(shù)因?yàn)槟壳暗墓馓綔y器只能探測到光的強(qiáng)度信號，而不能直接探測光的相位信號，所以要采取一定的方式將光相位信號轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的光強(qiáng)信號，這種轉(zhuǎn)換方式就是干涉法，按照干涉法構(gòu)成的光學(xué)系統(tǒng)統(tǒng)稱為干涉儀【”】。由于干涉條紋記錄了光的相位，當(dāng)相位變化時干涉條紋隨之變化，因此根據(jù)探測系統(tǒng)探測的干涉條紋變化情況可以解調(diào)出光相位的變化。例如，有振幅為和的兩束相干光，若其中一束光的相位由于某種因素的影響受到調(diào)制，則這兩束光產(chǎn)生干涉。干涉場中各點(diǎn)的光強(qiáng)可表示為（妒）（）式中，一是相位調(diào)制引起的兩相干光之間的相位差。通過探測干涉光強(qiáng)度的變化，就可以確定兩光束間的相位的變化，進(jìn)而得到待測物理量

36、的大小。下面我們具體介紹幾種光纖相位干涉儀。邁克爾遜（）光纖干涉儀圖邁克爾遜干涉儀工作原理圖怔細(xì)日如圖所示為邁克爾遜干涉儀的工作原理圖。當(dāng)和鴆到的光程差小于激光器的相干長度時，入射到光探測器上的兩相干光束便產(chǎn)生干涉干涉光強(qiáng)由式（）確定。兩相干光的相位差為世，（）式中，毛是光在空氣中的傳播常數(shù)；越是兩相干光的光程差。由式（）和（）可知，每移動，長度，光探測器的輸出就變化一個周期基于干涉儀的分布式光纖傳感結(jié)構(gòu)如圖圖基于邁克爾遜干涉儀的分布式光纖傳感器圖所示系統(tǒng)，由光源、耦合器、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡、檢光器以及傳感光纖和傳輸光纖組成。傳感光纖中傳輸?shù)墓庠谀骋煌饨缥锢韴龅淖饔孟孪辔槐徽{(diào)制，導(dǎo)致兩路光的相位不同

37、，通過解調(diào)干涉光的相位變化可以獲得物理場的信息。這種基于涉儀的分布式光纖傳感器中要求傳感臂和參考臂等長，且光源有較高的同調(diào)長度，這是發(fā)生干涉的條件。但要使傳感臂和參考臂的光纖完全等長是很難實(shí)現(xiàn)的，因此存在著由于兩臂不完全等長而引起的噪音。其優(yōu)點(diǎn)在于兩個法拉第旋轉(zhuǎn)鏡的應(yīng)用，可使兩路光的偏振態(tài)保持一致，因此不會出現(xiàn)偏振引起的信號衰減現(xiàn)象。馬赫一曾德（）光纖干涉儀馬赫一曾德爾光纖干涉儀是一種大型的光學(xué)儀器，適用于研究氣體密度迅速變化的狀態(tài)嗍其結(jié)構(gòu)如圖光源圖馬赫一曾德干涉儀工作原理圖作為一個工程實(shí)用的傳感器，最好采用全光纖干涉儀。圖就是基于干涉儀的分布式全光纖傳感結(jié)構(gòu)。（）耦合器耦合器圖基于馬赫一曾德

38、干涉儀的分布式光纖傳感器副珂噶盯吐電刊圖所示的系統(tǒng)，由光源、個耦合器、檢光器以及傳感光纖和傳輸光纖組成。其工作原理是，光源發(fā)出的光經(jīng)耦合器被分為兩束，分別經(jīng)傳感光纖和參考光纖傳輸并在第二個耦合器處會合且發(fā)生干涉。其中參考臂與外界物理場隔離，以保證參考臂中傳輸?shù)墓獠皇芡饨缬绊?，傳感臂中傳輸?shù)墓庠谕饨缥锢韴鲎饔孟孪辔槐徽{(diào)制，導(dǎo)致兩路光產(chǎn)生相位差，通過解調(diào)干涉信號中的相位可獲得物理場的信息基于干涉儀的分布式全光纖傳感器與基于干涉儀的分布式光纖傳感器同樣要求傳感臂與參考臂等長，光源有高的同調(diào)長度，且參考臂與外界物理場隔離其優(yōu)點(diǎn)則在于體積小，機(jī)械性能穩(wěn)定法布里一珀羅（）光纖干涉儀年，由法國物理學(xué)家法布里

39、與珀羅首先發(fā)明的多光束干涉儀”】，作為科學(xué)研究的精密光學(xué)儀器，已日益得到了越來越廣泛的應(yīng)用帥】乏刻傳感器光源一：光探測苴盎定反射鏡可移動反射鏡圖法布里一珀羅干涉儀工作原理圖衲苜與邁克爾遜（）干涉儀、馬赫一曾德（）干涉儀等單光束、雙光束干涉儀不同，法布里一珀羅（）干涉儀是一種多光束干涉器件，它通常由兩塊平行放置的平板玻璃（平面鏡）、激光器、光檢測器和換能器等部分組成，在相對的兩個平板玻璃上鍍有薄銀膜或其它具有高反射系數(shù)（）的薄膜，兩鍍銀平板作為諧振腔其間隔可以改變。激光器輸出的光束入射到干涉儀，在兩個平行相對的反射鏡表面做多次往返，透射出去的平行光束由光探測器接受。根據(jù)多光束干涉原理，探測器上探

40、測到的干涉光強(qiáng)的變化為仁厶靜掰圳協(xié)”式中一一反射鏡的反射率；一一一相鄰光束間的相位差由式（）可知，當(dāng)反射鏡的反射率值一定時，透射的干涉光強(qiáng)隨毋變化當(dāng)（為整數(shù)）時，干涉光強(qiáng)有最大值；當(dāng)（廳弦（為整數(shù)）時，干涉光強(qiáng)有最小值（告景）厶；這樣，透射的干涉光強(qiáng)的最大值與最小值之比為；塑一月可見，反射率越大，干涉光前變化越顯著，即有高的分辨率，這是法布里珀羅干涉儀最突出的特點(diǎn)。通常，可以通過提高反射鏡的反射率來提高干涉儀的分辨率，從而使干涉儀測量有極高的靈敏度】。部分透射反射鏡部分透射反射鏡圖基于法布里一珀羅干涉儀的分布式光纖傳感器目蛐日圖所示為法布里珀羅光纖干涉儀。它與一般法布里珀羅干涉儀的區(qū)別在于以光

41、纖光程代替了空氣光程，以光纖特性變化來調(diào)制相位代替了以傳感器控制反射鏡移動來實(shí)現(xiàn)調(diào)相。薩格納克（）光纖干涉儀效應(yīng)是法國物理學(xué)家。在年首次發(fā)現(xiàn)并得到證實(shí)。輸入圖干涉儀原理圖而它由一個分光器和三個反射鏡構(gòu)成閉合回路，輸入光經(jīng)分光器分成兩柬方向相反的光，這兩束光最后又回到分光器，且在這里發(fā)生干涉，干涉光從探測器輸出當(dāng)整個裝置轉(zhuǎn)動時，兩束光產(chǎn)生一定的光程差，光程差的大小正比于轉(zhuǎn)動角速度，即光程差與其旋轉(zhuǎn)速度的解析關(guān)系。即外界信號可通過旋轉(zhuǎn)光纖環(huán)對光纖中的光束進(jìn)行相位調(diào)制。當(dāng)把這種干涉儀裝在一個繞垂直于光束平面軸旋轉(zhuǎn)的平臺上且平臺以角速度轉(zhuǎn)動時，根據(jù)效應(yīng)，兩束傳播方向相反的光束到達(dá)光探測器的延遲不同其延

42、遲已由（）式給出礦：罌墮從式中我們可以看出，通過探測器檢測干涉光強(qiáng)的變化，便可確定旋轉(zhuǎn)角速度。由此可見，光纖干涉儀是構(gòu)成光纖陀螺儀的基礎(chǔ)圖干涉儀型光纖傳感器￥基于效應(yīng)的分布式光纖傳感器如圖所示，利用經(jīng)過同一路徑的兩路相反方向的光，在某一外界物理場的作用下，使兩路光相位改變而產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。由于兩路相反方向的光通過物理場位置的時間不同，使光波間的相位變化也不同，因此干涉信號包含了不同的感應(yīng)相位，解調(diào)干涉信號后即可得到時變物理場?；谛?yīng)的分布式光纖傳感器主要優(yōu)點(diǎn)在于，零光程差的特點(diǎn)，使之對光源同調(diào)長度要求低，易于發(fā)生干涉。本文中主要采用基于效應(yīng)的分布式光纖聲學(xué)傳感器進(jìn)行管道泄漏檢測研究，下面主要介

43、紹其檢測原理?；诟缮鎯x原理的分布式光纖聲學(xué)傳感器檢測原理基于效應(yīng)的分布光纖聲學(xué)傳感器系統(tǒng)基于干涉儀原理的管道泄漏檢測技術(shù)，較馬赫曾德干涉儀傳感器的優(yōu)點(diǎn)是，干涉儀為零光程差，因此不存在兩傳感臂長度不一致引起的噪音。且對光源要求低，可使用高功率的寬帶光源，更適合長距離管道檢測。圖所示的干涉儀應(yīng)用于管道泄漏檢測系統(tǒng)，由光源、光纖環(huán)、光電轉(zhuǎn)換器、耦合器、鎖相放大器、信號處理和相位調(diào)制器幾部分組成。光源發(fā)出的光經(jīng)×耦合器分光后，分別沿干涉儀光纖環(huán)的順時針和逆時針方向傳播，并先后經(jīng)過圖所示的泄漏點(diǎn)橙群瘁世繁袒漏位直磁擎島蘭蘭芻、愛霉：口圖干涉型管道泄漏檢測系統(tǒng)目日管道中流體泄漏后產(chǎn)生的沖擊力作用到光纖上，使光纖沿長度發(fā)生變化，導(dǎo)致光纖中傳播的導(dǎo)光相位被調(diào)制，經(jīng)調(diào)制后的兩路光在光電轉(zhuǎn)換器處發(fā)生干涉。由于順逆兩束光經(jīng)過泄漏點(diǎn)的時間不同，兩路光被調(diào)制后產(chǎn)生相位差，根據(jù)效應(yīng)，兩束光在光電轉(zhuǎn)換器處的干涉信號為：，彳占口（）：國（）式中一和占正比于輸入功率；（一一管道中流體泄漏引起的兩道光在干涉儀中的相位差；中：