光纖傳感技術及其在管道監測中的應用

冷建成，周國強，吳澤民，石 永

（東北石油大學 機械科學與工程學院，大慶 163318）

管道運輸具有運量大、連續、迅速、經濟、安全、可靠、平穩以及投資少、占地少、費用低等優點而成為石油和天然氣最主要的長距離輸送方式，在國民經濟和社會發展中起著十分重要的作用。油氣管道輸送的基本要求是安全、高效。隨著管道工業的不斷發展和其重要性的突出，全社會對管道安全監測技術的要求也不斷地提高。2000年4月，國家經貿委頒發了［2000］17號令《石油天然氣管道安全監督與管理暫行規定》，將石油管道的定期檢測分為在線檢測和全面檢測兩種，并對兩種檢測周期作了規定。2009年2月，中國石油管道公司完成了《管道完整性管理規范》，強調“主動維護，事前預控”，要求“對可能使管道失效的主要威脅因素進行檢測、檢驗，據此對管道的適應性進行評估”。

檢測管道結構損傷通常采用無損檢測（NDT）技術，如漏磁檢測、磁記憶檢測、超聲波檢測、渦流檢測、射線檢測、應力波檢測、彈性波檢測和聲發射檢測等，這些方法對檢測管道的結構缺陷或損傷有很好的效果，為保證其質量和安全運行起到極其重要的作用。但這些技術手段大多為離線檢測，不能及時有效發現突發性故障；另外，管道缺陷檢測固然重要，但事先預警更為重要，即在侵害發生前或發生中就進行報警來防止管道損害的發生，從而真正確保管道的安全持久正常運行。于是，管道結構健康監測與損傷診斷技術應運而生。

光纖傳感技術是近年來發展起來的尖端監測技術，具有（準）分布式、長距離、實時性、耐腐蝕、抗電磁、輕便靈巧等優點，因而已引起管道結構監測界的廣泛重視，成為管道監測領域中的研究熱點。

1 光纖傳感技術

光纖是利用光在玻璃或塑料制成的纖維中的全反射原理而達成的一種傳輸介質。光纖傳感技術是20世紀70年代伴隨光纖通信技術的發展而迅速發展起來的，以光波為載體，光纖為媒質，感知和傳輸外界被測信號的新型傳感技術，其基本原理為：將來自光源的光經過光纖送入調制器，使待測參數與進入調制區的光相互作用后，導致光的光學性質，如強度、波長、頻率、相位、偏振態等發生變化，再經過光纖送入探測器，經解調后獲得被測參數。

光纖傳感器根據測量方式劃分，可概括為點式、準分布式和分布式傳感器三種類型。

1.1 點式光纖傳感器

顧名思義，點式光纖傳感器就是對固定一點進行監控。SOFO（源于法語Surveillance d'Ouvrages par Fibres Optiques的首字母，意為光纖結構監測）是由瑞士聯邦工業學院土木工程系IMAC應力分析實驗室開發的一種點式光纖傳感器。完整的SOFO監測系統包括光纖傳感器、讀數裝置、數據分析軟件以及附屬設備（轉換箱、連接盒、光纜和連接器等），如圖1所示；其傳感器為長標距（Long－gauge）光纖變形傳感器，典型傳感器長度范圍為250mm～10m。

圖1 SOFO光纖監測系統［1］

SOFO測量系統基于低相干干涉原理［2－3］：傳感器實際上是一個由測量光纖和參考光纖組成的全光纖邁爾遜干涉儀。激光光束被耦合器分為兩束強度相同的光，分別進入測量光纖和參考光纖。測量光纖可以隨結構變形而改變光程的長度；參考光纖用于補償由溫度變化而引起的光纖折射率的變化。讀數儀內置由固定臂和掃描臂組成的參考干涉儀，重新耦合后的光束進入參考干涉儀，當參考干涉儀兩臂之間的光程差與測量干涉儀產生的光程差相當，即可得到測量光纖的變形量。

1.2 準分布式光纖傳感器

準分布式光纖傳感器是由多個布置在空間預知位置上的分立的光纖傳感器采用串聯或其它網絡結構形式連接起來，利用時分復用、頻分復用、波分復用等技術共用一個或多個信息傳輸通道所構成的分布式的網絡系統。光纖光柵是利用光纖材料的光敏性，在纖芯內形成空間相位光柵制成的。光纖布喇格光柵（Fiber Bragg Grating，簡稱FBG）傳感器是利用光敏光纖在紫外光照射下產生的光致折射率變化效應，使纖芯的折射率沿軸向呈現出周期性分布而得到的一種波長調制型光纖傳感器。

光纖光柵傳感系統主要由寬帶光源、光纖光柵傳感器、信號解調等組成，FBG監測系統見圖2。

圖2 FBG傳感系統組成

FBG類似于波長選擇反射器，滿足布喇格衍射條件的入射光（波長為λB）在FBG處被反射，其它波長的光會全部穿過而不受影響，反射光譜在FBG中心波長λB處出現峰值，根據模耦合理論［4］得：

式中λB為布喇格波長；neff為光纖傳播模式的有效折射率；Λ為光柵周期。

當光柵區域的應變發生變化時，反射波長λB將發生漂移，在光纖的彈性范圍內，中心波長漂移量ΔλB與應變變化呈線性相關，同時溫度的變化對其也有一定影響，二者共同引起的ΔλB［5］為：

式中P11，P12為單模光纖的彈光系數；v為光纖材料的泊松比；Δε為光纖軸向應變；α，ξ分別為FBG的熱膨脹系數和熱光系數；ΔT為溫度變化量。

可見，當光纖光柵所處環境的溫度、應力、應變或其它物理量發生變化時，光柵的周期或纖芯折射率將發生變化，從而使反射光的波長發生變化，通過測量物理量變化前后反射光波長的變化，就可以獲得待測物理量的變化。FBG傳感器走向工程實用化的關鍵問題有兩個：一是光纖光柵傳感器的增敏與封裝，二是波長編碼的解調技術。

1.3 分布式光纖傳感器

相對點式光纖傳感器，分布式光纖傳感器能對較長工作距離的目標參量變化進行實時監測。分布式光纖傳感系統原理是同時利用光纖作為傳感敏感元件和傳輸信號介質，采用先進的光時域反射（Optical Time Domain Reflectormeter，簡稱OTDR）技術，探測出沿著光纖不同位置的應變和溫度的變化，實現真正分布式的測量。就傳感技術來看，主要有三種實現方式：基于瑞利（Rayleigh）散射、基于拉曼（Raman）散射和基于布里淵（Brillouin）散射。其中基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術在溫度、應變上所達到的測量精度、測量范圍以及空間分辨率等均高于其它傳感技術，得到廣泛的關注與研究。

布里淵散射是光波與聲波在光纖中傳播時產生非彈性碰撞而出現的光散射過程。在不同條件下，布里淵散射又分為自發散射和受激散射兩種，所以基于布里淵散射的分布式光纖傳感器也分為基于自發布里淵散射的布里淵光時域反射計（Brillouin Optical Time－Domain Reflectometer，簡 稱 BOTDR）和基于受激布里淵散射的布里淵光時域分析（Brillouin Optical Time－Domain Analysis，簡 稱BOTDA）兩種。

1.3.1 BOTDR分布式光纖傳感器

布里淵散射的強度極其微弱，相對于瑞利散射來說要低大約兩三個數量級，而且相對于散射光來說布里淵頻移很小，檢測起來較為困難，通常采用的檢測方法有直接檢測和相干檢測兩種。基于BOTDR的分布式光纖傳感器典型結構如圖3所示。

圖3 基于BOTDR的分布式光纖傳感系統組成

基于BOTDR的分布式光纖傳感技術與在光纖測量中廣泛應用的OTDR技術相似。光脈沖注入光纖系統的一端，光纖中的散射光作為時間的函數，同時帶有光纖沿線溫度、應變分布的信息，測量布里淵散射頻移量即可得到光纖中的溫度、軸向應變分布。光纖的軸向應變、溫度與布里淵散射光頻移的關系可分別表示為［6］：

式中ε為光纖的應變；T為溫度；Cε為布里淵頻移－應變系數；CT為布里淵頻移－溫度系數；vB為光纖的布里淵頻移；vB0，ε0，T0分別為光纖初始狀態的布里淵頻移量、應變和溫度。

1.3.2 BOTDA分布式光纖傳感器

基于BOTDA的分布式光纖傳感器利用直流探測光和脈沖泵浦光之間的受激布里淵散射，通過受激布里淵效應對探測光的放大［7］，實現接收信號強度大、測量精度高和動態范圍寬等特性，典型結構如圖4所示。

圖4 基于BOTDA的分布式光纖傳感系統組成

當光纖某個區段的溫度或應變發生變化時，該部位的布里淵頻移便隨之發生變化，從而引起該區段的BOTAD信號變化。通過調諧使入射泵浦光和探測光之間的頻差等于新的布里淵頻移，便能接收到該點的布里淵散射信號。由于布里淵頻移與溫度、應變存在線性關系，因此，對兩激光器的頻率進行連續調節的同時，通過檢測從光纖一段耦合出來的探測光的功率，就可以確定光纖各小段區域上能量轉移達到最大時所對應的頻率差，從而得到光纖沿任一點的溫度、應變分布。

同BOTDR技術相比，基于受激布里淵散射的BOTDA傳感系統可以獲得相對較強的散射信號，空間分辨率也從1m提高到了10cm，從而使應變、溫度等信息的空間定位更加準確。但BOTDA技術采用雙端檢測，需要從光纖兩端分別注入泵浦光和探測光，傳感光纖必須構成測量回路，給工程實際應用帶來一定的困難。

2 性能與特點比較

光纖傳感技術涵蓋點式、準分布式、分布式三類拓撲結構，每種傳感器都具有各自不同的特性和適用范圍，參見表1所示，因而在構建管道在線監測系統時可以相互配合、各取所長。

表1 光纖傳感器性能指標

可見，SOFO分辨率高，但受信號傳輸和解調技術的限制，布點數量有限，比較適用于結構重點部位的監測。分布式的BOTDR和BOTDA可對結構進行大范圍監測，但分辨率低，測得的應變是傳感段所經過區域應變量或溫度的平均值。而FBG不僅分辨率高，所測的應變位置明確易定，且能使用波分復用技術在一根光纖中串接多個傳感器，實現真正意義上的多點線式分布測量。因此，FBG在很大程度上彌補了以上幾種傳感器的不足，更適合于大型結構的多點監測。

3 光纖傳感技術在管道監測中的應用

管道光纖健康監測系統主要由以下三部分構成：光纖傳感器系統、信號傳輸與采集系統、數據處理與監測系統［8］，如圖5所示。其中光纖傳感器系統包括光纖傳感器的選型、拓撲類型、安裝方式等；信號傳輸與采集系統包括光纖傳感器的校正、采樣及實時數據的存儲等；數據處理與監測系統包括采集數據的有效性分析、結構健康性能指標的參數選擇、結構運行狀態的可視化系統及相應的災害提前預警功能等。

圖5 管道光纖實時監測系統

3.1 管道應變／變形監測

油氣管道傳輸距離長，冷熱變形量大，在長期服役過程中容易受到地質災害，如地基沉降［9］、沿線滑坡［10］、凍脹融沉［11］等不利因素而引起變形，因此需要對管道進行實時變形監測。

利用FBG準分布式光纖傳感技術可以用同一根光纖復用多個FBG傳感器，從而實現對待測管道關鍵部位，如焊接點、拐彎閥門等定點應力的精確測量。美國Micron Optics公司生產的sm125靜態光纖光柵解調儀可允許在一根光纖上同時連接大于40個FBG傳感器，同時也可隨時擴展到16個光學通道，掃描頻率為1Hz，其應變和溫度分辨率可分別達到1με和0.1℃，非常適合管道局部關鍵區域的長期監測使用。英國Smart Fibres公司的W4－5型光纖光柵傳感網絡分析儀具有4通道，每通道傳感器最大數為40個，專為監測變化很慢的應力、溫度和壓力而設計。

如果僅需了解管道結構的整體應力變化趨勢或對監測精度要求不是很高時，也可采用布里淵散射分布式光纖傳感技術。日本ANDO公司研制開發的光纖應變／損耗分析儀AQ8603應用BOTDR技術可以檢測最長80km光纖沿線的應變，空間分辨率為1m，應變測量精度可達到±0.003%，基本上能夠滿足管道工程變形監測的要求。日本Neubrex公司在BOTDA技術的基礎上開發了新一代應變測量技術——脈沖預泵浦BOTDA，簡稱PPP－BOTDA，實現了10cm的空間分辨率和±7.5με的應變測量精度；瑞士Omnisens公司的DiTeSt分布式光纖溫度應變監測系統在10km測量范圍內空間分辨率為1m、應變測量精度為±30με；加拿大OZ公司最新的ForesightTM系列傳感器系統采用專利光纜設計，在50km測量范圍內空間分辨率為10cm、應變和溫度測量精度分別達到±2με和±0.1℃。這些系統均可實現應變和溫度的同時測量，從而對管道的變形狀況進行實時連續監測。

3.2 管道泄露監測

管道由于人為穿孔或破壞引起的泄漏，不僅造成自然資源的浪費、環境污染，而且容易發生火災、爆炸等災難性事故，危害工農業生產和人民生活。因此，及時、準確地發現泄漏及其位置具有重大意義。

溫度、壓力和流量是對流體管道進行漏泄檢測、泄漏定位和生產控制所需要的基本數據。對于輸油／氣管道或熱力管道，當高溫、高壓的液體泄漏時會導致周圍的溫度升高，而氣體泄漏時周圍溫度將降低，根據這一性質可將光纖光柵準分布式傳感系統和分布式光纖溫度傳感器系統應用到管道泄漏檢測中。結合熱力管道泄漏處的溫度場變化規律，利用FBG溫度傳感器的溫度特性可以對熱力管道關鍵點溫度進行連續監測，從而及時發現泄漏［12］。相對于數百、上千公里的輸油／氣管道或熱力管道，如果安裝成千上萬個FBG傳感器經濟上會極其昂貴，所以工程上多采用分布式光纖傳感技術。英國Sensornet公司生產的Sentinel DTS分布式光纖溫度監測系統同時利用光纖感測信號和傳輸信號，采用先進的OTDR技術和拉曼散射光對溫度敏感的特性，在30km監測范圍內空間分辨率最小0.1m，其溫度分辨率可以達到0.01℃。

分布式光纖傳感器的主要技術方法除了上述的OTDR法，還有干涉法。干涉式光纖傳感技術利用光纖受到所監測物理場感應（如溫度、壓力或振動等），使導光相位產生延遲，經由相位的改變造成輸出光的強度改變，進而得知待測物理場的變化。相對于OTDR技術，它的動態范圍大、靈敏度高，可實現管道小泄漏檢測。澳大利亞FFT公司基于模態分布調制干涉技術研制了一種對壓力／聲波／振動敏感的分布式光纖管道安全防御系統，可以檢測管道泄漏、挖掘、機械施工等事件，在60km管段內進行泄漏檢測的定位精度為±50m。該系統已成功應用于美國New Yoke Gas Group和印度尼西亞Gulf Resources Ltd的長輸管道上，適合油氣管道泄漏檢測和定位的要求。

4 結論

光纖傳感技術利用光纖進行信號傳輸，具有傳輸損耗小、穩定性高、頻帶寬和可集成性好的特點，可實現遠距離傳輸和自動監測。FBG傳感器由于具有體積小、質量輕、壽命長、可實現絕對測量、對電磁干擾不敏感及可構成準分布式傳感網絡而受到廣泛重視。與FBG傳感技術相比，布里淵分布式光纖傳感技術突出的優點在于不需要對光纖進行加工，傳輸與傳感為一體，測試費用低，并可進行長距離分布式測量。在分布式光纖傳感技術中，拉曼分布式溫度傳感技術和BOTDA光纖傳感技術是最具前途、目前應用最為廣泛的實用系統。

目前，光纖傳感技術在橋梁、大壩、高層建筑等土木工程以及隧道、地鐵、邊坡等巖土工程都有廣泛應用；而在管道方面，雖然應用較少，但也取得了一定的進展。在對測點要求精度較高時，宜選用FBG傳感技術，其適合局部、高靈敏度監測；當僅需了解管道結構性能的整體變化趨勢時，宜選用BOTDA傳感技術，其適合長距離、低靈敏度靜態監測。

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