光纖光柵技術在油庫安全監測中的應用

【摘 要】光纖光柵傳感技術是伴隨著光纖通信技術發展而另辟新徑的一種嶄新的傳感技術。本文著重介紹了光纖光柵傳感技術的基本原理，光纖光柵傳感器在油庫安全監測中的系統構成并對其應用和發展趨勢進行了探討，光纖光柵傳感器作為安全監測的智能器件具有很好的發展前景，正在成為傳感領域中的又一大熱點。

【關鍵詞】光纖光柵；安全監測；應用

光纖傳感無電安全監測技術是本世紀興起的前沿應用學科，既用光纖感測信號又用光纖傳輸信號，是目前傳感技術最杰出的代表。是自動檢測的革命性技術。光纖光柵傳感器是一種新型全光纖無源器件，與普通傳感器相比，具有不可比擬的優勢和特點。它本質防爆、無電傳感、化學性能穩定、傳輸距離遠、可用于對外界參量的絕對測量，這種特性在傳感器領域中引起了革命。其產業已被國內外公認是最具有發展前途的高新技術產業之一，它以技術含量高、經濟效益好、滲透能力強、市場前景廣等特點為世人所矚目。光纖傳感由于其固有的優勢必會在不久的將來取代傳統的傳感技術。

一、光纖光柵傳感器的基本結構：

Bragg 光纖光柵是指利用單模摻鍺光纖經紫外光照射成柵技術形成的全光纖型Bragg光柵。其基本結構為沿纖芯折射率周期性的調制（如圖1所示），所謂調制就是本來沿光纖軸線均勻分布的折射率產生大小起伏的變化。

圖1 光柵結構示意圖

光纖的材料為石英，由芯層和包層組成。通過對芯層摻雜，使芯層折射率n1比包層折射率n2大，形成波導，光就可以在芯層中傳播。當芯層折射率受到周期性調制后，即成為光柵。光柵會對入射的寬帶光進行選擇性反射，反射一個中心波長與芯層折射率調制相位相匹配的窄帶光，此中心波長為布喇格波長。

二、光纖光柵傳感基本原理

光柵Bragg 條件： λB= 2nΛ

式中：λB ---Bragg 波長；

n ---光柵的有效折射率，即折射率調制幅度大小的平均效應；

Λ---光柵周期，即折射率調制的空間周期。

當光波傳輸通過FBG時，滿足Bragg 條件的光波將被反射回來，這樣入射光就分成透射光和反射光。FBG的反射波長或透射波長取決于反向耦合模的有效折射率n 和光柵周期Λ，任何使這兩個參量發生改變的物理過程都將引起光柵Bragg波長的漂移，測量此漂移量就可直接或間接地感知外界物理量的變化（如圖2所示）：

圖2 光纖光柵傳感系統基本原理圖（測溫為例）

三、油庫安全監測中光纖光柵傳感系統構成：

光纖光柵傳感系統主要由寬帶光源、光纖光柵傳感器、信號解調等組成實際工程應用中一根光纖上可以串接多個光纖光柵傳感器（各具有不同的光柵常數），寬帶光源為系統提供光能量， 光纖光柵傳感器利用光源的光波感應外界被測量的信息， 外界被測量的信息通過信號解調系統實時地反映出來。寬帶光源所發射的寬帶光經Y型分路器通過所有的光柵，每個光柵反射不同中心波長的光，反射光經Y型分路器的另一端口耦合進光纖光柵信號解調器，光纖光柵信號解調器解調反射光的波長及變化，再經過處理，就得到對應各個光柵處環境的實際溫度或者應力了。

（一）光源：光源性能的好壞直接決定著整個系統性能的好壞。在光纖光柵傳感中要求光源必須有較寬的帶寬和較強的輸出功率與穩定性， 以滿足傳感系統中多點多參量測量的需要。目前在光纖光柵傳感系統中常用的光源主要有SLED， ASE光源。輸出功率大約為1-30mw。

（二）光纖光柵傳感器：光纖光柵傳感器可以實現對溫度、應變等物理量的直接測量。由于光纖光柵波長對溫度與應變同時敏感， 即溫度與應變同時引起光纖光柵波長移動， 使得通過測量光纖光柵波長移動無法對溫度與應變加以區分。因此， 解決交叉敏感問題， 實現溫度和應力的區分測量是傳感器實用化的前提。目前在光纖光柵傳感系統中常用技術的基本原理都是利用兩根或者兩段具有不同溫度和應變響應靈敏度的光纖光柵構成雙光柵溫度與應變傳感器來確定不同光纖光柵的溫度與應變響應靈敏度系數確定溫度與應變。

（三）信號解調：在光纖光柵傳感系統中（如圖3所示）， 光纖光柵信號的解調是該系統的關鍵，主要包括二部分：一部分為光信號處理， 完成光信號波長信息到電信號的轉換，其中傳感器的中心反射波長的分析是解調的關鍵； 另一部分為電信號處理， 完成對電信號的運算處理， 提取外界信息，并以人們熟悉的方式顯示出來。

由此可知，光纖光柵安全監測系統采用的是數字式測量技術，與傳統測量技術相比，具有更高的穩定性和安全性。

圖3 光纖光柵系統結構示意圖

除此之外光纖光柵傳感系統還包括如下幾個方面：

a光纖光柵網絡系統：

該系統的功能是通過光纜將多個探頭串接起來，并構成傳感器矩陣，形成傳感器網絡。

b光纖通訊傳輸網絡：

不同位置的監測點可以使用光纜直接將傳輸信號引入中心監控室的信息處理及分析系統上。

c信息處理及分析系統：

該系統由光纖光柵傳感探測信號處理器以及計算機軟件構成，信號處理器系統功能包括系統的信息收集、處理和傳送，計算機軟件系統包括信息處理、分析、傳送、儲存管理、預警、報警功能。

四、光纖光柵傳感系統特點

1、實現無電測量，本質安全防爆；2、多種方式監測，可進行線形分布式監測，也可實現逐點定位精確檢測；3、全天候實時監測，遠距離、大范圍、實現無人值守，具有長期的穩定性；4、抗電磁干擾、抗腐蝕、耐高溫、體積小、重量輕、靈活方便等，并且特別適于惡劣和高危環境中的應用；5、強大的數據管理功能，實時記錄測量數據和操作日志，并方便查詢；6、安裝快捷、簡單，不影響正常的安全生產；7、兼容性好，可與其他系統實現互聯互通；

五、光纖光柵監測設備簡介

光纖光柵監測部分的核心設備為光纖光柵信號處理器（如圖4所示），該設備具有如下特點：精度高，靈敏度好，可靠性高，測量點多，測量范圍大，傳感探頭結構簡單、尺寸小，抗電磁干擾，抗腐蝕，適于各種比較惡劣的化學環境下工作，尤其適用油庫這種既特殊又重要的的場所。

圖4 光纖光柵信號處理器

六、光纖光柵技術在油庫安全監測中的應用

目前該技術已經相對成熟， 已成功在油庫安全監測中得到了成功應用，應用的范圍主要包括：儲罐火災報警、油庫電纜夾層火災報警、油庫周界安全監測等 。

當光纖光柵技術運用到油庫儲油罐火災報警時，將探測器安裝在儲油罐的罐頂、內浮頂浮盤上以及外浮頂儲罐的浮盤上，探測器在安裝之前先熔接成串，施工時將成串的探測器固定安裝在儲罐上。探測器為無電測量本質安全的探測器件，采集儲罐危險區域的溫度信號，然后通過光纜傳輸至控制室的系統信號處理處。系統拓撲圖（如圖5所示）

圖5 系統拓撲圖

七、結論

光纖光柵傳感器以其無可替代的無電測量的技術優勢，抗干擾能力強，特別適合在油庫這種非常危險的需要防爆的環境中應用。目前國內對于光纖光柵傳感的研究開發已經取得了一定的成績，在油庫安全監測中規模化的應用正在形成趨勢，加快這個進程對提高油庫的本質安全水平具有非常重要的意義。