光纤传感技术及其在管道监测中的应用

冷建成，周国强，吴泽民，石 永

（东北石油大学 机械科学与工程学院，大庆 163318）

管道运输具有运量大、连续、迅速、经济、安全、可靠、平稳以及投资少、占地少、费用低等优点而成为石油和天然气最主要的长距离输送方式，在国民经济和社会发展中起着十分重要的作用。油气管道输送的基本要求是安全、高效。随着管道工业的不断发展和其重要性的突出，全社会对管道安全监测技术的要求也不断地提高。2000年4月，国家经贸委颁发了［2000］17号令《石油天然气管道安全监督与管理暂行规定》，将石油管道的定期检测分为在线检测和全面检测两种，并对两种检测周期作了规定。2009年2月，中国石油管道公司完成了《管道完整性管理规范》，强调“主动维护，事前预控”，要求“对可能使管道失效的主要威胁因素进行检测、检验，据此对管道的适应性进行评估”。

检测管道结构损伤通常采用无损检测（NDT）技术，如漏磁检测、磁记忆检测、超声波检测、涡流检测、射线检测、应力波检测、弹性波检测和声发射检测等，这些方法对检测管道的结构缺陷或损伤有很好的效果，为保证其质量和安全运行起到极其重要的作用。但这些技术手段大多为离线检测，不能及时有效发现突发性故障；另外，管道缺陷检测固然重要，但事先预警更为重要，即在侵害发生前或发生中就进行报警来防止管道损害的发生，从而真正确保管道的安全持久正常运行。于是，管道结构健康监测与损伤诊断技术应运而生。

光纤传感技术是近年来发展起来的尖端监测技术，具有（准）分布式、长距离、实时性、耐腐蚀、抗电磁、轻便灵巧等优点，因而已引起管道结构监测界的广泛重视，成为管道监测领域中的研究热点。

1 光纤传感技术

光纤是利用光在玻璃或塑料制成的纤维中的全反射原理而达成的一种传输介质。光纤传感技术是20世纪70年代伴随光纤通信技术的发展而迅速发展起来的，以光波为载体，光纤为媒质，感知和传输外界被测信号的新型传感技术，其基本原理为：将来自光源的光经过光纤送入调制器，使待测参数与进入调制区的光相互作用后，导致光的光学性质，如强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，再经过光纤送入探测器，经解调后获得被测参数。

光纤传感器根据测量方式划分，可概括为点式、准分布式和分布式传感器三种类型。

1.1 点式光纤传感器

顾名思义，点式光纤传感器就是对固定一点进行监控。SOFO（源于法语Surveillance d'Ouvrages par Fibres Optiques的首字母，意为光纤结构监测）是由瑞士联邦工业学院土木工程系IMAC应力分析实验室开发的一种点式光纤传感器。完整的SOFO监测系统包括光纤传感器、读数装置、数据分析软件以及附属设备（转换箱、连接盒、光缆和连接器等），如图1所示；其传感器为长标距（Long－gauge）光纤变形传感器，典型传感器长度范围为250mm～10m。

图1 SOFO光纤监测系统［1］

SOFO测量系统基于低相干干涉原理［2－3］：传感器实际上是一个由测量光纤和参考光纤组成的全光纤迈尔逊干涉仪。激光光束被耦合器分为两束强度相同的光，分别进入测量光纤和参考光纤。测量光纤可以随结构变形而改变光程的长度；参考光纤用于补偿由温度变化而引起的光纤折射率的变化。读数仪内置由固定臂和扫描臂组成的参考干涉仪，重新耦合后的光束进入参考干涉仪，当参考干涉仪两臂之间的光程差与测量干涉仪产生的光程差相当，即可得到测量光纤的变形量。

1.2 准分布式光纤传感器

准分布式光纤传感器是由多个布置在空间预知位置上的分立的光纤传感器采用串联或其它网络结构形式连接起来，利用时分复用、频分复用、波分复用等技术共用一个或多个信息传输通道所构成的分布式的网络系统。光纤光栅是利用光纤材料的光敏性，在纤芯内形成空间相位光栅制成的。光纤布喇格光栅（Fiber Bragg Grating，简称FBG）传感器是利用光敏光纤在紫外光照射下产生的光致折射率变化效应，使纤芯的折射率沿轴向呈现出周期性分布而得到的一种波长调制型光纤传感器。

光纤光栅传感系统主要由宽带光源、光纤光栅传感器、信号解调等组成，FBG监测系统见图2。

图2 FBG传感系统组成

FBG类似于波长选择反射器，满足布喇格衍射条件的入射光（波长为λB）在FBG处被反射，其它波长的光会全部穿过而不受影响，反射光谱在FBG中心波长λB处出现峰值，根据模耦合理论［4］得：

式中λB为布喇格波长；neff为光纤传播模式的有效折射率；Λ为光栅周期。

当光栅区域的应变发生变化时，反射波长λB将发生漂移，在光纤的弹性范围内，中心波长漂移量ΔλB与应变变化呈线性相关，同时温度的变化对其也有一定影响，二者共同引起的ΔλB［5］为：

式中P11，P12为单模光纤的弹光系数；v为光纤材料的泊松比；Δε为光纤轴向应变；α，ξ分别为FBG的热膨胀系数和热光系数；ΔT为温度变化量。

可见，当光纤光栅所处环境的温度、应力、应变或其它物理量发生变化时，光栅的周期或纤芯折射率将发生变化，从而使反射光的波长发生变化，通过测量物理量变化前后反射光波长的变化，就可以获得待测物理量的变化。FBG传感器走向工程实用化的关键问题有两个：一是光纤光栅传感器的增敏与封装，二是波长编码的解调技术。

1.3 分布式光纤传感器

相对点式光纤传感器，分布式光纤传感器能对较长工作距离的目标参量变化进行实时监测。分布式光纤传感系统原理是同时利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质，采用先进的光时域反射（Optical Time Domain Reflectormeter，简称OTDR）技术，探测出沿着光纤不同位置的应变和温度的变化，实现真正分布式的测量。就传感技术来看，主要有三种实现方式：基于瑞利（Rayleigh）散射、基于拉曼（Raman）散射和基于布里渊（Brillouin）散射。其中基于布里渊散射的分布式光纤传感技术在温度、应变上所达到的测量精度、测量范围以及空间分辨率等均高于其它传感技术，得到广泛的关注与研究。

布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时产生非弹性碰撞而出现的光散射过程。在不同条件下，布里渊散射又分为自发散射和受激散射两种，所以基于布里渊散射的分布式光纤传感器也分为基于自发布里渊散射的布里渊光时域反射计（Brillouin Optical Time－Domain Reflectometer，简 称 BOTDR）和基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析（Brillouin Optical Time－Domain Analysis，简 称BOTDA）两种。

1.3.1 BOTDR分布式光纤传感器

布里渊散射的强度极其微弱，相对于瑞利散射来说要低大约两三个数量级，而且相对于散射光来说布里渊频移很小，检测起来较为困难，通常采用的检测方法有直接检测和相干检测两种。基于BOTDR的分布式光纤传感器典型结构如图3所示。

图3 基于BOTDR的分布式光纤传感系统组成

基于BOTDR的分布式光纤传感技术与在光纤测量中广泛应用的OTDR技术相似。光脉冲注入光纤系统的一端，光纤中的散射光作为时间的函数，同时带有光纤沿线温度、应变分布的信息，测量布里渊散射频移量即可得到光纤中的温度、轴向应变分布。光纤的轴向应变、温度与布里渊散射光频移的关系可分别表示为［6］：

式中ε为光纤的应变；T为温度；Cε为布里渊频移－应变系数；CT为布里渊频移－温度系数；vB为光纤的布里渊频移；vB0，ε0，T0分别为光纤初始状态的布里渊频移量、应变和温度。

1.3.2 BOTDA分布式光纤传感器

基于BOTDA的分布式光纤传感器利用直流探测光和脉冲泵浦光之间的受激布里渊散射，通过受激布里渊效应对探测光的放大［7］，实现接收信号强度大、测量精度高和动态范围宽等特性，典型结构如图4所示。

图4 基于BOTDA的分布式光纤传感系统组成

当光纤某个区段的温度或应变发生变化时，该部位的布里渊频移便随之发生变化，从而引起该区段的BOTAD信号变化。通过调谐使入射泵浦光和探测光之间的频差等于新的布里渊频移，便能接收到该点的布里渊散射信号。由于布里渊频移与温度、应变存在线性关系，因此，对两激光器的频率进行连续调节的同时，通过检测从光纤一段耦合出来的探测光的功率，就可以确定光纤各小段区域上能量转移达到最大时所对应的频率差，从而得到光纤沿任一点的温度、应变分布。

同BOTDR技术相比，基于受激布里渊散射的BOTDA传感系统可以获得相对较强的散射信号，空间分辨率也从1m提高到了10cm，从而使应变、温度等信息的空间定位更加准确。但BOTDA技术采用双端检测，需要从光纤两端分别注入泵浦光和探测光，传感光纤必须构成测量回路，给工程实际应用带来一定的困难。

2 性能与特点比较

光纤传感技术涵盖点式、准分布式、分布式三类拓扑结构，每种传感器都具有各自不同的特性和适用范围，参见表1所示，因而在构建管道在线监测系统时可以相互配合、各取所长。

表1 光纤传感器性能指标

可见，SOFO分辨率高，但受信号传输和解调技术的限制，布点数量有限，比较适用于结构重点部位的监测。分布式的BOTDR和BOTDA可对结构进行大范围监测，但分辨率低，测得的应变是传感段所经过区域应变量或温度的平均值。而FBG不仅分辨率高，所测的应变位置明确易定，且能使用波分复用技术在一根光纤中串接多个传感器，实现真正意义上的多点线式分布测量。因此，FBG在很大程度上弥补了以上几种传感器的不足，更适合于大型结构的多点监测。

3 光纤传感技术在管道监测中的应用

管道光纤健康监测系统主要由以下三部分构成：光纤传感器系统、信号传输与采集系统、数据处理与监测系统［8］，如图5所示。其中光纤传感器系统包括光纤传感器的选型、拓扑类型、安装方式等；信号传输与采集系统包括光纤传感器的校正、采样及实时数据的存储等；数据处理与监测系统包括采集数据的有效性分析、结构健康性能指标的参数选择、结构运行状态的可视化系统及相应的灾害提前预警功能等。

图5 管道光纤实时监测系统

3.1 管道应变／变形监测

油气管道传输距离长，冷热变形量大，在长期服役过程中容易受到地质灾害，如地基沉降［9］、沿线滑坡［10］、冻胀融沉［11］等不利因素而引起变形，因此需要对管道进行实时变形监测。

利用FBG准分布式光纤传感技术可以用同一根光纤复用多个FBG传感器，从而实现对待测管道关键部位，如焊接点、拐弯阀门等定点应力的精确测量。美国Micron Optics公司生产的sm125静态光纤光栅解调仪可允许在一根光纤上同时连接大于40个FBG传感器，同时也可随时扩展到16个光学通道，扫描频率为1Hz，其应变和温度分辨率可分别达到1με和0.1℃，非常适合管道局部关键区域的长期监测使用。英国Smart Fibres公司的W4－5型光纤光栅传感网络分析仪具有4通道，每通道传感器最大数为40个，专为监测变化很慢的应力、温度和压力而设计。

如果仅需了解管道结构的整体应力变化趋势或对监测精度要求不是很高时，也可采用布里渊散射分布式光纤传感技术。日本ANDO公司研制开发的光纤应变／损耗分析仪AQ8603应用BOTDR技术可以检测最长80km光纤沿线的应变，空间分辨率为1m，应变测量精度可达到±0.003%，基本上能够满足管道工程变形监测的要求。日本Neubrex公司在BOTDA技术的基础上开发了新一代应变测量技术——脉冲预泵浦BOTDA，简称PPP－BOTDA，实现了10cm的空间分辨率和±7.5με的应变测量精度；瑞士Omnisens公司的DiTeSt分布式光纤温度应变监测系统在10km测量范围内空间分辨率为1m、应变测量精度为±30με；加拿大OZ公司最新的ForesightTM系列传感器系统采用专利光缆设计，在50km测量范围内空间分辨率为10cm、应变和温度测量精度分别达到±2με和±0.1℃。这些系统均可实现应变和温度的同时测量，从而对管道的变形状况进行实时连续监测。

3.2 管道泄露监测

管道由于人为穿孔或破坏引起的泄漏，不仅造成自然资源的浪费、环境污染，而且容易发生火灾、爆炸等灾难性事故，危害工农业生产和人民生活。因此，及时、准确地发现泄漏及其位置具有重大意义。

温度、压力和流量是对流体管道进行漏泄检测、泄漏定位和生产控制所需要的基本数据。对于输油／气管道或热力管道，当高温、高压的液体泄漏时会导致周围的温度升高，而气体泄漏时周围温度将降低，根据这一性质可将光纤光栅准分布式传感系统和分布式光纤温度传感器系统应用到管道泄漏检测中。结合热力管道泄漏处的温度场变化规律，利用FBG温度传感器的温度特性可以对热力管道关键点温度进行连续监测，从而及时发现泄漏［12］。相对于数百、上千公里的输油／气管道或热力管道，如果安装成千上万个FBG传感器经济上会极其昂贵，所以工程上多采用分布式光纤传感技术。英国Sensornet公司生产的Sentinel DTS分布式光纤温度监测系统同时利用光纤感测信号和传输信号，采用先进的OTDR技术和拉曼散射光对温度敏感的特性，在30km监测范围内空间分辨率最小0.1m，其温度分辨率可以达到0.01℃。

分布式光纤传感器的主要技术方法除了上述的OTDR法，还有干涉法。干涉式光纤传感技术利用光纤受到所监测物理场感应（如温度、压力或振动等），使导光相位产生延迟，经由相位的改变造成输出光的强度改变，进而得知待测物理场的变化。相对于OTDR技术，它的动态范围大、灵敏度高，可实现管道小泄漏检测。澳大利亚FFT公司基于模态分布调制干涉技术研制了一种对压力／声波／振动敏感的分布式光纤管道安全防御系统，可以检测管道泄漏、挖掘、机械施工等事件，在60km管段内进行泄漏检测的定位精度为±50m。该系统已成功应用于美国New Yoke Gas Group和印度尼西亚Gulf Resources Ltd的长输管道上，适合油气管道泄漏检测和定位的要求。

4 结论

光纤传感技术利用光纤进行信号传输，具有传输损耗小、稳定性高、频带宽和可集成性好的特点，可实现远距离传输和自动监测。FBG传感器由于具有体积小、质量轻、寿命长、可实现绝对测量、对电磁干扰不敏感及可构成准分布式传感网络而受到广泛重视。与FBG传感技术相比，布里渊分布式光纤传感技术突出的优点在于不需要对光纤进行加工，传输与传感为一体，测试费用低，并可进行长距离分布式测量。在分布式光纤传感技术中，拉曼分布式温度传感技术和BOTDA光纤传感技术是最具前途、目前应用最为广泛的实用系统。

目前，光纤传感技术在桥梁、大坝、高层建筑等土木工程以及隧道、地铁、边坡等岩土工程都有广泛应用；而在管道方面，虽然应用较少，但也取得了一定的进展。在对测点要求精度较高时，宜选用FBG传感技术，其适合局部、高灵敏度监测；当仅需了解管道结构性能的整体变化趋势时，宜选用BOTDA传感技术，其适合长距离、低灵敏度静态监测。

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