基于分布式光纤传感技术的智能管道系统设计

2015-09-21宋继红李诗春

长春大学学报 2015年10期

宋继红，李诗春

(1.长春大学电子信息工程学院，长春130022;2.长春高祥特种管道有限公司，长春130012)

0 引言

保证输油、输气管道的安全是管道作业关键问题之一，目前国内外应用于管线工程监测的技术和方法主要是传统的电测式传感器，受到布点数量的限制，无法全面反映管道的结构和功能情况。本文介绍一种采用塑料复合管道内部集成功能光纤的分布式温度和应力传感技术，在管道生产过程直接集成，在光纤端口采用FPGA系统实时采集管道运行参数，解决了目前国内外光纤传感和管道分别集成，工程施工难度较大且可靠性差的问题。这种分布式光纤传感器具有抗电磁干扰、防水、抗腐蚀和耐久性长等特点，管道端口的数据采集和处理系统单元可以准确测出光纤沿线任一点上的应力、温度等信息，克服了传统点式监测漏检的弊端，提高了监测成功率［1］。测温和测压系统采用基于受激布里渊散射的布里渊光时域分析技术(Brillouin Optical Time-Domain Analysis，简称BOTDA)，布里渊频移对压力敏感，但同时也对温度敏感，利用上述不同护套结构的光纤具有不同压力和温度灵敏度系数的特点，设计基于双通道分布式光纤布里渊频移的传感器，解决了压力和温度的交叉敏感问题，并实现了管道压力和温度的同时测量。

1 受激布里渊散射及其传感类型

布里渊散射(Brillouin-scattering)是非弹性散射，由于声波通过介质时所引起的折射率不均匀而产生的，受激布里渊散射过程是频率较高的泵浦光的能量向频率低的斯托克斯光转移的过程，布里渊散射也属于喇曼效应，即光在介质中受到各种元激发的非弹性散射［2］。如图1所示，数据采集与空时控制系统激发拉曼光谱(1550nm)进入LD脉冲激光发生器，此泵浦激光通过光学系统耦合到功能光纤中，泵浦激光在光纤中某处(被测量点)由于受到温度或应力变化，在被测点的布里渊频移就会发生变化，这时斯托克斯信号光功率也会发生变化。图1中光纤中反射回来的斯托克斯光通过光学反射进入WF分光系统，接收端采用2组光电探测器件APD，模拟前端采用多路同步采保电路，然后进入高精度AD转换部分来检测斯托克斯光和反斯托克斯光回光功率，由于布里渊频移和斯托克斯光功率都与温度、应变存在线性关系，通过在光纤泵浦光输入端检测反射回来的斯托克斯光的功率或者布里渊频移，就可以确定光纤各小段区域上能量变化或者频移变化，从而得到温度、应变信息，实现分布式测量。通过布里渊信号光功率与温度的线性关系可以拟合出布里渊功率温度系数。

图1 分布式光纤传感器测量原理

预泵浦脉冲描述如公式(1):

这里D表示泵浦脉冲光持续时间，而Dpre表示脉冲预泵浦光持续的时间，Cp表示脉冲光功率，而Ap+Cp表示脉冲预泵浦光功率。通过适当设置脉冲光与脉冲预泵浦光的功率比即消光系数(Rp)，可以降低多余的输出功率，见公式(2):

泵浦激光采用脉冲为1ns的脉冲光，为了提高空间分辨率和测量精度，泵浦激光采用预调制窄带激光脉冲，泵浦激光采用3阶梯时延脉冲，峰值部分采用1ns时延，这样既降低了泵浦激光在光纤中损耗，又保证了反射斯托克斯光的功率的尖锐性。适当设置脉冲光和脉冲预泵浦光的消光系数，来自脉冲预泵浦光的信号能够被有效控制，可以实现30cm的空间分辨率与高测量精度。基于布里渊散射的分布式光纤传感系统，需要通过对系统定标以及对测试到的数据进行拟合而得到，这样建立较精确的符合实际环境的布里渊散射强度与温度、应变的定量关系［3］。

2 系统集成

实验表明，布里渊频移与光纤所受到的压力存在负线性关系，对于G652标准单模裸光纤，其比例系数约为-0.742MHz/MPa。光纤布里渊频移在压力作用下的线性敏感特性，为利用基于分布式光纤布里渊频移的传感器进行液体压力检测奠定了基础［4］。系统集成图如图2所示。

图2 分布式光纤传感器管道集成

实验结果表明，光纤布里渊频移是这两种应变复合作用的结果，并与这两种应变都成线性关系，但它们的比例系数却存在很大差异，其中轴向应变系数实验值为0.053MHz/με，径向应变系数实验值为0.029MHz/με。以构建双通道分布式光纤布里渊传感器为例，其理论压力精度和温度精度分别为0.256MPa和0.284℃，此结果对于30MPa左右的压力已达到高于1%的精度，而且通过护套的优化设计还可以实现更高精度。如图3所示。

图3 智能管道测控系统

3 检测结果分析

脉冲光在传输的同时，不断产生背向散射光，由时钟电路计算入射光和接收到散射光的时间差，可实现散射点的定位。管道监测中，实测光纤位置和被测体的对应关系十分重要，在正常使用管道实测数据结果具有很好的稳定性，多次测量的结果，重复性误差具有正态分布特征［5］。如图4所示。

图4 应变光的测量结果及误差分析

研究表明，利用分布式光纤测量温度时，管道温度慢变情况测量精度较高，快变温度信号测量误差较大;在测量管道压力过程中，利用分布式光纤所测得的应变为该监测段的平均应变，对于有应力集中现象的结构测量精度不好;而且基于BOTDA技术的光纤测量要求被测光纤传感器必须是一个完整的回路，这对光缆的铺设和保护要求较高。图5为当前的一些油气管道线路铺设现场图片。分布式光纤油气管道监测系作为一种新型的光纤传感技术，可很好的应用于石油管道监测中。