基于OTDR的光纤液体泄漏检测的研究

雷芬芬， 骆青君， 周 斌

(华南师范大学华南先进光电子研究院，广州 510006)

基于OTDR的光纤液体泄漏检测的研究

雷芬芬， 骆青君， 周 斌*

(华南师范大学华南先进光电子研究院，广州 510006)

通过应用光时域反射仪(OTDR)测量多模光纤(MMF)反射光强变化，提出一种检测液体泄漏的光纤传感器，并对其进行理论仿真和实验研究. 文中设计了2个远距离的光纤传感器. 第一个传感器仅带有1个光纤传感结构. 连接带有传感结构的长光纤和OTDR. 设置OTDR的扫描脉宽30 ns、扫描时间3 min，光源的脉冲信号强度约为15 dB、扫描距离5 km. 以水为检测对象时，光损耗减小，反射光强度变大. 实验结果和仿真结果一致; 第二个传感器是由2个传感结构的分布式复用传感器，用于检测两处的环境情况. 2个传感结构都能很灵敏地检测水，证明了传感器的复用特性. 该液体泄漏检测光纤传感器能被广泛应用于工程实践中.

光时域反射仪； 纤芯直径突变； 背向散射

远距离石油输送管道、火力发电管道、自来水输送管道常因管道磨损、老化、腐蚀等原因发生泄漏事故不仅会造成极大的资源浪费和经济损失，而且会带来安全隐患，危害人民的生命和财产安全. 因此,实时远距离检测管道泄漏非常必要[1]. 目前,检测管道泄漏的主要方法分为直接检漏法和间接检漏法. 直接检漏法主要采用人工巡视或通过沿管道周围铺设相应传感器的办法直接感应泄漏的液体[2]；间接检漏法是指根据管道泄漏所造成的声音、压力、流量等物理状态参数的变化而实施的测量. 由于间接测量法成本高、设备复杂，不适用于检测室内管道的泄漏. 因此，对于室内管道的泄漏检测以低成本的直接检测法为主. 近年来，直接液体泄漏检测传感器沿着灵敏、精确、经济、小巧和智能化的方向迅速发展. 而其中的光纤传感器具有诸多优异独特的性能[3]. 光纤传感器能够抵抗原子辐射和电磁干扰；具有直径细、能够弯曲、重量轻、绝缘、耐水、耐腐蚀、耐高温等优点，能够远程检测人不能接近或对人有害区域的环境. 随着光通信技术的发展，光纤传感液体泄漏技术迅速形成，光时域反射仪 (Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)应运而生. 它是利用光脉冲在光纤中传输时的菲涅尔反射和瑞利散射所产生的背向散射而制成的光电一体化精密仪表. 它可测量光纤长度、光纤的传输损耗、接头损耗，并且能够定位故障等. OTDR是光纤通信工程施工和维护必不可少的测试仪器，被广泛应用于光缆工程中[4].

基于上述实验背景，通过设计将OTDR作为检测元件，长距离的普通多模光纤(MMF)作为远程传输光纤. 用25%(质量分数，全文同)的氢氟酸(HF)溶液腐蚀长度3～8 cm的光纤制作传感结构. 制作多个传感结构，以检测多处的液体泄漏情况，形成一个分布式的复用液体泄漏检测光纤传感器. 此类传感器操作简单、携带方便、精确度高，适合在工程实践中应用.

1 实验方法

1.1 OTDR用于液体泄漏检测的原理

OTDR的基本原理是通过分析光纤传输时的菲涅尔反射和瑞利散射所产生的背向散射光来测量光散射、光泄露等原因产生的损耗. 当传感光纤某一点的散射特性发生变化时，通过分析OTDR显示的损耗与光纤长度的对应关系，可以检测到光纤上该点信号的变化[5].

当光在多模光纤中传播时，由于包层的折射率比芯层的折射率低，光被约束在芯层内，不随外界折射率的改变而变化[6]. 所以，未被腐蚀的多模光纤不能检测环境中液体的泄漏. 将多模光纤的包层和一部分芯层腐蚀后制作传感结构(图1)[7].

图1 实验装置示意图Figure 1 Schematic diagram of experimental setup

多模光纤中存在非常多的模式，不同模式在光纤内的模场分布不同[8]. 如果传输光纤其中一段包层和一部分芯层被腐蚀，那么它的直径将相应变小. 在直径突变的位置，如图1中的a、b处，将会发生模式的再耦合，由于腐蚀前后光纤模场分布不一致，各阶LPmn模式的耦合效率不同. 在图1的a处，一部分光耦合到传感部分的纤芯，另一部分耦合到空气包层形成损耗[9]. 耦合到纤芯的光强与传感区域的芯径大小成正比. 即传感区域的芯径越大，耦合到纤芯的光强越大，透射光强度就越大，反之亦然. 在图1的b处，光从小芯径传输到大芯径，大部分光耦合到没有被腐蚀的多模光纤中，此处损耗很小. 当环境中有液体泄漏时，裸露的芯层周围折射率增大，再一次影响传感区域内光纤的模场分布，进一步改变透射光强度. 与空气和芯层的折射率差相比，待测液体和芯层的折射率差较小,能将光更好地束缚在纤芯中，减小光的损耗[10]. 因此,该结构可以有效检测外界环境液体的泄漏.

1.2 腐蚀的MMF光损耗仿真

应用Rsoft软件的有限差分光束传播法[11](Beam PROP)对图1的传感区域进行仿真. 可以简单且有效地得到传感部分的耦合效率及其内部透射光强度随着传输距离的变化情况. 设定多模光纤长度为7 cm、纤芯直径为62.5 μm、纤芯折射率为1.465、包层直径为125 μm、包层折射率为1.455、中间的传感区域长度为5 cm、传感纤芯直径为30 μm、入射波长为1 550 nm. 将裸露的芯层分别暴露在空气(nneff=1.00)和水(nneff=1.33)中，对其进行仿真.

1.3 实验过程

实验装置(图1)包括：OTDR测试仪(EXFO FTB-1，加拿大)作为传感器的检测装置. 连接多模长光纤到OTDR输出端口，形成远程传感装置[12]. 发射波长为1 550 nm，通过分析OTDR背向散射曲线的光损耗，检测环境中液体是否泄漏. 实验以水为研究对象.

传感结构的准备：使用康宁公司生产的纤芯、包层直径分别为62.5、125 μm的多模光纤. 将多卷光纤依次熔接起来. 在熔接点附近，先用光纤钳去除光纤的涂覆层(长度为5 cm). 由于去除涂覆层的光纤脆弱容易折断，用溶胶枪将去除涂覆层的光纤两端和塑料基板胶合在一起，使去除涂覆层的光纤悬空固定在塑料基板上.

微纳米光纤的制备：使用25%的HF溶液腐蚀光纤. 由于HF溶液是易挥发的腐蚀性液体，所以在HF溶液表面滴一层油性异辛烷，并给容器加盖，保证腐蚀过程中HF质量分数基本不变. 同时保证实验室的通风性良好[13]. 首先，将几根去涂覆层光纤同时置于同一HF溶液中，腐蚀不同时间后，用显微镜观察其直径，并拍摄相片显微图片，测量不同时间腐蚀后光纤的直径，绘制光纤直径与腐蚀时间之间的线性标准曲线，即腐蚀速率曲线. 同时监测光纤中的反射光强，当出现较明显的损耗台阶时，迅速将光纤从HF溶液取出，并用去离子水冲洗. 最后，用NaOH溶液(20%，质量分数)中和，腐蚀完成[14].

2 结果与讨论

2.1 MMF的腐蚀过程仿真

传感光纤分别暴露在空气和水中时，基模和LP23模的透射光强度如图2所示，由于纤芯突变，光纤中有相当一部分的光能量耦合到芯层周围的介质中损耗掉，且基模受到裸露的芯层周围介质折射率不同的影响，在水中的透射光损耗明显要比在空气中的小(图2A、B). 对应的基模归一化光能量监测图(图2C)进一步说明，暴露在水中的透射光能量大. 当光在多模光纤中传播时，激发起纤芯的基模和多个高阶模式，各阶模式的耦合效率不同，有的模式在2种环境中透射光强相差不大. LP23模随传播距离的透射光强度分布(图2D～F)和基模的情况完全一致. 仿真结果和上述的理论分析完全一致.

图2 基模或LP23模分别暴露在空气、水中时的透射光强度及其归一化光能量随传播距离的分布

Figure 2 The transmission optical energy map and the normalized energy distribution with the change of propagation distance when basic or LP23mode is exposed to air and water, respectively

2.2 25%HF溶液中光纤的腐蚀速率

随着腐蚀的进行，光纤直径明显减小(图3). 根据不同时间的测量值得到拟合曲线(图4)，计算光纤在HF溶液(25%)中的腐蚀速率(直径减小快慢)约为0.696 2 μm/min.

图3 经不同时间腐蚀后光纤的光学显微镜图(40倍)

Figure 3 The micrographs (40X) of the fiber diameter after different etching time

图4 25%的HF溶液中光纤腐蚀速率

Figure 4 The corrosion rate curve of fiber in 25% hydrofluoric acid solution

腐蚀过程OTDR的监测光强度曲线(图5)中，腐蚀时间t=0、41、55、75、85、108 min测得的曲线(分别命名为t0、t41、t55、t75、t85、t108)，在光纤末端2.732 6 km处所有样品均出现较强的尖峰是由光纤末端较强的端面反射引起的. 根据25%的HF溶液中光纤腐蚀速率(0.696 2 μm/min)计算，t0～t108对应的光纤直径分别为125、96.5、86.7、72.8、59.8、49.4 μm. 因为原多模光纤芯层直径为62.5 μm，所以t<75 min的过程是对包层的腐蚀.t=75～85 min期间，光纤芯层开始腐蚀，与光纤在0～85 min监测的反射光强度变化曲线(t0～t85)完全吻合，仅在传输距离1.851 3 km处有较小的熔接损耗. 结果表明，在前85 min并没有腐蚀到芯层，因此其反射光强度没有发生突变. 而t108曲线在此处(1.851 3 km)的耦合泄漏损耗(1.998 dB)较大，其腐蚀程度达到了设计要求.

2.3 单个传感结构的传感器

传感器的传输光纤总长2.732 6 km，按照上述描述的方法在距离1.851 3 km处制作一个传感结构，此传感器可以很好地实现远距离检测. 设置OTDR扫描脉宽30 ns，扫描时间3 min，扫描距离5 km. 在此实验中，以水(nneff=1.33)为检测对象. 传感器暴露在空气中和检测到水时的OTDR曲线图(图6)可知，传感器暴露在空气中时，OTDR传感光纤在距离为1.851 3 km处的反射损耗为2.893 dB. 而当传感器检测到水时，光纤反射损耗为0.631 dB. 即当检测到液体泄漏时，光纤的光损耗减小，反射光强变大. OTDR的扫描脉宽30 ns，输入的脉冲信号约15 dB. 传感器暴露在空气中的反射损耗为2.893 dB. 因此，理论上，它允许制作包含5个传感结构的复用传感器.

图5 光纤腐蚀过程的OTDR曲线Figure 5 The OTDR curve in the process of etching the fiber

图6 单个传感结构的传感器检测液体泄漏的OTDR曲线

Figure 6 The OTDR curve of a single sensing structures’ sensor to detect liquid leakage

2.4 复用传感器

此复用传感器的传输光纤总长4.682 1 km. 分别在OTDR距1.851 3 km(传感结构1)和2.732 6 km(传感结构2)处制作光纤传感结构. 以水为检测对象，OTDR的设置与单传感器设置相同，测得复用传感器在不同环境的OTDR曲线(图7)，传感结构1暴露在空气中的损耗是2.801 dB，检测水的损耗是1.880 dB，损耗减小0.921 dB(图7插图1). 由于前一个传感结构检测到水时，会使后一个传感结构的光纤光损耗减小，反射光强度变大，故将影响传感结构2的检测. 为了排除这个影响，当传感结构1检测水时，将传感结构2以后的反射光强度扣除0.921 dB得到图7插图2，和黑线比较，红线仅在1.851 3 km处损耗减小，说明检测环境1有水存在；绿线只在2.732 6 km处损耗减小，说明检测环境2有水存在；蓝线在两处损耗都减小，反射增大，说明检测环境1、2处都有水存在. 实验结果和实际情况完全一致.

图7 双传感头复用传感器检测液体泄漏的OTDR曲线

Figure 7 The OTDR curve of the two sensing structures to detect liquid leakage

3 结论

本实验设计了一种应用OTDR测量的多模光纤远程检测液体泄漏的传感器. 设置OTDR的扫描脉宽30 ns、扫描时间3 min，光源的脉冲信号强度约为15 dB. 以水为检测对象. 传感结构暴露在空气中，OTDR的反射曲线在检测处的损耗为2.893 dB. 当检测到水时，OTDR的反射曲线的损耗为0.631 dB，光损耗减小，反射光强变大. 通过实验研究，可证实此类传感器可以快速、灵敏地检测出液体的泄漏情况. 此类传感器制作简单、方便携带、灵敏度高、安全可靠性好. 设置扫描脉宽为100 ns时，动态范围可达25 dB. 因此，使用宽脉冲扫描时，理论上能制作由多个传感结构组成的分布式复用远程传感器，具有很强的实用价值.

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【中文责编：谭春林 英文审校：肖菁】

Research on Optical Fiber Liquid Leakage Detection Based on OTDR

LEI Fenfen, LUO Qingjun， ZHOU Bin*

(South China Academy of Advanced Optoelectronics, South China Normal University, Guangzhou 510006, China)

By using optical time domain reflection (OTDR) to measure the intensity of the reflected light intensity of multi-mode fiber (MMF), a fiber optic sensor which can detect the leakage of liquid is proposed, and the theoretical simulation and experimental study are carried on. Two sensors are designed in this paper. The first sensor is only with a sensing structure. It connects OTDR and the long fiber with the sensing structure. The scanning pulse width is set to 30 ns, the scan time of 3 min, the strength of the light pulse signal about 15 dB, the scan distance of 5 km on the OTDR. When take water as test object, the loss of OTDR is decreased, and the intensity of the reflected light is large. The experimental results are consistent with the simulation results. The second sensor with two sensing structures is made into the distributed multiplex sensor for detecting water of different regional environment. The two sensor structures can detect water sensitively, which proves the multiplexing characteristic of the sensor. Therefore, the liquid leakage detection optical fiber sensor can be widely used in engineering practice.

OTDR; core diameter mutation; the back scattering

2015-12-12 《华南师范大学学报(自然科学版)》网址：http://journal.scnu.edu.cn/n

国家自然科学基金项目(6130705)；广东省引进创新团队计划资助项目(201001D0104799318)；中国博士后基金项目(2013M 531866)

O437

A

1000-5463(2017)03-0017-05

*通讯作者:周斌，讲师，Email:zhoubin_mail@163.com.