分布式光纖傳感系統(tǒng)及其在管線檢測中的應(yīng)用

1、分布式光纖傳感系統(tǒng)及其在管線檢測中應(yīng)用摘要：布里淵時域分析技術(shù)（BOTDA）是近年來研發(fā)成功的一種分布式光纖傳感技術(shù)，已開始廣泛應(yīng)用于各種結(jié)構(gòu)體和工業(yè)設(shè)備等的溫度、應(yīng)變檢測。而Neubrex公司在該技術(shù)基礎(chǔ)上開發(fā)了新一代應(yīng)變測量技術(shù)脈沖預(yù)泵浦BOTDA（簡稱PPP-BOTDA），實(shí)現(xiàn)了10cm的空間分辨率和±7.5的應(yīng)變測量精度。本文重點(diǎn)介紹了PPP-BOTDA（測量溫度和應(yīng)變）的機(jī)理與系統(tǒng)構(gòu)成，并通過工程實(shí)例介紹該技術(shù)在管線檢測中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：布里淵時域分析技術(shù)；光纖傳感；PPP-BOTDA；管線檢測1 引言基于受激布里淵散射的布里淵光時域分析技術(shù)（Brillouin Opti

2、cal Time-Domain Analysis，簡稱BOTDA）最初由T. Horiguchi等人于1989年提出，用于光纖通信中的光纖無損測量。當(dāng)BOTDA系統(tǒng)采用的泵浦脈沖寬度減小時，布里淵頻譜發(fā)生增寬，同時峰值信號的強(qiáng)度也會隨之降低。因此，僅通過減小脈沖寬度來提高空間分辨率的方法難以實(shí)現(xiàn)。X. Bao等通過在泵浦脈沖光前面添加泄漏光的方法，可同時獲得高空間分辨率和窄的布里淵頻譜，在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下實(shí)現(xiàn)了1ns脈沖寬度的受激布里淵散射，獲得了厘米級的空間分辨率。但進(jìn)行監(jiān)測時，傳感光纖長度改變以后需要對測量設(shè)置進(jìn)行修改，并且隨著監(jiān)測范圍的增大，信號的噪音也隨之增大，使得長距離檢測難以實(shí)施，這兩

3、個技術(shù)缺陷的存在，使得該技術(shù)難以商業(yè)化應(yīng)用。日本Neubrex公司光納儀是突破了泄漏光泵浦脈沖的理論缺陷，利用脈沖預(yù)泵浦技術(shù)，成功地使測量空間分辨率和精度都得到了很大的提高。PPP-BOTDA（Pulse-PrePump Brillouin Optical Time Domain Analysis）的空間分辨率小于10cm、應(yīng)變測定精度達(dá)到了±7.5、重復(fù)性為±2.4。 2 BOTDA的原理光在光纖中傳播，大部分光是沿前向傳播的，但由于光纖材料的光學(xué)性質(zhì)存在微觀不均勻性，或者由于光纖本身的光特性，入射光束的一小部分會產(chǎn)生偏離原來的傳播方向產(chǎn)生散射現(xiàn)象。光纖內(nèi)光的散射現(xiàn)象主要

4、有瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射3種，如圖1所示。圖1 光纖內(nèi)光的散射的3種形式基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統(tǒng)由于在實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離和高精度探測方面均優(yōu)于基于另外2種散射的傳感系統(tǒng)，因此有很大的發(fā)展前景。隨著該技術(shù)不斷運(yùn)用和推廣，該技術(shù)所達(dá)到的探測距離和探測精度也都在不斷提高，NBX-6050就是一種基于BOTDA的探測系統(tǒng)，它在距離上達(dá)到了25km，在精度上溫度達(dá)到±1，應(yīng)變達(dá)到了±7.5u。BOTDA( Brillouin Optical-fiber Time-Domain A-nalysis)，即布里淵光纖時域分析技術(shù)，它是布里淵光譜分析技術(shù)與光學(xué)時域反射(OTDR)技

5、術(shù)的融合，其基本原理如圖2所示。圖2 BOTDA 光纖傳感系統(tǒng)原理框圖布置于光纖兩端的可調(diào)諧激光器分別將一脈沖光(泵浦光)與一連續(xù)光(探測光)注入傳感光纖，當(dāng)泵浦光與探測光的頻差與光纖中某區(qū)域的布里淵頻移相等時，在該區(qū)域就會產(chǎn)生布里淵放大效應(yīng)(當(dāng)2束泵浦光在光纖中反向傳播，并且二者的頻差等于布里淵頻移時，弱的泵浦信號將被強(qiáng)的泵浦信號放大，稱之為布里淵受激放大作用)，兩光束相互之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。受激布里淵散射實(shí)際上是一個三波耦合的過程，即入射光(泵浦)、受激發(fā)的聲波以及散射光波(斯托克斯波)之間的相互作用。通常可以描述為，泵浦光由于電致伸縮在入射介質(zhì)上產(chǎn)生一個壓力波并導(dǎo)致介質(zhì)密度的波動，從而改變

6、了磁化率。即入射波激發(fā)了聲波，聲波又對入射波產(chǎn)生了散射，而散射過程則產(chǎn)生了斯托克斯波，斯托克斯波相對于入射波產(chǎn)生了頻移，其中背向布里淵散射的布里淵頻移最大，即VB=2VAn。式中:VA為聲速；n是纖芯的折射率；是泵浦光的真空波長。對于普通的硅玻璃光纖 n=1.46，VA=5945m/s，當(dāng)泵浦光波長=1.55m時，布里淵頻移VB=11.2GHz。根據(jù)光纖布里淵頻移與光纖應(yīng)變、溫度之間的關(guān)系，對兩激光的頻率進(jìn)行連續(xù)的調(diào)節(jié)，監(jiān)測從光纖一端耦合出來的連續(xù)光功率，可以確定光纖各小區(qū)間上能量轉(zhuǎn)移達(dá)到最大時的頻率差，從而得到溫度、應(yīng)變信息，實(shí)現(xiàn)分布式測量。BOTDA 技術(shù)中，光纖的應(yīng)變量、溫度變化與布里淵

7、頻率漂移量的關(guān)系: VB(，T)= VB(0)+(T-T0)*C12+(-0)*C11。式中:VB(0)是指在=0，溫度為T0時光纖布里淵頻率漂移量；VB(，T)是指在應(yīng)變?yōu)?，溫度為T時光纖布里淵頻率漂移量；C12為溫度影響系數(shù)，C12=dB(T)/dT；C11為應(yīng)變影響系數(shù)，C11=dB()/dT。3 PPP-BOTDA 工作原理 脈沖預(yù)泵浦布里淵光時域分析法（PPP-BOTDR）通過改變泵浦光的形態(tài)，在測量的脈沖光發(fā)出前，增加一段預(yù)泵浦脈沖波來激發(fā)聲子，測量原理圖見圖3 所示。圖3 PPP-BOTDR 工作原理圖預(yù)泵浦脈沖描述如公式(1)所示：這里D表示泵浦脈沖光持續(xù)時間，而Dpre表示脈

8、沖預(yù)泵浦光持續(xù)的時間。Cp表示脈沖光功率，而Ap+Cp表示脈沖預(yù)泵浦光功率。 通過適當(dāng)設(shè)置脈沖光與脈沖預(yù)泵浦光的功率比即消光系數(shù)（Rp），可以降低多余的輸出功率，見公式（2）。PPP-BOTDA的優(yōu)勢：1) 在1ns的脈沖光入射之前，導(dǎo)入一個13ns寬的預(yù)泵浦脈沖，布里淵增益頻譜的半值全寬將會減少到80MHz（從僅使用脈沖光時的1GHz）；2) 適當(dāng)設(shè)置脈沖光和脈沖預(yù)泵浦光的消光系數(shù)，來自脈沖預(yù)泵浦光的信號能夠被有效控制，實(shí)現(xiàn)10cm的空間分辨率與7.5高測量精度。4 工程實(shí)例眾所周知，很多情況下輸油、輸氣管線經(jīng)常通過地層條件復(fù)雜且地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā)的區(qū)域，如經(jīng)常發(fā)生滑坡、泥石流、地震的地區(qū)以及常年

9、凍土地區(qū)。這些地質(zhì)災(zāi)害經(jīng)常造成地下管線的故障、破壞、泄漏，從而帶來經(jīng)濟(jì)損失和生態(tài)破壞等嚴(yán)重后果。此外，正在營運(yùn)的管道由于內(nèi)部流體的腐蝕和侵蝕，也將導(dǎo)致自身的損壞。 4.1 管線檢測的現(xiàn)有技術(shù)與發(fā)展趨勢對管道進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能上監(jiān)測對于管線的管理和安全運(yùn)行顯得尤為重要，定期給管道管理部門提供管線運(yùn)行過程中結(jié)構(gòu)和功能上的參數(shù)將有助于預(yù)防管線故障；及時探測管線損壞及所在位置；確保管線維護(hù)和修復(fù)行動及時有效。通常進(jìn)行管線監(jiān)測的結(jié)構(gòu)方面的參數(shù)包括管道的應(yīng)變和曲率，而功能上監(jiān)測的內(nèi)容為分布式溫度、泄漏和管線損壞。 目前，國內(nèi)外應(yīng)用于管線工程監(jiān)測的技術(shù)和方法主要是傳統(tǒng)的電測式傳感器，而管線的長度一般都是幾公里以

10、上，這樣幾千只傳感器從布點(diǎn)連線到數(shù)據(jù)采集不僅復(fù)雜且成本高。另外，受到布點(diǎn)數(shù)量的限制，無法全面反映管道的結(jié)構(gòu)和功能情況，現(xiàn)在國內(nèi)外應(yīng)用于管線工程監(jiān)測的技術(shù)和方法正在從傳統(tǒng)的點(diǎn)式儀器監(jiān)測向分布式、自動化、高精度和遠(yuǎn)程監(jiān)測的方向發(fā)展。近年來興起的光纖傳感器具有抗電磁干擾、防水、抗腐蝕和耐久性長等特點(diǎn)，特別是分布式傳感光纖，以其獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)在管線工程監(jiān)測中有著很好應(yīng)用前景，具有如下優(yōu)點(diǎn)： 分布式：可以準(zhǔn)確測出光纖沿線任一點(diǎn)上的應(yīng)力、溫度等信息，克服傳統(tǒng)點(diǎn)式監(jiān)測漏檢的弊端，提高監(jiān)測成功率。 長距離：光纖既作為傳感體又作為傳輸體就可以實(shí)現(xiàn)長距離、全方位監(jiān)測和實(shí)時連續(xù)控測。 耐久性：傳統(tǒng)的工程監(jiān)測一般采用應(yīng)變

11、片等電測技術(shù)，傳感部件易受潮濕失效，不能適應(yīng)一些大型工程長期監(jiān)測的需要。光纖的主要材料是石英玻璃，與金屬傳感器相比具有更好的耐久性。 抗干擾：光纖是非金屬、絕緣材料，避免了電磁、雷電等干擾。 輕細(xì)柔韌：光纖的這一特性，使它避免了匹配的問題，便于安裝埋設(shè)。 精度高：測量精度達(dá)7.5微應(yīng)變/0.4攝氏度，重復(fù)性達(dá)2.4微應(yīng)變/0.1攝氏度。Neubrex憑借“NBX-6050高性能儀器+FutureNeuro傳感光纖+反分析數(shù)值模擬”的綜合技術(shù)優(yōu)勢，開發(fā)了針對針對管道內(nèi)壁侵蝕的分布式監(jiān)測系統(tǒng)，并已得到了實(shí)際應(yīng)用。4.2 管線檢測的基本原理圖4 光纖鋪設(shè)示意圖分布式光纖傳感器采用螺旋狀鋪設(shè)在蒸汽管道

12、表面，管道的局部因侵蝕而變薄，其外表面應(yīng)力應(yīng)變分布會產(chǎn)生相應(yīng)的變化，通過檢測鋪設(shè)光纖的應(yīng)變值來分析管壁厚度的變化。圖5 三維數(shù)值分析結(jié)果脈沖光在傳輸?shù)耐瑫r，不斷產(chǎn)生背向散射光，由時鐘電路計算入射光和接收到散射光的時間差，可實(shí)現(xiàn)散射點(diǎn)的定位。假設(shè)在t=0時刻，脈沖光入射到光纖，經(jīng)過時間t接收到散射光，則光傳播的距離為L=(C/n)*t,其中，C為真空中的光速，n為光纖的折射率。散射光沿與入射光相同的路線返回，則散射點(diǎn)所處位置為Z=L/2=Ct/2n, 這樣便實(shí)現(xiàn)了散射點(diǎn)的定位。管道監(jiān)測中，實(shí)測光纖位置和被測體的對應(yīng)關(guān)系十分重要。將制冷劑噴在所需位置的光纖表面，運(yùn)行NBX-6050，以某一頻率觀察

13、布里淵散射光分布變化情況，只需15秒，即可判斷出該點(diǎn)所對應(yīng)的光纖坐標(biāo)。該方法的定位誤差可控制在5cm左右。圖6 制冷劑噴涂示意圖圖7 某一頻率SBS曲線利用制冷劑噴涂的定位方法，可以快速而有效地實(shí)現(xiàn)光纖坐標(biāo)和實(shí)物坐標(biāo)的對應(yīng)。4.3 檢測結(jié)果分析在正常發(fā)電期內(nèi)實(shí)測數(shù)據(jù)結(jié)果具有很好的穩(wěn)定性，多次測量的結(jié)果，重復(fù)性誤差具有正態(tài)分布特征。圖8 應(yīng)變光的測量結(jié)果及誤差分析通過對管道表面應(yīng)變的測量，定量地分析管道內(nèi)部侵蝕發(fā)展?fàn)顟B(tài)，對異常情況進(jìn)行判斷。從光纖傳感結(jié)合反分析所獲得的壁厚數(shù)據(jù)得出光纖傳感結(jié)合反分析技術(shù)測得的最小壁厚為10.3mm。5 結(jié)論和建議本文對脈沖預(yù)泵浦BOTDA新技術(shù)的工作原理進(jìn)行了介紹

14、，并對分布式光纖的應(yīng)變測量精度和空間分辨率進(jìn)行了驗(yàn)證，最后通過發(fā)電廠蒸汽管道表面應(yīng)變監(jiān)測實(shí)例介紹，證實(shí)脈沖預(yù)泵浦BOTDA 技術(shù)在管道內(nèi)壁侵蝕監(jiān)測的可靠性。并通過實(shí)例得出下面結(jié)論： 脈沖預(yù)泵浦布里淵光時域分析法（PPP-BOTDR）通過改變泵浦光的形態(tài)，在測量的脈沖光發(fā)出前，增加13ns寬的預(yù)泵浦脈沖波來激發(fā)聲子。 通過現(xiàn)場驗(yàn)證，適當(dāng)設(shè)置脈沖光和脈沖預(yù)泵浦光的消光系數(shù)，來自脈沖預(yù)泵浦光的信號能夠被有效控制，實(shí)現(xiàn)10cm的空間分辨率，應(yīng)變測定精度達(dá)到了±7.5。 通過對管道表面應(yīng)變的測量，定量地分析管道內(nèi)部侵蝕發(fā)展?fàn)顟B(tài)，對異常情況進(jìn)行判斷。 通過以上研究可以發(fā)現(xiàn)，利用分布式光纖測量溫度

15、和應(yīng)變有不足之處，應(yīng)用時需加以考慮: 利用分布式光纖測量溫度時要求所測環(huán)境溫度為漸變的，不能變化太快，否則會導(dǎo)致測量結(jié)果偏??；另外，由于受到測溫光纖保護(hù)層耐熱強(qiáng)度的影響，對于高溫的測量光纖也有一定的局限性；利用分布式光纖所測得的應(yīng)變?yōu)樵摫O(jiān)測段的平均應(yīng)變，對于有應(yīng)力集中現(xiàn)象的結(jié)構(gòu)是不能進(jìn)行精確監(jiān)測的，而且對于所測的應(yīng)變方向只能都處理為沿光纖鋪設(shè)方向，這為測量帶了誤差，運(yùn)用時需要考慮到；基于BOTDA 技術(shù)的光纖測量要求被測光纖傳感器必須是一個完整的回路，所以不能探測光纜的斷點(diǎn)，因而被測光纜必須完好，不能有斷點(diǎn)，這對光纜的鋪設(shè)和保護(hù)要求較高，使得其應(yīng)用條件受到一定限制。參考文獻(xiàn)1 江宏，崔何亮.分布式光纖傳感技術(shù)在管線檢測中應(yīng)用.歐美大地儀器設(shè)備中國有限公司，20102 姜 艷，黃榮富.光纖傳感技術(shù)在土木工程結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測中的應(yīng)用J.水利科技與經(jīng)濟(jì)，2