CN1228610C - 一种用于油气管线检测的光纤光栅传感测试*** - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种用光纤光栅传感技术对长输油气管线中腐蚀、裂缝、泄漏、结蜡、结垢等状况进行多点分布检测的***装置，该检测装置包括近红外宽带半导体激光源阵列、波分复用器、光纤双向耦合器、光纤光栅传感器阵列、光谱分析仪及信号传输光缆。半导体激光源阵列发出的近红外连续光信号经波分复用器和双向耦合器传向埋覆在长输油气管线中的光纤光栅传感器阵列，该传感器阵列检测管线中流体温度、压力变化以光纤光栅中心波长偏移的形式反射回双向耦合器，并耦合到光谱分析仪，经计算机控制对信号解调处理，获取管线中的有关物理量变化，从而获得长输油气管线中的输运状况。
Description
技术领域
本发明属于输油气管线检测技术领域，是一种光纤光栅传感技术对输油气管线中腐蚀、裂缝、结腊、结垢等状况进行多参量多点分布检测***，具体地说，是一种用于油气管线检测的光纤光栅传感测试***。
背景技术
管道检测技术是管道工业发达国家竞相研制的高新技术，主要用于检测长距离油气输送管道在使用过程中腐蚀、磨损、裂缝等安全隐患。目前，在长输油气管线检测中基本上是用漏磁法、超声法、涡流法、电磁感应法等，这些方法尽管经历了几十年的发展和完善，但普遍具有探测分辨率低、信号传输与解调复杂、仪器笨重、检测范围窄及操作与显示不方便等不足，特别是易受高温、高压、长距离、电磁场及化学腐蚀等复杂环境因素的影响。近年来虽然在国外一些杂志上报导过光纤传感技术在油气管线检测中的应用，但基本上是常规光纤传感方法，如热辐射式、荧光衰减式、光阻断式等。这些方法一般都是单点、单参量的测试，中国专利00244460.7公开的“集成式光纤应变与温度传感器装置”，其虽然可对单点的应变和温度进行区分测量，但不能进行多点同时区分测量。
光纤光栅作为智能化结构的传感器可以埋覆在被测物体和材料内部对压强、温度、应力、应变、流速、流量、粘度等诸多物理量进行。其检测原理基本上是由被测物理量的变化而引起光纤光栅反射或透射谱的波长偏移、相位变化、偏振态变化及强度变化，通过解调这些光谱变化而达到对被测物理量的检测目的。由于光纤光栅具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、易集成、结构简单等许多本质优点，故自从20世纪70年代问世以来，受到国内外的普遍关注。人们竭力探索它在光通信及光传感方面的应用。美国、加拿大、日本和德国有较深入的研究和开发应用，在民用建筑工程、医疗、环保及航空测试等领域也有一些应用。但利用光纤光栅进行多参量、多点分布测试的研究应用还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于油气管线检测的光纤光栅传感测试***，用光纤光栅传感技术对输油气管线中腐蚀、裂缝、油气泄漏、结腊、结垢等进行多参量、多点分布、动态在线检测，以便科学地掌握管道内外壁腐蚀状况、为管道运行质量进行评价、维修、技术改造提供理论依据。
本发明是这样实现的：
包括宽带光源阵列1、波分复用器2、光路单向隔离器3、光路双向耦合器4和光纤光栅传感器阵列5、信号解调与显示器6、光纤7，宽带光源阵列1与波分复用器2并联耦合连接，波分复用器2、光路单向隔离器3、光路双向耦合器4、光纤光栅传感器阵列5通过光纤7依次连接，信号解调与显示器6和光路双向耦合器4连接。
光路单向隔离器3阻止从传感器阵列5反射的光信号经光路双向耦合器4进入波分复用器2，光路双向耦合器4将入射光送入光纤光栅传感器阵列5，而将光纤光栅传感器阵列5反射的光信号送入信号解调与显示器6。
本发明还采用如下技术方案：
宽带光源阵列1由一个以上的宽带光源组成，每个宽带光源输出功率相同，中心波长不同，带宽相同，每个宽带光源输出功率为1mw，带宽40nm～80nm。
光纤光栅传感器阵列5由分布在同一根光纤7上各个检测点上的光纤光栅传感器FBG组成，每个光纤光栅传感器FBG的耦合谐振中心波长各异，而带宽相同，相邻检测点的间隔距离为10～20米。
宽带光源阵列1与光纤光栅传感器阵列5的波长范围相匹配，宽带光源阵列1的中心波长及波长带宽完全覆盖光纤光栅传感器阵列5所有光纤光栅传感器FBG的耦合谐振波长范围。
宽带光源的数目由被测物体的长度、相邻检测点的距离和宽带光源的带宽确定。
信号解调与显示器6可用光谱分析仪或波长编码与解调、光电转换***。
为了克服温度和压力这两种因素同时对光纤光栅谐振耦合波长偏移量产生交叉敏感，本发明还采用以下技术方案。
在单参量测量时，在各个检测点布置对被测参量敏感而对其他参量不敏感的传感光纤光栅。如在温度测量时，在检测点布置温敏光纤光栅；在压力测量时，在检测点布置力敏光纤光栅。
在双参量测量时，在检测点上分别交替布置对一个测量参量敏感而对另一个参量不敏感的光纤光栅传感器，如在温度和压力的同时区分测量中，在检测点上分别交替布置温敏光纤光栅和力敏光纤光栅，或在一个检测点附近同时布置两个不同传感性能的光纤光栅传感器，这两个光纤光栅传感器间距为100μm～400μm。
***工作时，宽带光源阵列1发出光波序列，各个宽带光源发出的光波中心波长不同，经波分复用器2耦合输出后，各种波长的光波可以在一根光纤7上互不干扰地进行传输，输出波经光路单向隔离器3和光路双向耦合器4，进入光纤光栅传感器阵列5，分布在各检测点上的光纤光栅传感器FBG仅对各自的谐振耦合波长(中心反射波长)的光波进行反射。当检测点附近的环境发生变化，分布在检测点的光钎光栅传感器FBG的中心反射波长产生偏移，光纤光栅传感器阵列5的反射光波反向传输通过光路双向耦合器4进入信号解调与显示器6，得到各被测点位置的测量信息，所以该装置简单、实用。
本发明的优点在于：
1.该测量***与目前管道检测中通用的机械应力应变法、声波法、电磁法相比，具有体积小、重量轻、耐腐蚀、抗电磁干扰、结构简单等特点，还具有集成化、微型化、波分复用、网络化的明显特点。
2.传感光纤光栅能够埋覆在被测物体内实现永久实时在线的智能化检测，更适宜于油气长输管线中的压力、温度、应力、粘度等多参量测试。
3.在一根光纤光缆上可布置上百个光纤光栅传感器，可实现长输油气管线多点同时在线测量。
4.在一个光纤光栅传感检测点上可同时探测2个参量，实现了多点同时区分测量。
5.与长输油气管线常规检测装置相比，具有更高测试灵敏度和更广阔的测量范围。
附图说明
图1为本发明的传感测试***示意图。
具体实施方式
在以下的实施例中，宽带光源为半导体激光器SLD，光路双向耦合器4为3dB2×2光路耦合器，信号解调与显示器6为MS9710C光谱分析仪，温度光纤光栅传感器FBG为环氧树脂聚合物材料封装的硅光纤光栅，压力光纤光栅传感器FBG为聚四氟乙烯封装的硅光纤光栅或塑料光纤光栅，光路单向隔离器3为武汉邮电科学研究院生产的Couple S/N：340322。
实施例1：3km长输油气管线压力多点同时测量。
测量长度为3km，相邻检测点间距20m，所以有150个检测点，即选用150个不同耦合谐振波长的压力光纤光栅传感器，每个光纤光栅传感器带宽为2nm。
每个宽带半导体激光器SLD的输出功率为1mw、工作波长带宽50nm，每个SLD中心波长可以覆盖25个光纤光栅传感器，所以需要6个不同中心波长的SLD，其中心波长分别为λ1＝1300nm、λ2＝1350nm、λ3＝1400nm、λ4＝1450nm、λ5＝1500nm、λ6＝1550nm，6个SLD阵列的工作波长范围为1275nm～1575nm。
根据宽带半导体激光器SLD阵列1的中心波长和带宽范围完全覆盖光纤光栅传感器阵列所有光纤光栅传感器FBG的耦合谐振波长，所以对应的150个压力光纤光栅传感器FBG的耦合谐振中心波长分别为λ1＝1275nm、λ2＝1277nm、λ3＝1279nm、......λ149＝1571nm、λ150＝1573nm。
该实施例的测量***装置如图1所示：其中将150个压力光纤光栅传感器FBG熔接在一根光纤7上，相邻传感器的间距为20m，构成光纤光栅传感器阵列5，埋覆在输油气管内壁，6个宽带半导体激光器SLD与6×6路波分复用器2并联耦合连接，6×6路波分复用器2、光路单向隔离器3、2×2光路耦合器4、压力光纤光栅传感器阵列5通过光纤7依次连接，2×2光路耦合器4与信号解调与显示器6光纤连接。
宽带半导体激光器阵列1发出的不同中心波长光波序列，中心波长分别为λ1＝1300nm、λ2＝1350nm、λ3＝1400nm、λ4＝1450nm、λ5＝1500nm、λ6＝1550nm经6×6路波分复用器2耦合输出，通过单向光路隔离器3和2×2光路耦合器4传入分布在各检测点上的测压光纤光栅传感器FBG，每个光纤光栅传感器FBG将满足耦合谐振波长的光波反射，反射光波信号经2×2光路耦合器4进入信号解调与显示器6，当输油气管线某个检测点附近压力发生变化，引起该检测点上光纤光栅传感器FBG反射波长产生偏移，偏移的反射波信号经2×2光路耦合器4传入信号解调与显示器6，得出该点压力的变化量。
实施例2：2km长输油气管线温度和压力同时区分测量
测量长度为2km，相邻检测点间距10m，所以有200个检测点，即选用不同耦合谐振波长的温度光纤光栅传感器和压力光纤光栅传感器各100个，每个光纤光栅传感器带宽为2nm。
每个宽带半导体激光器SLD的输出功率为1mw、工作波长带宽80nm，每个SLD中心波长可以覆盖40个光纤光栅传感器，所以需要5个不同中心波长的SLD，其中心波长分别为λ1＝1300nm、λ2＝1380nm、λ3＝1460nm、λ4＝1540nm、λ5＝1620nm、5个SLD阵列的工作波长范围为1260nm～1660nm。
根据宽带半导体激光器SLD阵列1的中心波长和带宽范围完全覆盖光纤光栅传感器阵列所有光纤光栅传感器FBG的耦合谐振波长，所以对应的100个压力光纤光栅传感器FBG和100个温度光纤光栅传感器FBG的耦合谐振中心波长分别为λ1＝1261nm、λ2＝1263nm、λ3＝1265nm、......λ199＝1657nm、λ200＝1659nm。
该实施例的测量***装置如图1所示：其中将100个压力光纤光栅传感器FBG和100个温度光纤光栅传感器FBG分别交替熔接在一根光纤7上，相邻传感器的间距为10m，构成光纤光栅传感器阵列5，埋覆在输油气管内壁，5个宽带半导体激光器SLD与5×5路波分复用器2并联耦合连接，5×5路波分复用器2、光路单向隔离器3、2×2光路耦合器4、光纤光栅传感器阵列5通过光纤7依次连接，2×2光路耦合器4与信号解调与显示器6光纤连接。
实施例3：2km长输油气管线温度和压力同时区分测量
本实施例的原理与实施例2相同，
本实施例的原理与实施例2相同，其不同之处是在每个检测点附近同时布置一个温度光纤光栅传感器和一个压力光纤光栅传感器，这两个光纤光栅传感器间距为100μm～400μm。
测量长度为2km，相邻检测点间距20m，所以有100个检测点，每个检测点附近同时布置温度光纤光栅传感器和压力光纤光栅传感器各1个，选用不同耦合谐振波长的温度光纤光栅传感器和压力光纤光栅传感器各100个，每个光纤光栅传感器带宽为2nm。
每个宽带半导体激光器SLD的输出功率为1mw、工作波长带宽80nm，每个SLD中心波长可以覆盖40个光纤光栅传感器，所以需要5个不同中心波长的SLD，其中心波长分别为λ1＝1300nm、λ2＝1380nm、λ3＝1460nm、λ4＝1540nm、λ5＝1620nm、5个SLD阵列的工作波长范围为1260nm～1660nm。
根据宽带半导体激光器SLD阵列1的中心波长和带宽范围完全覆盖光纤光栅传感器阵列所有光纤光栅传感器FBG的耦合谐振波长，所以对应的100个压力光纤光栅传感器FBG和100个温度光纤光栅传感器FBG的耦合谐振中心波长分别为λ1＝1261nm、λ2＝1263nm、λ3＝1265nm、......λ199＝1657nm、λ200＝1659nm。
该实施例的测量***装置如图1所示：其中在每个检测点附近布置一个压力光纤光栅传感器和1个温度光纤光栅传感器，各检测点上的光纤光栅传感器熔接在一根光纤7上，相邻传感器的间距为20m，构成光纤光栅传感器阵列5，埋覆在输油气管内壁，5个宽带半导体激光器SLD与5×5路波分复用器2并联耦合连接，5×5路波分复用器2、光路单向隔离器3、2×2光路耦合器4、光纤光栅传感器阵列5通过光纤7依次连接，2×2光路耦合器4与信号解调与显示器6光纤连接。
实施例4：2km长输油气管线应力和压力同时区分测量
本实施例的原理与实施例3相同，其不同之处在于采用了同一申请人在先申请的中国专利(申请号02246122.1，一种用于油气管道检测的光纤光栅传感器)，其优点是该传感器将测应力光纤光栅和测压力光纤光栅封装在一起，可以同时测量某一检测点上应力和压力的变化。
其具体实施是将实施例3中每个检测点上的两个光纤光栅换成相同耦合谐振波长和带宽的该光纤光栅传感器，其他装置和技术指标与实施例3相同。
Claims (6)
1、一种用于油气管线检测的光纤光栅传感测试***，包括宽带光源阵列(1)、波分复用器(2)、光路单向隔离器(3)、光路双向耦合器(4)和光纤光栅传感器阵列(5)、信号解调与显示器(6)、光纤(7)，其特征在于：宽带光源阵列(1)与波分复用器(2)并联耦合连接，波分复用器(2)、光路单向隔离器(3)、光路双向耦合器(4)、光纤光栅传感器阵列(5)通过光纤(7)依次连接，光路双向耦合器(4)和信号解调与显示器(6)连接。
2、根据权利要求1所述的一种用于油气管线检测的光纤光栅传感测试***，其特征在于：宽带光源阵列(1)由一个以上宽带光源组成，每个宽带光源输出功率相同，中心波长各异，带宽相同，每个宽带光源输出功率为1mw，带宽为40nm～80nm。
3、根据权利要求1所述的一种用于油气管线检测的光纤光栅传感测试***，其特征在于：光纤光栅传感器阵列(5)由分布在同一根光纤(7)上各个检测点上的光纤光栅传感器组成，每个光纤光栅传感器的耦合谐振中心波长各异而带宽相同，相邻检测点的间隔距离为10～20米。
4、根据权利要求1～3所述的一种用于油气管线检测的光纤光栅传感测试***，其特征在于：宽带光源阵列(1)与光纤光栅传感器阵列(5)的波长范围相匹配，宽带光源阵列(1)的中心波长及波长带宽完全覆盖光纤光栅传感器阵列(5)所有光纤光栅传感器的耦合谐振波长范围。
5、根据权利要求1～3所述的一种用于油气管线检测的光纤光栅传感测试***，其特征在于：在单参量测量时，在各个检测点布置对被测参量敏感的光纤光栅传感器。
6、根据权利要求1～3所述的一种用于油气管线检测的光纤光栅传感测试***，其特征在于：在双参量测量时，在检测点上分别交替布置传感性能相异的光纤光栅传感器；或在同一个检测点附近同时布置两个传感性能相异的光纤光栅传感器，两个光纤光栅传感器的间距为100μm～400μm。
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