分布式光纖聲波傳感

分布式光纖聲波傳感系統是一種基于分布式光纖傳感技術發展起來的測量系統。它是基于光信號在光纖傳播過程中產生的瑞利散射效應、光時域反射技術(OTDR)原理,集成了光學、電子學、機械和數字信號處理等多門學科的綜合性新型分布式光纖傳感技術系統。在此系統中,光纖既是光信號傳輸煤質,也是外界信息感知的器件,因此可以對光纖沿線的外界聲波信息、振動信息進行連續快速的測量。

分布式光纖傳感器具有損耗低、體積小、重量輕、靈敏度高、耐腐蝕性強、抗電磁干擾、無需電源和成本低等多種優點,彌補了傳統電學傳感器在監測范圍和系統可靠性等方面的不足,在短短幾十年時間內得到飛速發展。人們利用各種光纖傳感器已經順利實現對溫度、濃度、壓力、振動、位移和折射率等變化量的測量。迄今為止,各種類型的光纖傳感器已被廣泛應用于周界安防、航空航天、管道監測、電力工程和生物醫學等領域。其中,實用價值最高的當屬分布式光纖傳感系統。

用于變電站溫度監測的光纖測溫系統,通過采用基于拉曼散射測溫技術的分布式光纖溫度測試,在一根光纖上即可準確及時地定位溫度異常點;同時系統設有多級定溫報警值和溫升速率報警,實時顯示溫度分布曲線,在火災發生前做到早期預警,解決了現有測溫系統僅能被動地設置一個溫度閾值容易出現誤判,且不能準確定位事故點位置的問題。用基于拉曼散射測溫技術的分布式光纖溫度測試,在一根光纖上即可準確及時地定位溫度異常點;同時系統設有多級定溫報警值和溫升速率報警,實時顯示溫度分布曲線,在火災發生前做到早期預警,大大降低變電站的火災發生概率。

目前油氣管道是石油天然氣工程中的重要組成部分,由于腐蝕、焊縫缺陷、外界震動甚至偷盜破壞等原因引起的管道泄漏、防腐層破壞和法蘭、螺紋扣及填料函等管道連接部位的泄漏和腐蝕變得愈加嚴重。管道發生泄漏不光會導致其輸送受阻,更會對環境造成污染,甚至引發爆炸火災等事故,需要耗費大量人力物力進行監測、維護、治理。所以對管道泄漏的提前預防、及時預警和定位有著非常重要的實際意義。

同時,油氣在運輸過程中需要進行加溫以促進流動,加溫裝置將石油加熱至一定溫度然后在管道內運輸。然而,過度的加溫會造成資源浪費,增加油氣運輸成本,如何合理設置加溫,對油氣工程的能耗控制有重要意義。石油在管道內溫度會降低,形成隨運輸距離遞減的溫度梯度,該溫度的實時、分布式監測數值,能夠作為加溫反饋控制的重要依據,對于合理溫度控制、降低運輸能耗有重要作用。一種油氣管道綜合監測系統,在油氣管道內部設置有光纜,光纜連接光纖監測主機,光纜實時感應油氣管道的振動信號,并傳輸給光纖監測主機以探測油氣管道在不同位置的泄漏狀態。其中,振動信號主要可反應外界的外界振動甚至偷盜破壞的情況。

分布式光纖測溫系統是用于實時測量溫度空間分布的技術,可廣泛應用于煤礦、隧道、大型建筑、輸電線纜、電纜橋架等溫度檢測和火災預警。分布式光纖測溫系統主要運用光纖內的自發拉曼散射原理來測溫,用光時域反射原理來定位,實現對溫度場的實施測量的溫度傳感系統。

目前經濟的高速發展使得社會對水油氣等能源資源的需求急劇增長,管道運輸由于高效、經濟、可適應性強的特點而成為重要的水、油、氣能源運輸方式。輸水管道一旦遭到惡意挖掘、打孔或者地質災害所致管道破裂損壞等入侵事件,將會被破壞甚至導致環境污染和經濟損失。為了維護管道沿線安全,防止人為破壞或環境破壞,需要對水管管道工作狀態進行實時在線監測,并對具有威脅性的入侵事件進行及時、準確地預先報警。因此,管道安全監測技術對維護管道運輸具有重要作用,且具有社會和經濟意義。

基于相位敏感光時域反射原理(Φ-OTDR)的分布式光纖傳感系統具有結構簡單、檢測距離長、可同時對多個擾動進行定位、分辨率高、定位精度準確等優點,應用在供水管道泄漏監測上可以實時檢測和定位泄露位置,且對管道不會產生任何破壞或影響其正常運行。分布式光纖聲傳感(distributed acoustic sensing,DAS)基于Φ-OTDR技術,通過檢測傳感光纖中背向瑞利散射光的相位信號來實現分布式聲音或振動等信號的檢測,不僅可以利用相位、幅值大小提供聲音或振動事件強度信息,還利用線性定量測量值來實現對聲音時間相位和頻率信息的獲取。

關鍵詞:

光纖聯系

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