基于法珀（F-P）光纤传感技术管道压力在线监测方法研究

衣文索，李静芳

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130000）

基于法珀（F-P）光纤传感技术管道压力在线监测方法研究

衣文索，李静芳

（长春理工大学 光电工程学院，长春 130000）

目前油气输送中的管道压力检测是该工程领域急待解决的问题之一，本文提出基于法布里-珀罗（Fabry-Perot）光纤传感技术对回波信号进行傅立叶变化分析的方法，根据光波光谱强度特性参数的变化特点对管道压力变换进行定性、定量分析，实现管道压力的实时监测，测试数据表明该方法具有良好的噪声抑制能力和较高的接收灵敏度。

傅里叶变换；法布里-珀罗干涉；石油管道；光谱影响

0 引言

管道是输送油气的主要途径之一，外力、腐蚀或其他因素都会导致管道运送途中出现穿孔、泄漏、爆破的危险，所以对管道压力的实时检测可以预防管道泄漏等事故的发生，同时也可对发生泄漏事故的管道进行及时定位及维修。

以前工程上通常采用电压力传感器，通常这种方法的电磁干扰会大幅度影响测量值的准确度，而光纤以光波为载体，光纤为媒介，感知和传输被测量信号发挥了不可代替的作用，光纤传感器相比电传感器有：电绝缘、抗电磁干扰，易为探测器接收、灵敏度高、易于集成化、耐压耐腐蚀等优点，对于检测石油管道压力的光纤传感器，多采用布拉格光纤光栅传感器，优点是存活寿命长，成本较低，技术成熟，但是以光纤光栅的波长作为传感媒介，通过波长漂移来感知外界物理参量的变化，欲加宽测量范围就必须采用宽带光源，而欲提高分辨率就必须压制反射带宽，这就大幅度降低的光源的利用率，加之光源的分线性分布造成的周期性跳变，如果过多的降低光源的利用率，可能造成压力检测的大幅度偏差，给油田管道测量带来巨大的隐患，所以必须解决两个技术难题：1）消除光纤光栅的弹性衬底元件的弹性迟滞和带宽比例［1］，2）消除温度和应力同时对FBG交叉敏感的影响［2-3］，本文采用F-P干涉仪原理来检测石油管道中的压力参数，可以很好的避免以上问题，同时运用傅里叶变换来抑制光谱影响。

1 法布里-珀罗光纤传感器

1.1 法珀干涉原理

光纤传感器技术是光波在光纤中传播时，其光波特性参量（振幅、相位、频率、偏振态等）随着外界因素（温度、压力、电场、磁场、振动等）的作用而发生变化，通过测量这些光波特性参量，便可确定作用在光纤外面物理量的大小，考虑到石油管道中的特殊环境，本文采用了法布里-珀罗传感器。

法布里-珀罗光纤干涉原理是光纤内部有一对平行反射膜镜，两板之间是距离为t的腔长，当光束进入光纤时，经过多次反射和折射，产生多束光束，多光束反射相遇后产生干涉，其原理图如图1所示，光从折射率为n1的物质以角度α1的入射角进入腔长t，折射率为n2的平行板中，光在板中折射角度为

每一束透射光相对于前一束而言，多经历了在两平行镀膜面之间的两次相同反射和期间的传输损耗，（对于确定的腔长，其衰减系数为一稳定值α），故相邻的投射光成比例，相位差恒定，传播方向平行。

任意两束光光程差为：

图1 法珀干涉原理图

相位差为：

在忽略损耗理想情况下，反射光强分布：

其中I0为入射光强，F为F-P干涉仪的精细度系数为：

其中R为反射膜镜的反射率。

1.2 法珀传感器

图2 法珀传感器系统图

图3 （a）与（b）为法布里-珀罗腔长t分别为30um与70um两种情况下，传感器输出的不同光强分布示意图，就可以求出传感器腔长t，得出其感受的应变。

图3 传感器输出的不同光强分布示意图

3 解调算法

光纤法珀压力传感器原理是干涉原理，将两根单模光纤的端面加工成高膜反射面或者是反射镜，按照上节的法珀干涉原理，在理想情况下，光强和波长的关系如图4所示，但是在实际工程中，没有理想光源，任何一种实际的光源，发出的光强都是不同的，其强度随波长的分布呈如图5所示的高斯分布［5］：

图4 理想光源下光强分布

图5 实际高斯光源

其中λP是光源光谱的峰值波长，B是光源光谱带宽，根据v=c/λ，可得［6］：

取一阶近似值，带入式（6）可得：

即对光源还可以遵循高斯分布，则反射光强输出信号强度为：

对式（9）做傅里叶变换，可得：

通过检峰信号，求得中心频率Ωl为：

进一步可求得法珀传感器的腔长为：

4 法珀光纤传感器

在油田管道的实际应用中，用波长为830nm的光源，将光源、耦合器、光谱分析、光探测功能模块、处理电路进行集成一体，称为光纤解调仪，在油田管道中放入法珀光纤传感器，运用光纤法珀解调仪，利用其专有客户端软件在上位机上对接收到的信号进行分析，处理，显示，打印报警等，如图6所示，其进行实验的数据结果如图7所示。

图6 工程应用原理图

图7 测试结果图

5 结语

采用F-P干涉仪原理来检测石油管道中的压力参数，对压力的显示及时做出分析、定位及维修，可以很好的避免光源以及光谱背景噪声的影响问题，同时运用傅里叶变换来抑制光谱影响，通过把光源、耦合器、光探测器及处理电路合并为一的光纤解调仪的使用，利用傅立叶算法的变化使其于腔长的关系，可以更加安全可靠的对管道中压力进行实时检测、监控、处理，使油田管道使用中更加安全。

［1］ 王洪亮，乔学光，冯德全，等.温度和应力迟滞自补偿型光纤光栅传感器的研究［J］.仪器仪表学报，2007（3）：550-554.

［2］ 李川，孙宇，吴晟，等.分离应变和温度的差动光纤布拉格光栅传感器［J］.仪表技术与传感，2004（3）：10-11.

［3］ 吕且妮，张以谟，刘铁根，等.光纤光栅传感器测量中的交叉敏感研究［J］.天津大学学报，2002，35（4）：425-428.

［4］ 李成.光纤法珀压力传感器的研究［D］.成都：电子科技大学，2013（5）：9-11.

［5］ 孙吉勇，陈伟民，朱永，等.光源光谱对光纤法布里-珀罗应变传感器系统的影响［J］.光学学报，2002，22（5）：596-600.

［6］ 周鑫磊.高精度光纤传感器系统及其在油田测井中的应用，2012（9）：19-30.

责任编辑：吴旭云

Research of PiPeline Pressure On-line M onitoring Based on Fabry-Perot OPtical Fiber Sensing Technology

YIWensuo，LI Jingfang
（School of OPtoElectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022，China）

Currently，the PiPeline Pressure detection in the Process of the transPortation of oil and gas is one of the Problems to be solved in engineering field.Based on Fabry-Perot oPtical fiber sensing technology，this PaPer Presents amethod for Fourier transform analysis on echo signals，whichmakes a qualitative and quantitative analysis on the PiPeline Pressure transform according to the changing characteristics of the intensity Parameters ofwave and sPectrum，realizing the real-timemonitoring on PiPeline Pressure.The test data shows that themethod has good noise suPPression and high receiving sensitivity.

Fourier transform；Fabry-Perot interference；oil PiPeline；sPectrum imPact

TP212.4+4

A

1009-3907（2015）06-0001-04

2014-09-15

衣文索（1971-），男，吉林辉南人，副教授，博士，主要从事信号检测方面研究；李静芳（1986-），女，河北张家口人，硕士研究生，主要从事仪器科学与技术方面研究。