專利名稱：一種用于油氣管線檢測的光纖光柵傳感測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
涉及領(lǐng)域本實(shí)用新型屬于輸油氣管線檢測技術(shù)領(lǐng)域，是一種光纖光柵傳感技術(shù)對輸油氣管線中腐蝕、裂縫、結(jié)臘、結(jié)垢等狀況進(jìn)行多參量多點(diǎn)分布檢測系統(tǒng)，具體地說，是一種用于油氣管線檢測的光纖光柵傳感測試系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
管道檢測技術(shù)是管道工業(yè)發(fā)達(dá)國家競相研制的高新技術(shù)，主要用于檢測長距離油氣輸送管道在使用過程中腐蝕、磨損、裂縫等安全隱患。目前，在長輸油氣管線檢測中基本上是用漏磁法、超聲法、渦流法、電磁感應(yīng)法等，這些方法盡管經(jīng)歷了幾十年的發(fā)展和完善，但普遍具有探測分辨率低、信號傳輸與解調(diào)復(fù)雜、儀器笨重、檢測范圍窄及操作與顯示不方便等不足，特別是易受高溫、高壓、長距離、電磁場及化學(xué)腐蝕等復(fù)雜環(huán)境因素的影響。近年來雖然在國外一些雜志上報(bào)導(dǎo)過光纖傳感技術(shù)在油氣管線檢測中的應(yīng)用，但基本上是常規(guī)光纖傳感方法，如熱輻射式、熒光衰減式、光阻斷式等。這些方法一般都是單點(diǎn)、單參量的測試，中國專利00244460.7公開的“集成式光纖應(yīng)變與溫度傳感器裝置”，其雖然可對單點(diǎn)的應(yīng)變和溫度進(jìn)行區(qū)分測量，但不能進(jìn)行多點(diǎn)同時區(qū)分測量。
光纖光柵作為智能化結(jié)構(gòu)的傳感器可以埋覆在被測物體和材料內(nèi)部對壓強(qiáng)、溫度、應(yīng)力、應(yīng)變、流速、流量、粘度等諸多物理量進(jìn)行。其檢測原理基本上是由被測物理量的變化而引起光纖光柵反射或透射譜的波長偏移、相位變化、偏振態(tài)變化及強(qiáng)度變化，通過解調(diào)這些光譜變化而達(dá)到對被測物理量的檢測目的。由于光纖光柵具有體積小、重量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾、易集成、結(jié)構(gòu)簡單等許多本質(zhì)優(yōu)點(diǎn)，故自從20世紀(jì)70年代問世以來，受到國內(nèi)外的普遍關(guān)注。人們竭力探索它在光通信及光傳感方面的應(yīng)用。美國、加拿大、日本和德國有較深入的研究和開發(fā)應(yīng)用，在民用建筑工程、醫(yī)療、環(huán)保及航空測試等領(lǐng)域也有一些應(yīng)用。但利用光纖光柵進(jìn)行多參量、多點(diǎn)分布測試的研究應(yīng)用還未見報(bào)道。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于提供一種用于油氣管線檢測的光纖光柵傳感測試系統(tǒng)，用光纖光柵傳感技術(shù)對輸油氣管線中腐蝕、裂縫、油氣泄漏、結(jié)臘、結(jié)垢等進(jìn)行多參量、多點(diǎn)分布、動態(tài)在線檢測，以便科學(xué)地掌握管道內(nèi)外壁腐蝕狀況、為管道運(yùn)行質(zhì)量進(jìn)行評價、維修、技術(shù)改造提供理論依據(jù)。
本實(shí)用新型是這樣實(shí)現(xiàn)的包括寬帶光源陣列1、波分復(fù)用器2、光路單向隔離器3、光路雙向耦合器4和光纖光柵傳感器陣列5、信號解調(diào)與顯示器6、光纖7，寬帶光源陣列1與波分復(fù)用器2并聯(lián)耦合連接，波分復(fù)用器2、光路單向隔離器3、光路雙向耦合器4、光纖光柵傳感器陣列5通過光纖7依次連接，信號解調(diào)與顯示器6和光路雙向耦合器4連接。
光路單向隔離器3阻止從傳感器陣列5反射的光信號經(jīng)光路雙向耦合器4進(jìn)入波分復(fù)用器2，光路雙向耦合器4將入射光送入光纖光柵傳感器陣列5，而將光纖光柵傳感器陣列5反射的光信號送入信號解調(diào)與顯示器6。
本實(shí)用新型還采用如下技術(shù)方案寬帶光源陣列1由一個以上的寬帶光源組成，每個寬帶光源輸出功率相同，中心波長不同，帶寬相同，每個寬帶光源輸出功率為1mw，帶寬40nm～80nm。
光纖光柵傳感器陣列5由分布在同一根光纖7上各個檢測點(diǎn)上的光纖光柵傳感器FBG組成，每個光纖光柵傳感器FBG的耦合諧振中心波長各異，而帶寬相同，相鄰檢測點(diǎn)的間隔距離為10～20米。
寬帶光源陣列1與光纖光柵傳感器陣列5的波長范圍相匹配，寬帶光源陣列1的中心波長及波長帶寬完全覆蓋光纖光柵傳感器陣列5所有光纖光柵傳感器FBG的耦合諧振波長范圍。
寬帶光源的數(shù)目由被測物體的長度、相鄰檢測點(diǎn)的距離和寬帶光源的帶寬確定。
信號解調(diào)與顯示器6可用光譜分析儀或波長編碼與解調(diào)、光電轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。
為了克服溫度和壓力這兩種因素同時對光纖光柵諧振耦合波長偏移量產(chǎn)生交叉敏感，本發(fā)明還采用以下技術(shù)方案。
在單參量測量時，在各個檢測點(diǎn)布置對被測參量敏感而對其他參量不敏感的傳感光纖光柵。如在溫度測量時，在檢測點(diǎn)布置溫敏光纖光柵；在壓力測量時，在檢測點(diǎn)布置力敏光纖光柵。
在雙參量測量時，在檢測點(diǎn)上分別交替布置對一個測量參量敏感而對另一個參量不敏感的光纖光柵傳感器，如在溫度和壓力的同時區(qū)分測量中，在檢測點(diǎn)上分別交替布置溫敏光纖光柵和力敏光纖光柵，或在一個檢測點(diǎn)附近同時布置兩個不同傳感性能的光纖光柵傳感器，這兩個光纖光柵傳感器間距為100μm～400μm。
系統(tǒng)工作時，寬帶光源陣列1發(fā)出光波序列，各個寬帶光源發(fā)出的光波中心波長不同，經(jīng)波分復(fù)用器2耦合輸出后，各種波長的光波可以在一根光纖7上互不干擾地進(jìn)行傳輸，輸出波經(jīng)光路單向隔離器3和光路雙向耦合器4，進(jìn)入光纖光柵傳感器陣列5，分布在各檢測點(diǎn)上的光纖光柵傳感器FBG僅對各自的諧振耦合波長(中心反射波長)的光波進(jìn)行反射。當(dāng)檢測點(diǎn)附近的環(huán)境發(fā)生變化，分布在檢測點(diǎn)的光釬光柵傳感器FBG的中心反射波長產(chǎn)生偏移，光纖光柵傳感器陣列5的反射光波反向傳輸通過光路雙向耦合器4進(jìn)入信號解調(diào)與顯示器6，得到各被測點(diǎn)位置的測量信息，所以該裝置簡單、實(shí)用。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于1.該測量系統(tǒng)與目前管道檢測中通用的機(jī)械應(yīng)力應(yīng)變法、聲波法、電磁法相比，具有體積小、重量輕、耐腐蝕、抗電磁干擾、結(jié)構(gòu)簡單等特點(diǎn)，還具有集成化、微型化、波分復(fù)用、網(wǎng)絡(luò)化的明顯特點(diǎn)。
2.傳感光纖光柵能夠埋覆在被測物體內(nèi)實(shí)現(xiàn)永久實(shí)時在線的智能化檢測，更適宜于油氣長輸管線中的壓力、溫度、應(yīng)力、粘度等多參量測試。
3.在一根光纖光纜上可布置上百個光纖光柵傳感器，可實(shí)現(xiàn)長輸油氣管線多點(diǎn)同時在線測量。
4.在一個光纖光柵傳感檢測點(diǎn)上可同時探測2個參量，實(shí)現(xiàn)了多點(diǎn)同時區(qū)分測量。
5.與長輸油氣管線常規(guī)檢測裝置相比，具有更高測試靈敏度和更廣闊的測量范圍。
圖1為本實(shí)用新型的傳感測試系統(tǒng)示意圖。
具體實(shí)施在以下的實(shí)施例中，寬帶光源為半導(dǎo)體激光器SLD，光路雙向耦合器4為3dB2×2光路耦合器，信號解調(diào)與顯示器6為MS9710C光譜分析儀，溫度光纖光柵傳感器FBG為環(huán)氧樹脂聚合物材料封裝的硅光纖光柵，壓力光纖光柵傳感器FBG為聚四氟乙烯封裝的硅光纖光柵或塑料光纖光柵，光路單向隔離器3為武漢郵電科學(xué)研究院生產(chǎn)的Couple S/N340322。
實(shí)施例13km長輸油氣管線壓力多點(diǎn)同時測量。
測量長度為3km，相鄰檢測點(diǎn)間距20m，所以有150個檢測點(diǎn)，即選用150個不同耦合諧振波長的壓力光纖光柵傳感器，每個光纖光柵傳感器帶寬為2nm。
每個寬帶半導(dǎo)體激光器SLD的輸出功率為1mw、工作波長帶寬50nm，每個SLD中心波長可以覆蓋25個光纖光柵傳感器，所以需要6個不同中心波長的SLD，其中心波長分別為λ1＝1300nm、λ2＝1350nm、λ3＝1400nm、λ4＝1450nm、λ5＝1500nm、λ6＝1550nm，6個SLD陣列的工作波長范圍為1275nm～1575nm。
根據(jù)寬帶半導(dǎo)體激光器SLD陣列1的中心波長和帶寬范圍完全覆蓋光纖光柵傳感器陣列所有光纖光柵傳感器FBG的耦合諧振波長，所以對應(yīng)的150個壓力光纖光柵傳感器FBG的耦合諧振中心波長分別為λ1＝1275nm、λ2＝1277nm、λ3＝1279nm、......λ149＝1571nm、λ150＝1573nm。
該實(shí)施例的測量系統(tǒng)裝置如圖1所示其中將150個壓力光纖光柵傳感器FBG熔接在一根光纖7上，相鄰傳感器的間距為20m，構(gòu)成光纖光柵傳感器陣列5，埋覆在輸油氣管內(nèi)壁，6個寬帶半導(dǎo)體激光器SLD與6×6路波分復(fù)用器2并聯(lián)耦合連接，6×6路波分復(fù)用器2、光路單向隔離器3、2×2光路耦合器4、壓力光纖光柵傳感器陣列5通過光纖7依次連接，2×2光路耦合器4與信號解調(diào)與顯示器6光纖連接。
寬帶半導(dǎo)體激光器陣列1發(fā)出的不同中心波長光波序列，中心波長分別為λ1＝1300nm、λ2＝1350nm、λ3＝1400nm、λ4＝1450nm、λ5＝1500nm、λ6＝1550nm經(jīng)6×6路波分復(fù)用器2耦合輸出，通過單向光路隔離器3和2×2光路耦合器4傳入分布在各檢測點(diǎn)上的測壓光纖光柵傳感器FBG，每個光纖光柵傳感器FBG將滿足耦合諧振波長的光波反射，反射光波信號經(jīng)2×2光路耦合器4進(jìn)入信號解調(diào)與顯示器6，當(dāng)輸油氣管線某個檢測點(diǎn)附近壓力發(fā)生變化，引起該檢測點(diǎn)上光纖光柵傳感器FBG反射波長產(chǎn)生偏移，偏移的反射波信號經(jīng)2×2光路耦合器4傳入信號解調(diào)與顯示器6，得出該點(diǎn)壓力的變化量。
實(shí)施例22km長輸油氣管線溫度和壓力同時區(qū)分測量測量長度為2km，相鄰檢測點(diǎn)間距10m，所以有200個檢測點(diǎn)，即選用不同耦合諧振波長的溫度光纖光柵傳感器和壓力光纖光柵傳感器各100個，每個光纖光柵傳感器帶寬為2nm。
每個寬帶半導(dǎo)體激光器SLD的輸出功率為1mw、工作波長帶寬80nm，每個SLD中心波長可以覆蓋40個光纖光柵傳感器，所以需要5個不同中心波長的SLD，其中心波長分別為λ1＝1300nm、λ2＝1380nm、λ3＝1460nm、λ4＝1540nm、λ5＝1620nm、5個SLD陣列的工作波長范圍為1260nm～1660nm。
根據(jù)寬帶半導(dǎo)體激光器SLD陣列1的中心波長和帶寬范圍完全覆蓋光纖光柵傳感器陣列所有光纖光柵傳感器FBG的耦合諧振波長，所以對應(yīng)的100個壓力光纖光柵傳感器FBG和100個溫度光纖光柵傳感器FBG的耦合諧振中心波長分別為λ1＝1261nm、λ2＝1263nm、λ3＝1265nm、......λ199＝1657nm、λ200＝1659nm。
該實(shí)施例的測量系統(tǒng)裝置如圖1所示其中將100個壓力光纖光柵傳感器FBG和100個溫度光纖光柵傳感器FBG分別交替熔接在一根光纖7上，相鄰傳感器的間距為10m，構(gòu)成光纖光柵傳感器陣列5，埋覆在輸油氣管內(nèi)壁，5個寬帶半導(dǎo)體激光器SLD與5×5路波分復(fù)用器2并聯(lián)耦合連接，5×5路波分復(fù)用器2、光路單向隔離器3、2×2光路耦合器4、光纖光柵傳感器陣列5通過光纖7依次連接，2×2光路耦合器4與信號解調(diào)與顯示器6光纖連接。
實(shí)施例32km長輸油氣管線溫度和壓力同時區(qū)分測量本實(shí)施例的原理與實(shí)施例2相同，本實(shí)施例的原理與實(shí)施例2相同，其不同之處是在每個檢測點(diǎn)附近同時布置一個溫度光纖光柵傳感器和一個壓力光纖光柵傳感器，這兩個光纖光柵傳感器間距為100μm～400μm。
測量長度為2km，相鄰檢測點(diǎn)間距20m，所以有100個檢測點(diǎn)，每個檢測點(diǎn)附近同時布置溫度光纖光柵傳感器和壓力光纖光柵傳感器各1個，選用不同耦合諧振中心波長的溫度光纖光柵傳感器和壓力光纖光柵傳感器各100個，每個光纖光柵傳感器帶寬為2nm。
每個寬帶半導(dǎo)體激光器SLD的輸出功率為1mw、工作波長帶寬80nm，每個SLD中心波長可以覆蓋40個光纖光柵傳感器，所以需要5個不同中心波長的SLD，其中心波長分別為λ1＝1300nm、λ2＝1380nm、λ3＝1460nm、λ4＝1540nm、λ5＝1620nm、5個SLD陣列的工作波長范圍為1260nm～1660nm。
根據(jù)寬帶半導(dǎo)體激光器SLD陣列1的中心波長和帶寬范圍完全覆蓋光纖光柵傳感器陣列所有光纖光柵傳感器FBG的耦合諧振波長，所以對應(yīng)的100個壓力光纖光柵傳感器FBG和100個溫度光纖光柵傳感器FBG的耦合諧振中心波長分別為λ1＝1261nm、λ2＝1263nm、λ3＝1265nm、......λ199＝1657nm、λ200＝1659nm。
該實(shí)施例的測量系統(tǒng)裝置如圖1所示其中在每個檢測點(diǎn)附近布置一個壓力光纖光柵傳感器和1個溫度光纖光柵傳感器，各檢測點(diǎn)上的光纖光柵傳感器熔接在一根光纖7上，相鄰傳感器的間距為20m，構(gòu)成光纖光柵傳感器陣列5，埋覆在輸油氣管內(nèi)壁，5個寬帶半導(dǎo)體激光器SLD與5×5路波分復(fù)用器2并聯(lián)耦合連接，5×5路波分復(fù)用器2、光路單向隔離器3、2×2光路耦合器4、光纖光柵傳感器陣列5通過光纖7依次連接，2×2光路耦合器4與信號解調(diào)與顯示器6光纖連接。
實(shí)施例42km長輸油氣管線應(yīng)力和壓力同時區(qū)分測量本實(shí)施例的原理與實(shí)施例3相同，其不同之處在于采用了同一申請人在先申請的中國專利(申請?zhí)?2246122.1，一種用于油氣管道檢測的光纖光柵傳感器)，其優(yōu)點(diǎn)是該傳感器將測應(yīng)力光纖光柵和測壓力光纖光柵封裝在一起，可以同時測量某一檢測點(diǎn)上應(yīng)力和壓力的變化。
其具體實(shí)施是將實(shí)施例3中每個檢測點(diǎn)上的兩個光纖光柵換成相同耦合諧振波長和帶寬的該光纖光柵傳感器，其他裝置和技術(shù)指標(biāo)與實(shí)施例3相同。
權(quán)利要求1.一種用于油氣管線檢測的光纖光柵傳感測試系統(tǒng)，包括寬帶光源陣列1、波分復(fù)用器2、光路單向隔離器3、光路雙向耦合器4和光纖光柵傳感器陣列5、信號解調(diào)與顯示器6、光纖7，其特征在于寬帶光源陣列1與波分復(fù)用器2并聯(lián)耦合連接，波分復(fù)用器2、光路單向隔離器3、光路雙向耦合器4、光纖光柵傳感器陣列5通過光纖7依次連接，光路雙向耦合器4和信號解調(diào)與顯示器6連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于油氣管線檢測的光纖光柵傳感測試系統(tǒng)，其特征在于寬帶光源陣列1由一個以上寬帶光源組成，每個寬帶光源輸出功率相同，中心波長各異，帶寬相同，每個寬帶光源輸出功率為1mw，帶寬為40nm～80nm。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于油氣管線檢測的光纖光柵傳感測試系統(tǒng)，其特征在于光纖光柵傳感器陣列5由分布在同一根光纖7上各個檢測點(diǎn)上的光纖光柵傳感器FBG組成，每個光纖光柵傳感器FBG的耦合諧振中心波長各異而帶寬相同，相鄰檢測點(diǎn)的間隔距離為10～20米。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3所述的一種用于油氣管線檢測的光纖光柵傳感測試系統(tǒng)，其特征在于寬帶光源陣列1與光纖光柵傳感器陣列5的波長范圍相匹配，寬帶光源陣列1的中心波長及波長帶寬覆蓋光纖光柵傳感器陣列所有光纖光柵傳感器FBG的耦合諧振波長范圍。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4所述的一種用于油氣管線檢測的光纖光柵傳感測試系統(tǒng)，其特征在于在單參量測量時，在各個檢測點(diǎn)布置對被測參量敏感的傳感光纖光柵。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、2、3、4所述的一種用于油氣管線檢測的光纖光柵傳感測試系統(tǒng)，其特征在于在雙參量測量時，在檢測點(diǎn)上分別交替布置傳感性能相異的光纖光柵傳感器；或在同一個檢測點(diǎn)附近同時布置兩個傳感性能相異的光纖光柵傳感器，兩個光纖光柵傳感器的間距為100μm～400μm。
專利摘要本實(shí)用新型提供一種用光纖光柵傳感技術(shù)對長輸油氣管線中腐蝕、裂縫、泄漏、結(jié)臘、結(jié)垢等狀況進(jìn)行多點(diǎn)分布檢測的系統(tǒng)裝置，該檢測裝置包括近紅外寬帶半導(dǎo)體激光源陣列、波分復(fù)用器、光纖雙向耦合器、光纖光柵傳感器陣列、光譜分析儀及信號傳輸光纜。半導(dǎo)體激光源陣列發(fā)出的近紅外連續(xù)光信號經(jīng)波分復(fù)用器和雙向耦合器傳向埋覆在長輸油氣管線中的光纖光柵傳感器陣列，該傳感器陣列檢測管線中流體溫度、壓力變化以光纖光柵中心波長偏移的形式反射回雙向耦合器，并耦合到光譜分析儀，經(jīng)計(jì)算機(jī)控制對信號解調(diào)處理，獲取管線中的有關(guān)物理量變化，從而獲得長輸油氣管線中的輸運(yùn)狀況。
文檔編號G01N21/17GK2630841SQ0326453
公開日2004年8月4日 申請日期2003年6月18日 優(yōu)先權(quán)日2003年6月18日
發(fā)明者喬學(xué)光 申請人:中國石油天然氣集團(tuán)公司, 西安石油學(xué)院