一文深度了解光纤传感器的应用场景

传感器技术 2020-07-12

 

光纤传感器与测量技术是当今传感器技术领域新的发展引应用,其测量用的光纤传感器有很多种类,有很多种工作方式。国内市场上光纤传感器应用主要在以下四种:光纤陀螺、光纤光栅传感器、光纤电流传感器和光纤水听器。下面对这四种产品分别介绍一下。


光纤传感器应用种类

 
 

一、光纤陀螺。

 


光纤陀螺按原理可分为干涉型、谐振型和布里渊型,这是三代光纤陀螺的代表。第一代干涉型光纤陀螺,目前该项技术已经成熟,适合进行批量生产和商品化;第二代谐振型光纤陀螺,暂时还处于实验室研究向实用化推进的发展阶段;第三代布里渊型,它还处于理论研究阶段。


光纤陀螺结构根据所采用的光学元件有三种实现方法:小型分立元件系统、全光纤系统和集成光学元件系统。目前分立光学元件技术已经基本退出,全光纤系统用在开环低精度、低成本的光纤陀螺中,集成光学器件陀螺由于其工艺简单、总体重复性好、成本低,所以在高精度光纤陀螺很受欢迎,是其主要实现方法。


 

二、光纤光栅传感器


目前国内外传感器领域的研究热点之一光纤布拉格光栅传感器。传统光纤传感器基本上可分为两种类型:光强型和干涉型。光强型传感器的缺点在于光源不稳定,而且光纤损耗和探测器容易老化;干涉型传感器由于要求两路干涉光的光强同等,所以需要固定参考点而导致应用不方便。


目前开发的以光纤布拉格光栅为主的光纤光栅传感器可以避免出现上面两种情况,其传感信号为波长调制、复用能力强。在建筑健康检测、冲击检测、形状控制和振动阻尼检测等应用中,光纤光栅传感器是最理想的灵敏元件。光纤光栅传感器在地球动力学、航天器、电力工业和化学传感中有广泛的应用。

  

 

三、光纤电流传感器

 


电力工业的迅猛发展带动电力传输系统容量不断增加,运行电压等级也越来越高,电流也越来越大,这样测量起来就非常困难,这就显现出光纤电流传感器的优点了。在电力系统中,传统的用来测量电流的传感器是以电磁感应为基础,这就存在以下缺点:它容易爆炸以至引起灾难性事故;大故障电流会造成铁芯磁饱和;铁芯发生共振效应;频率响应慢;测量精度低;信号易受干扰;体积重量大、价格昂贵等等,已经很难满足新一代数字电力网的发展需要。这个时候光纤电流传感器应运而生。


 

四、光纤水听器


光纤水听器主要用来测量水下声信号,它通过高灵敏度的光纤相干检测,将水声信号转换为光信号,并通过光纤传至信号处理系统进行识别。与传统水听器相比,光纤水听器具有灵敏度高、响应带宽宽、不受电磁干扰等特点,广泛用于军事和石油勘探、环境检测等领域,具有很大的发展潜力。光纤水听器按原理可分为干涉型、强度型、光栅型等。干涉型光纤水听器关键技术已经逐步发展成熟,在部分领域形成产品;光纤光栅水听器则是当前研究的热点,研究的关键技术涉及光源、光纤器件、探头技术、抗偏振衰落技术、抗相位衰落技术、信号处理技术、多路复用技术以及工程技术等。


结合这几种应用型的光纤传感器种类,我们来看看在实际应用场景中的光纤传感器

光纤传感器在周界安防领域的应用


在众多周界安防监控技术中,光纤传感技术脱颖而出, 几乎可以实现传统传感器所有的功能, 可以对位移、震动、压力、温度、速度、流量等各种物理量进行检测,具有灵敏度高、无电磁辐射、动态范围大、适应范围广等优点,是安防技术发展的主流方向。


在光纤传感安防应用领域, 研制出了各种类型和各种功能的光纤探测器,成功地运用于各国政府、军队、银行、机场、港口、石油公司、核电站等,涉及的领域包括:周界、管线、通信、市政、监狱安全监控等。


光纤传感器在安防领域的应用主要在如下三个方面:


 

周界安全监控系统

军事基地、核电站、边境线等重要设施通常都地处环境恶劣的地域,气候条件复杂,同时这些设施的周界安全等级比较高,而这些地方的基础设施也比较差,甚至没有野外供电的条件,这对周界安防系统提出了更高的要求。光纤周界安全监控系统有一款室外无源监控系统,可以将监控主机架设在监控室,通过引导光缆将传感光缆受到的震动信息传递到监控中心,所有室外设备均为无源器件,无需野外供电,可以提供有效的周界安全监控。

  

 

管道安全监控系统

管道安全监控是一项艰巨而复杂的任务,管线因施工不当被破坏,造成重大污染和经济损失。常规的检测方法是派人员沿管线巡查,也有采用一些传统的监测手段,但实践证明效果有限。光纤管道安全监控系统可以有效地解决上述问题,将传感光缆沿管线埋设,通过光纤感受管线周围的震动,并将此信息传输给监控主机进行分析、判断,排除一般性干扰,最终产生报警,告知值班人员管线出现事故的区域。该系统特别适用于化工厂和大型油库中的石油管线安全监控,以及大型社区市政设施中的天然气管线、电力管线和饮水管线等的安全监控。

 

 

骨干光缆安全监控系统

骨干光缆是现代通信的基础和重要通道,光缆运营安全和信息内容安全关系着国民经济和国家安全,因此骨干光缆的安全监测就显的十分重要。传感的光时域反射仪(OTDR)虽然可以对光纤进行检测,但它也有局限性,存在盲区,不能进行实时监测,特别是通过高科技手段不用折断光纤就可以神不知鬼不觉地盗窃光纤中传输的信息,而传统的监测手段是无法发现的。光纤骨干光缆安全监控系统通过接入光缆竖井中的光纤,对整个光缆进行监控。当有不法分子企图盗窃光缆内部的信息而触碰光缆时,系统立即产生报警,可以有效地保证骨干光缆的信息安全。该系统特别适用于政府大楼、军事机关、银行,以及机要和通信部门对骨干光缆安全进行监控。


周界安防监控系统工作原理是基于多模光纤模式干涉探测技术,其基本检测原理如下:

  

光在多模光纤中产生一个随机强度的光谱,形成光斑。如果光纤没有受到外界扰动,则该光谱相对是不变的。当光纤受到外界扰动时,如:移动、振动或受到压力时,这些光谱发生相应的改变,光纤检测器可以检测到光谱发生了变化,并可确定外界发生了什么事件。


各种场合和领域的周界安防产品,既有防区式光纤传感器,也有分布式定位光纤传感器,形成适合于短、中、长三种周界系列监控系统。与其它类型的安防产品配合使用,如:红外探测器、激光扫描器、红外幂帘等,采取由外到内的多层防护手段,可以为用户提供全面安全、可靠的安全防护体系。




光纤传感器在石油行业中的应用


在油田的开发过程中,人们需要知道在产液或注水过程中有关井内流体的持性与状态的详细资料,这就要用到石油测井,其可靠性和准确性是至关重要的。光纤传感器可以克服在井下恶劣的环境诸如高温、高压、腐蚀、地磁地电干扰下工作。可以高精度地测量井筒和井场环境参数,同时,光纤传感器具有分布式测量能力,可以测量被测量的空间分布,给出剖面信息。而且,光纤传感器横截面积小,外形短,在井筒中占据空间极小。


以下分别对油田作业中,光纤传感器能实现的检测任务做介绍:


 

1、储层参数监测


1)压力监测

由于开发方案的需要,对油藏压力的管理需要特别谨慎,这样做的目的是减少因在低于泡点压力的状态下开采所造成的原油损失,减少在注气过程中因油藏超压将原油挤入含水层所造成的原油损失。


传统的井下压力监测采用的传感器主要有应变压力计和石英晶体压力计,应变式压力计受温度影响和滞后影响,而石英压力计会受到温度和压力急剧变化的影响。在压力监测时,这些传感器还涉及安装困难、长期稳定性差等问题。


井下光纤传感器没有井下电子线路、易于安装、体积小、抗干扰能力强等优点,而这些正是井下监测所必需的。用布拉格光纤光栅传感器实行井下监测,对温度不敏感,最高工作温度为300℃,最高测量压力82MPa,在最高测量压力下,对温度的灵敏度极小,可以适用于井下的压力监测。


2)温度监测

分布式光纤温度传感器具有通过沿整个完井长度连续性采集温度资料来提供一条监测生产和油层的新途径的潜力。因为井的温度剖面的变化可以与其它地面采集的资料(流量、含水、井口压力等)以及裸眼测井曲线对比,从而为操作者提供有关出现在井下的变化的定性和定量信息。


传统的测温工具只能在任何给定时间内测量某个点的温度,要测试全范围的温度,点式传感器只能在井中来回移动才能实现,不可避免地对井内环境平衡造成影响。


光纤分布式温度传感器的优势在于光纤无须在检测区域内来回移动,能保证井内的温度平衡状态不受影响。而且由于光纤被置于毛细钢管内,因此凡毛细钢管能通达的地方都可进行光纤分布式温度传感器测试。


最广泛地应用于井下监测应用的光纤传感器之一就是拉曼反向散射分布式温度探测器,这种方法已经在测量井筒温度剖面(特别是在蒸汽驱井)中,得到了广泛的应用。


目前的光纤温度、压力传感器的最主要的缺点之一就是温度压力交叉敏感特性,如何消除或者利用这种交叉敏感特性是研究的热点。


3)多相流监测

为了做好油藏监控和油田管理,最关键的环节是获得生产井和注水井稳定可信的总流量剖面和各相流体的持率。然而,大多数油井分层开采,每层含水量不同,而且有时流速较大,给利用常规生产测井设备测量和分析油井的生产状况带来了巨大的困难。


光纤测量多相流有两种方法,第一种是持气率光纤传感仪,该仪器能直接测量多相流中持气率。其四个光纤探头均匀地分布在井筒的横剖面中,其空间取向方位可用一个集成化的相对方位传感器准确测量,在气液混合物中,通过探头反射的光信号来确定持气率和泡沫数量(这二者与气体流量相关联)。


此外,利用每个探头的测量值来建立一种井中气体流动的图像,可以更好地了解多相流流型以及解释在倾斜条件下这些流型固有的相分离。它提供的资料能直接测定和量化多相混合物中气体和液体,能准确诊断井眼问题,并有助于生产调整。仪器通过了三口井的现场测试。


第二种是通过测量声速来确定两相混合流的相组分,因为混合流体的声速与各单相流体的声速和密度具有相关性,而这个相关性普遍存在于两相气/液和液/液混合流体系统中,同时也适用于多相混合流系统。根据混合流体的声速确定各相流体的体积分数,就是测量流过流量计的各单相体积分数(即持率测量)。


某一流体相持率是否等于该相流动体积分数,取决于该相相对于其它相是否存在严重的滑脱现象。对于不存在严重滑脱的油水两相混合流系统,可以用均匀流动模型进行分析;对于存在严重滑脱现象的流动状态,则必须应用更完善的滑脱模型来解释流量计测量的数据,才能准确地确定各相的流量。对于油水混合流体,流量计的长波长声速测量可以确定各相体积分数(即持率),而不受流动非均质性(如层状流动)的影响。


 

2、声波测量

与过去相比,勘探开发公司如今面临更大的风险和更复杂的钻井环境,因此获得准确的地层构造图和油藏机理具有重要意义。


目前使用的地震测量方法,如拖曳等浮电缆检波器组、临时海底布放地震检波器和井下电缆布放地震检波器等,能提供目的产油区域的测量,但这些方法具有相对高的作业费用,不能下入井内或受环境条件的限制等,而且提供的图像不全面、不连续,分辨率不是很高,因此难于实现连续实时油藏动态监测。


基于光纤的井下地震检波器系统能够解决这些问题,它能提供整个油井寿命期间永久高分辨率四维油藏图像,极大方便了油藏管理。这种井下地震加速度检波器能接收地震波,并将其处理成地层和流体前缘图像。


永久井下光纤3分量地震测量具有高的灵敏度和方向性,能产生高精度空间图像,不仅能提供近井眼图像,而且能提供井眼周围地层图像,在某些情况下测量范围能达数千英尺。它在油井的整个寿命期间运行,能经受恶劣的环境条件(温度达175℃,压力达100MPa),且没有可移动部件和井下电子器件,被封装在直径2.5cm的保护外壳中,能经受强的冲击和振动,可安装到复杂的完井管柱及小的空间内。此外,该系统还具有动态范围大和信号频带宽的特点,其信号频带宽度为3Hz~800Hz,能记录从极低到极高频率的等效响应。


 

3、激光光纤核测井技术

激光技术和光纤技术可以用于研制井下传感器,用于在充有原油和泥浆等非透明流体的井中进行测井。


激光光纤核传感器是在光纤通信和光纤传感器的基础上产生的,它利用了光致损耗和光致发光等物理效应,比常规核探测器具有更多的优越性,是典型的学科交叉。光纤核测井技术,实际上就是在特定的环境下的核探测技术,其典型的优点为:


(1)可以针对不同的核探测的能级范围,研制在该范围的敏感探头。


(2)因为应用了光致发光效应,可使探头位于千米的井下,而光电倍增管由传输光缆相连置于井上,远离了恶劣的井下环境(高温高压),从而延长其的使用寿命。


(3)光纤具有高速率、大容量传输能力,还能搭载其他井下仪器信号。


然而,激光光纤核探测器也有缺点,主要表现在耐高温和承受高压的保护涂层、传输光缆的机械强度以及耐辐射的传输光缆低衰减损耗。


光纤传感在电力安全领域的应用


电力系统是国家建设的基础,是国民经济的命脉所在,电力作为国家重要的能源供给设施,安全防范自是重中之重。


电力系统自动化建设和改造不断发展完善,而电力系统是由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成,需对各个环节具备安全防范手段。


分布式光纤传感技术,将整个长度范围内的光纤均用作传感器,探测在光纤敷设范围内任意点的特定信息。


基于弹光效应和白光干涉技术,开发的分布式光纤监测技术,可以实现电力系统从发电到输变电整个电力供应环节的安全监控整体解决。


该技术从光纤振动传感与温度传感两方面着手,开发了针对电力系统应用性极强的系列产品。该技术利用了光纤本质是弱电器件的优点,对能源依赖小,野外布设方便,不怕雷击电闪;利用了光纤是一种无源器件的优点,因此,防火、防爆,无电磁干扰,更抗电磁干扰,非常适合长距离、大范围、难以人力全面监控的场合;利用了光纤本身不含金属的特点,因此,在野外苛刻的自然环境中,不会腐蚀,不怕雨雪,甚至可用于湿地与海域。


 

无人值守电站

无人值守电站的安全,电力设施、设备的破坏情况屡有发生。 变电站园区周界入侵探测报警系统,成为保证变电站安全运行的最外层、最必要屏障。


光纤振动传感技术采用光纤作为前端介质,同时通过光纤将前端信号传输至监控中心主机主,主机响应后通过电力专网向远程调度中心或市局、上级机构传输信号,实现远程实时监控。


 

高压电塔安全监控系统

高压电塔危险性极强,塔架附近一定区域都需作无人区隔离,保证一定的安全距离。

 

光纤振动传感技术通过埋设在无人区高压塔架周围的光缆,或者绑扎在高压塔架底部支架上的光缆,在有人员进入禁行区,或开始攀爬塔架的时候,第一时间进行报警。安保人员通过监控室显示的塔架位置及时进行定位,并出动人员及早进行干预。能有效将危险及早进行扼制。


 

输电干线安全监控

输电线路是电网运行的命脉,它在输送能源的同时又相当的脆弱,任何外力的破坏,都有可能造成大面积停电。外力破坏(如盗窃、施工)、环境污染、自然灾害一直是威胁电网安全的重大隐患,而对于地震、台风、洪水等自然灾害有可能造成的电网大面积瘫痪,目前还缺乏系统性研究和评估,没有建立相应的预警机制。


利用光纤传感技术对输电线路进行安全监控,是采用沿输电线路布设的光纤单芯定位等一系列创新技术,通过对输电线路上发生的触碰(或刮擦)光缆、接头盒、光芯等扰动的实时监测,采集和分析信息,判定扰动发生的位置、类型、强度,以帮助线路维护人员及时发现输电线路的破坏行为。该系统解决了当前输电干线安全缺乏有效监测手段的问题,不仅能够在事件发生时实时监测、准确定位、智能分析,还可以实现对事故发生的预警,有效解决对线路损毁的预警监测,为安保人员提供告警、智能分析和辅助决策支持。

 

 

分布式温度传感监测

电厂与变电站电缆桥架、电缆隧道、电缆夹层、电缆沟、电缆竖井、开关设备、变压器、电阻排等电力设备在长期的高压中常因发热而老化引起火灾,经过多年来火灾调查研究发现,大多数的火灾事故都是由于温度过高引起的。如果能够在火灾潜伏期温度缓慢的上升过程中就能即时发现火灾隐患并采取相应措施,无疑是最佳的防范时机。


传统形式的火灾探测系统其传感部件通常是电磁式元件,而在电力行业的应用场合,设备上都有着高压,它的周围有很强的电磁干扰,导致传统的探测器误报、漏报时常发生。 


分布式光纤测温传感技术是目前国际上最先进的测温技术。DTS分布式光纤温度传感器系统,能在整个连续的光纤上,以距离的连续函数形式,测量和显示出光纤上各点的温度值。这种技术只需一根光纤就可以测量十公里距离的温度。对于电力系统的温度监测,分布式光纤温度传感系统是一种十分有效的监测设备。


它基于目前最先进的光纤、激光和信号处理技术。采用光纤作为温度信息采集的传感器。通过测量入射激光在光纤中不同距离处产生的散射波,测知沿光纤分布的各点的实时温度信息。该系统专门应用于区域(多点、线性、面型)测温,并可以实现对温度引起的过热、过冷、火情隐患等进行预判和报警。 


综上所述,光纤传感技术可以整体解决电力行业各个环节从安全防范至安全生产的综合安全监控,得到电力行业的广泛重视,并开始被广泛应用。


光纤传感器在桥梁健康监测中的应用


随着工业与交通运输的发展,桥梁对交通运输的发展具有重大影响,桥梁的跨度增加以及结构的复杂趋势,使得其安全隐患受到大家更多的关注,因此我们需要对桥梁进行更好的健康监测。桥梁的健康监测实际上是通过对桥梁结构的无损检测、实时监测桥梁的整体结构,对其损伤位置和程度进行诊断,为桥梁的维修以及管理提供帮助。 


随着光纤传感技术用于复合材料的发展,把光纤传感系统埋入水泥结构形成能够感知应力和断裂损伤的能力。光纤传感器因为具有质量轻,结构小,信息量大,不受电磁干扰,容易埋入结构等优点,可以对桥梁进行实时的监测和控制,从而实现对桥梁结构健康监测的目的。目前,最广泛使用的是光纤光栅型传感器,是桥梁健康监测系统的重要工具之一。


桥梁的结构健康监测系统,包括测量车辆荷载、温度、挠度、应变、主梁振动、斜拉索振动六个子系统; 


下面就几个具体的桥梁健康监测系统进行简单的介绍。

 

 

拉索应力监测系统

在斜拉索结构大桥中,大桥的主梁及通过的汽车荷载均由拉索承担,拉索是特别容易产生损伤的结构,其寿命往往比桥梁其他构件的寿命都要短,因此要准确及时掌握拉索的内力及其变化特征至关重要。


在天津的永和大桥的监测中,在44组拉索中每组拉索选择1根作为监测对象布设传感筋,总计44根智能索。



图1  永和大桥的结构图


如下图2所示光纤光栅智能索内部的结构。其中36根索内只设2个光纤光栅应变传感器,另外的8根索中除布设2个光纤光栅应变传感器外还布设了1个温度补偿光纤光栅传感器。在大桥的拉索检测系统中选用了GFRP-OFBG复合智能筋,其具有精度高,分辨率高,灵敏度强,反射率大于90%,最重要的是耐久性长达25年之久。



   图2   智能索内部结构


 

主梁应力监测系统

在桥面主梁的监测中,主梁上不仅要安设光纤光栅应力传感器还要在特定的位置安装光纤光栅温度传感器,并完成应变传感器的温度补偿;对主梁结构的温度场监测是为了将温度场作为参数,研究温度应力及温度导致的结构动力特性变化。



图3  主梁应力监测截面位置


如图4所示,其中在I、VI截面上分别布设3个光纤光栅应变传感器、1个光纤光栅温度传感器和1个绝对温度补偿传感器;II、V截面上分别布设5个光纤光栅应变传感器、1个光纤光栅温度传感器和1个绝对温度补偿传感器。Ⅲ截面布设5个光纤光栅应变传感器和2个光纤光栅温度传感器,Ⅳ截面布设5个光纤光栅应变传感器和3个光纤光栅温度传感器。



图4  主梁各截面上的传感器布设位置


主梁截面的应变监测系统选用的是表面焊接式FRP-OFBG应变传感器,如图5所示。这种材料的优点是结构简单、应变测试精度高、耐久性长的传感器。


主梁温度监测系统选用无应力影响光纤光栅温度传感器。其采用特殊方法封装,即使埋入结构中也不受外界的应力变化的影响而只反映温度变化,并且温度灵敏度与精度高很高,可以很好的监测环境温度与结构内温度变化。


光纤传感技术特别是光纤光栅型传感技术在桥梁工程领域的显著优势,不仅给桥梁健康监测和安全评估注入了新的活力,而且还为桥梁实时监测的发展带来了契机。


光纤传感器在智能穿戴设备中的应用


如今,光纤传感器的小型化,也被应用在智能穿戴设备上。长时间的久坐以及不正确的坐姿,在不知不觉中伤害着人们的身体健康。


智能坐垫的主要功能就是坐姿监测提醒。通过压力传感器和光纤传感器,可以分辨出你现在的坐姿,识别出你是否前倾、后倾,是否久坐。当你长时间坐着或者坐姿不标准时,会通过配套的APP提醒你。另外,通过光纤传感器,监测心跳、呼吸等数据,可以分析出你现在是否压力过大,并给出建议。这一技术还可以将光纤传感器植入到座椅、沙发甚至床垫中,也可以做成智能医疗产品,应用于健康监测领域。



光纤传感技术不断吸取光纤通信的新技术(如新的半导体光源、新型光纤)、新器件,在如今的物联网时代也将有更广阔的应用前景,全光物联网有望在将来成为一种新的物联网形式。


- END -



  



制造业的未来是智能化,智能化的基础就是传感器;互联网的方向是物联网,物联网的基石也是传感器;

 

《传感器技术》汇编了一套各种传感器的基础知识,介绍了各种传感器的原理。

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