CN107631957A - 一种基于botdr技术的未知环境液体密度计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于BOTDR技术的未知环境液体密度计算方法。在工程应用中，检测未知环境液体密度的方法有很多，有的基于电学仪器、有的基于光学原理、有的基于物化特性等等，但是未知环境中的液体，可能存在易燃、易爆、易腐蚀、电磁干扰、人为操作困难等诸多情况，因此需要一种新型的液体密度检测方法。为了克服上述现象所导致的现有技术不足，本发明提供了一种基于BOTDR技术的未知环境液体密度计算方法，符合未知环境下的光纤下的液体密度测量。分为如下步骤：步骤一、光纤标定；步骤二、温度和应变关系的分离；步骤三、应变和应力的关系建立；步骤四、密度的计算。

Description

一种基于BOTDR技术的未知环境液体密度计算方法

技术领域

本发明涉及一种基于BOTDR技术的未知环境液体密度计算方法，属于全分布式光纤检测领域中的工程问题。

背景技术

光纤传感技术是20世纪70年代伴随着光纤技术和光纤通信技术的发展而兴起的一种新型传感技术。它以光波为传感信号，以光纤为传输介质，感知和探测外界被测信号，在传感方式、传感原理以及信号的探测与处理等方面都与传统的电学传感器有很大差异。光纤本身不带电、体积小、质量轻、易弯曲、抗电磁干扰、抗辐射性好，特别适合在易燃、易爆、空间受严格限制及强电磁干扰等恶劣环境下使用。因此，光纤传感技术一经问世就受到了极大重视，在各个重要领域得到了研究和应用。

光纤传感技术的种类繁多，有多种分类方法。往往同一种被测参量可以用不同类型的传感器测量，而同一原理的传感器又可以测量多种物理量。按照光纤的感知范围分，光纤传感种类可以分为单点式光纤传感器、多点式光纤传感器和全分布式光纤传感器。有些研究对象往往不是一个点或者几个点，而是呈现一定空间分布的场，如温度场、应力场、振动场等，这一类被测对象不仅涉及距离长、范围广，而且呈三维空间连续性分布，此时单点式甚至多点准分布式传感已经无法胜任传感检测，全分布式光纤传感系统应运而生。

检测未知环境液体密度的方法有很多，有的基于电学仪器、有的基于光学原理、有的基于物化特性等等，但是未知环境中的液体，可能存在易燃、易爆、易腐蚀、电磁干扰、人为操作困难等诸多情况，因此需要一种新型的液体密度检测方法。

发明内容

为了克服上述现象所导致的现有技术不足，本发明提供了一种基于BOTDR技术的未知环境液体密度计算方法，符合未知环境下的光纤下的液体密度测量。

在全分布式光纤传感系统中，光纤既作为信号传输介质，又是传感单元。即它将整根光纤作为传感单元，传感点是连续分布的，也有人称其为海量传感头，因此该传感方法可以测量光纤沿线任意位置处的信息。根据被测光信号的不同，全分布式光纤传感技术可以分为基于光纤中的瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射三种类型；根据信号分析方法，可以分为基于时域和基于频域的全分布式光纤传感技术。截至目前，在应变/温度检测中比较成熟的技术是BOTDR技术，BOTDR技术的全称是“Brillouin Optical Time DomainReflection”，其中文名称是“布里渊光时域反射”，它是通过布里渊散射的方法检测时域上的光信号，最终达到检测应变/温度的目的。

本发明提供一种基于BOTDR技术的未知环境液体密度计算方法，主要包括如下几个步骤：

步骤一、光纤标定；

步骤二、温度和应变关系的分离；

步骤三、应变和应力的关系建立；

步骤四、密度的计算。

本发明的优点在于：

1.本发明利用BOTDR技术具有良好的适应性，可以适应未知环境下不同液体的物化性质。

2.本发明在BOTDR技术的基础上，不仅建立了中心频率和温度/应变之间的关系，同时还建立了中心频率和应力之间的关系。

3.本发明提出了一种新的位置液体密度测量方法，因为具有较长的探测距离，因此使用于油井勘测等内容。

附图说明

图1为本发明中算法系统框图；

图2为本发明中应力/应变曲线模型；

图3为本发明中工程示意图；

图4为本发明中光纤实物图；

图5为本发明中7020设备实物图；

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

本发明提供的一种基于BOTDR技术的未知环境液体密度计算方法，系统框图如图1所示，具体包括步骤如下：

步骤一、光纤标定；

根据BOTDR技术的原理，可以很容易得出如下公式：

Δf_布里渊＝a₁₁·ΔT+a₁₂·Δε

其中Δf_布里渊是指布里渊散射光中心频率的偏移，ΔT是指温度的变化，Δε是指应变的变化，a₁₁是指温度变化对应的中心频率的变化，a₁₂是指应变变化对应的中心频率的变化。

在实际使用过程中，辅助有温度计、应变表等设备，需要对使用的光纤进行标定，使a₁₁和a₁₂两个系数更加准确。

步骤二、温度和应变关系的分离；

因为在BOTDR技术中，布里渊中心频率的偏移是伴随着温度和应变同时变化的，如果只需要应变关系的话，需要对温度和应变两个指标进行一下分离。本发明采用同一根光纤中，利用不同的方法进行处理，从而达到最终分离的效果。

在第一步布里渊检测的基础上，利用瑞利的方法进行测量，公式如下：

Δf_瑞利＝a₂₁·ΔT+a₂₂·Δε

其中Δf_瑞利是指瑞利散射光频率的偏移，瑞利散光的频率与入射光的频率相等，ΔT是指温度的变化，Δε是指应变的变化，a₁₁是指温度变化对应的频率的变化，a₁₂是指应变变化对应的频率的变化。

根据布里渊和瑞利的检测方法，可以求解二元一次方程组，从而达到温度和应变分离的效果。

步骤三、应变和应力的关系建立；

现行的分布式光纤传感技术，可以测量的应变范围在-3000με至+4000με以内。因此本发明只取0～4000με微应变进行研究。采用应变表和拉力计同时作用，每100个微应变记录一次拉力数据，数据点如图2所示。根据图2的数据点，拟合曲线等到公式如下：

F_拉＝a·Δε^1.2

步骤四、密度的计算。

在光纤的末端，连接一个体积、密度均已知的重物，把重物浸入液体当中，如图3所示。在测量过程中，光纤的体积和连接处的体积可以忽略不计。

众所周知，物体在液体中受到的浮力如公式所示：

F_浮＝ρ_液gV_排

物体的重力如公式所示：

G＝ρ_物gV_排

因此上述公式可以转换成对光纤的拉力，公式如下：

F_拉＝G-F_浮＝(ρ_物-ρ_液)gV_排

实施例一

步骤一、光纤标定；

选取光纤型号为双芯单模的光纤，如图4所示。采用日本光纳株式社的NBX-7020设备，如图5所示。

通过标定可以知道，基于布里渊散射原理的光纤的“中心频率-应变/温度”系数。如下所示：

a₁₁＝1.07MHz/℃,a₁₂＝0.0497MHz/με

步骤二、温度和应变关系的分离；

通过标定可以知道，基于瑞利散射原理的光纤的“光频率-应变/温度”系数。如下所示：

a₂₁＝-1.379GHz/℃,a₂₂＝-0.1542GHz/με

根据布里渊和瑞利的原理联立组成方程，如下所示：

在光纤末端挂上重物前后，如图3所示，浸入液体前后分别检测一回，在这里温度可以认为是不变的，应变换算公式如下，求解方程组得到，浸入液体前的应变为Δε₁＝495με，浸入液体后的应变为Δε₂＝378με。

步骤三、应变和应力的关系建立；

取1米长的光纤，固定光纤的一端，在另一端从小到大施加拉力，分别用拉力计和应变表记录数据，得到的数据表格如下：

表1应变和应力关系对应表

对上表的40个点进行描点绘图如图2所示，进行曲线拟合后，得到每个单位长度光纤上应变与应力的曲线方程为：

F_拉′＝0.38·Δε^1.2

受应变整个范围内，单位光纤的应力得出后，计算出总的受力。

F_拉＝F_拉′·l

步骤四、密度的计算；

测得浸入液体前后的应变对应的拉力为，浸入前为F_拉1＝619.36N，浸入后为F_拉2＝540.96N。

因此可以得到浮力的计算公式为：

F_浮＝F_拉1-F_拉2＝ρ_液gV_排

因为重力加速度和物体体积已知，因此可以得到液体密度。

为了验证可能性，分别使用多种液体进行测试，得到的结果如表2所示。

表2液体密度测试结果

液体种类	纯净水	饱和食盐水	可乐	食用油	医用酒精
						理论密度(kg/m3)	1000	1333	1059	920	855
测量密度(kg/m3)	999.15	1335.11	1057.36	921.59	855.3

由上述实施例可以看出，本文的方法具有比较好的可行性，对监测未知环境液体密度具有良好的效果。

Claims (4)

1.本发明提供一种基于BOTDR技术的未知环境液体密度计算方法，主要包括如下几个步骤：

步骤一、光纤标定；

步骤二、温度和应变关系的分离；

步骤三、应变和应力的关系建立；

步骤四、密度的计算。

2.根据权利要求1所述的优化构建方法，其特征在于：在步骤二中温度和应变关系的分离。因为在BOTDR技术中，布里渊中心频率的偏移是伴随着温度和应变同时变化的，如果只需要应变关系的话，需要对温度和应变两个指标进行一下分离。本发明采用同一根光纤中，利用不同的方法进行处理，从而达到最终分离的效果。

在第一步布里渊检测的基础上，利用瑞利的方法进行测量，公式如下：

Δf_瑞利＝a₂₁·ΔT+a₂₂·Δε

其中Δf_瑞利是指瑞利散射光频率的偏移，瑞利散光的频率与入射光的频率相等，ΔT是指温度的变化，Δε是指应变的变化，a₁₁是指温度变化对应的频率的变化，a₁₂是指应变变化对应的频率的变化。

根据布里渊和瑞利的检测方法，可以求解二元一次方程组，从而达到温度和应变分离的效果。

3.根据权利要求1所述的优化构建方法，其特征在于：在步骤三中应变和应力的关系建立。现行的分布式光纤传感技术，可以测量的应变范围在-3000με至+4000με以内。因此本发明只取0～4000με微应变进行研究。采用应变表和拉力计同时作用，每100个微应变记录一次拉力数据，数据点如图2所示。根据图2的数据点，拟合曲线等到公式如下：

F_拉＝a·Δε^1.2

4.根据权利要求1所述的优化构建方法，其特征在于：在步骤四中密度的计算。在光纤的末端，连接一个体积、密度均已知的重物，把重物浸入液体当中，如图3所示。在测量过程中，光纤的体积和连接处的体积可以忽略不计。

众所周知，物体在液体中受到的浮力如公式所示：

F_浮＝ρ_液gV_排

物体的重力如公式所示：

G＝ρ_物gV_排

因此上述公式可以转换成对光纤的拉力，公式如下：

F_拉＝G-F_浮＝(ρ_物-ρ_液)gV_排。