CN107764461A - 基于布里渊动态光栅的分布式液压传感器系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种基于布里渊动态光栅的分布式液压传感器系统，包括：待测液压的管道；管道内壁的传感光纤，检测传感光纤的双折射频移的分布式液压传感器、上位机；分布式液压传感器、上位机分别位于管道外侧；液压传感器包括：在传感光纤中产生布里渊动态光栅的光路元件和用于读取布里渊动态光栅的光路元件；以及光电探测器，采集光电探测器的电信号的数据采集系统；液压传感器通过数据采集系统将采集的数据传送到上位机中，上位机根据双折射频移与液压的对应关系，获得传感光纤所在管道内的液压。上述的液压传感器能够用于油气管道中精确测量液压，还可以实现小于1m的高空间分辨率分布式测量，可以应用于大型油罐、油气管道液压测量等场合。
Description
技术领域
本发明涉及的是分布式布里渊动态光栅传感技术，具体涉及一种基于布里渊动态光栅的分布式液压传感器系统。
背景技术
近年来，随着石油工业的高速发展，油气资源需求长时间呈高速增长的态势。同时，由于我国油气资源空间分布不均匀、进口原油量不断增加的原因，我国油气管道工程建设发展迅速，今年来油气管道数量不断增加。因此，油气管道的安全监测越来越受到各界关注。
油气管道的液压是管道重要安全参数之一。而传统的用于液压监测的电子元器件耐腐蚀能力差，在石油贮藏应用场合又有引起火灾、爆炸的危险。同时，电学传感器一般需要本地仪器，不适合于深水或油井中部署阵列。而分布式光纤传感技术能够弥补上述电学液压传感器的不足，其具有灵敏度高、不受电磁干扰、结构小巧、易于组网等，特别是能够应用在易燃易爆、高温、强电磁干扰、强化学腐蚀等恶劣的环境中，因此在石油工业(特别是油气管道)中，其发展前景十分巨大。
其中，基于布里渊散射的分布式传感其主要功能是利用布里渊频移(布里渊散射光与瑞利散射光之间的光频差值)的温度、应变线性敏感性，能够实现长距离、高精度的温度和应变传感。然而，传统的布里渊分布式传感系统对于横向压力并不具有敏感性，因此也就不能用于如油气管道液压测量的场合。而其它用于测量液压的技术手段，如高双折射光栅、使用高双折射光纤的Sagnac环等均不能实现分布式测量。同时，一般基于布里渊散射效应的传感器由于声子寿命(约10ns)的限制，不能实现1m以下的高空间分辨率的测量。
发明内容
(一)要解决的技术问题
为了克服现有的传感技术不能实现安全的长距离分布式测量液压
(如大型油气运输管道油压测量)的问题，本发明提供一种基于布里渊动态光栅的分布式液压传感器系统，该液压传感器能够用于油气管道中精确测量液压，还可以实现小于1m的高空间分辨率分布式测量，可以应用于大型油罐、油气管道液压测量等场合。
(二)技术方案
本发明提供一种基于布里渊动态光栅的分布式液压传感器系统，包括：
待测液压的管道；铺设管道内部的传感光纤，所述传感光纤紧贴所述管道内壁铺设；
基于布里渊动态光栅原理检测传感光纤的双折射频移的分布式液压传感器，连接分布式液压传感器的上位机；
所述分布式液压传感器、上位机分别位于管道外侧；
所述液压传感器包括：用于在传感光纤中产生布里渊动态光栅的光路元件和用于读取布里渊动态光栅的光路元件；以及将从布里渊动态光栅反射的光信号转换为电信号的光电探测器，采集光电探测器的电信号的数据采集系统；
所述液压传感器通过数据采集系统将采集的数据传送到上位机中，所述上位机根据双折射频移与液压的对应关系，获得传感光纤所在管道内的液压。
可选地，所述传感光纤为边孔光纤；所述边孔光纤的双折射频移为40-60GHz；
所述边孔光纤的两个空气孔及掺杂二氧化硅的纤芯的圆心在一条直线上，且每一空气孔直径为30-10um，所述纤芯的直径为8-10um，两个空气孔中心之间的距离为40-50um。
可选地，所述分布式液压传感器包括：
第一激光器，光耦合器、第一电光调制器、第二电光调制器、第一隔离器、第一掺铒光纤放大器、第一偏振控制器、传感光纤；
第三电光调制器、第二隔离器、第二掺铒光纤放大器、第二偏振控制器、偏振分束器；
第二激光器、声光调制器、第三掺铒光纤放大器、第三偏振控制器、光环形器；
其中，光耦合器的输入端连接第一激光器的输出端；所述光耦合器输出的第一路泵浦光信号经由第一电光调制器和第二电光调制器调制成第一路脉冲光信号，经过第一隔离器进入到第一掺铒光纤放大器，所述第一掺铒光纤放大器将第一路脉冲光信号的功率放大到能够激发布里渊动态光栅的功率；放大功率后的第一路脉冲光信号通过第一偏振控制器，使得放大功率后的第一路脉冲光信号的偏振态与传感光纤的快轴平行的位置；
所述光耦合器输出的第二路泵浦光信号经由第三电光调制器调制成第二路脉冲光信号，经过第二隔离器进入到第二掺铒光纤放大器，所述第二掺铒光纤放大器将第二路脉冲光信号的功率放大到能够激发布里渊动态光栅的功率；放大功率后的第一路脉冲光信号通过第二偏振控制器，使得放大功率后的第一路脉冲光信号的偏振态与传感光纤的快轴平行的位置；
所述传感光纤的输入端连接所述第一偏振控制器，所述传感光纤的输出端和所述第二偏振控制器的输出端分别连接偏振分束器的输入端，经由所述偏振分束器的第一路脉冲光信号和第二路脉冲光信号在传感光纤中产生位置和宽度可调的布里渊动态光栅；
声光调制器的输入端连接第二激光器的输出，并输出调制后的脉冲探测光经由第三掺铒光纤放大器输入至第三偏振控制器，其中，第三掺铒光纤放大器将脉冲探测光的功率放大到能够读取布里渊动态光栅的功率，所述第三偏振控制器将功率放大后的脉冲探测光的偏振态调整到与传感光纤的慢轴平行的位置；
经由所述第三偏振控制器的脉冲探测光通过所述光环形器、偏振分束器进入传感光纤后，被布里渊动态光栅反射后，进入光电探测器，
所述数据采集系统采集光电探测器的电信号，并传送到上位机。
可选地，所述分布式液压传感器还包括，微波信号发生器和脉冲信号发生器；
所述微波信号发生器产生的微波信号11GHz驱动第二电光调制器；
脉冲信号发生器产生的脉冲信号分别驱动第一电光调制器、第三电光调制器和声光调制器；
其中，所述脉冲信号发生器产生的用于驱动声光调制器的脉冲信号的上升沿的时间点与脉冲信号发生器产生的用于驱动第一电光调制器的脉冲信号的上升沿的时间点之间的时间差小于声子的寿命。
可选地，所述分布式液压传感器还包括，脉冲信号发生器；
脉冲信号发生器产生的脉冲信号分别驱动第一电光调制器、第三电光调制器和声光调制器。
可选地，所述第二激光器产生的用于探测的激光频率比第一激光器产生的用于产生布里渊动态光栅的激光频率低一个双折射频移40-60GHz。
可选地，待测液压的管道为油气管道。
可选地，与第一激光器对应两泵浦脉冲光的脉宽为2ns～100ns。
可选地，所述脉冲探测光的脉宽为2ns～100ns。
可选地，脉冲探测光在时间上滞后所述泵浦脉冲光1ns～10ns。
(三)有益效果
本发明的有益效果是，分布式液压传感器系统可以安全地应用于油气油井等场合，测量管道油气泄漏或堵塞引起的液压变化，在液压精确测量的同时，实现空间分辨率小于1m的分布式测量。
附图说明
图1为本发明的基于布里渊动态光栅的分布式液压传感器系统的示意图；
图2为边孔光纤的截面图；
图3为泵浦脉冲光和探测脉冲光信号的示意图。
【附图标记说明】
第一激光器1，光耦合器2、第一电光调制器3、第二电光调制器4、微波信号发生器5、第一隔离器6、第一掺铒光纤放大器7、第一偏振控制器8、传感光纤9；
第三电光调制器10、第二隔离器11、第二掺铒光纤放大器12、第二偏振控制器13、偏振分束器14、第二激光器15、声光调制器16、脉冲信号发生器17、第三掺铒光纤放大器18、第三偏振控制器19、光环形器20、光电探测器21、数据采集系统22。
具体实施方式
为了更好的解释本发明，以便于理解，下面结合附图，通过具体实施方式，对本发明作详细描述。
实施例一
本实施例的分布式液压传感器系统是采用高双折射光纤作为传感元件，将其应用于分布式液压测量环境中(特别是油气管道)，能够高空间分辨率精确测量分布式液压。
具体地，分布式液压传感器系统包括：待测液压的管道；铺设管道内部的传感光纤，所述传感光纤紧贴所述管道内壁铺设；
基于布里渊动态光栅原理(如本实施例中的基于布里渊动态光栅的分布式液压传感器系统)检测传感光纤的双折射频移的分布式液压传感器，连接分布式液压传感器的上位机；
所述分布式液压传感器、上位机分别位于管道外侧；
所述液压传感器包括：用于在传感光纤中产生布里渊动态光栅的光路元件和用于读取布里渊动态光栅的光路元件；以及将从布里渊动态光栅反射的光信号转换为电信号的光电探测器，采集光电探测器的电信号的数据采集系统；
所述液压传感器通过数据采集系统将采集的数据传送到上位机中，所述上位机根据双折射频移与液压的对应关系，获得传感光纤所在管道的液压。
上述分布式液压传感系统，包含两个正交偏振方向上的光路，分别用于布里渊动态光栅的产生和读取。具体如下：
其中一路为x方向，用于产生布里渊动态光栅。第一激光器1发出的激光经过光耦合器分成两路，用于提供泵浦光：第一路连续泵浦光信号首先被调制成脉冲光信号，并使其频率相对于另一路光信号有布里渊频移大小的频移，以产生受激布里渊效应。
之后采用大功率的第一掺铒光纤放大器7将光信号放大，再利用第一偏振控制器7将光信号的偏振态调到传感光纤9的快轴上。
第二路泵浦光信号同样被调制成光脉冲信号，之后由第二掺铒光纤放大器12将光信号放大，再由第二偏振控制器13将光信号的偏振态调到光纤快轴上。最后，两路泵浦光经过偏振分束器14相互作用，在传感光纤9中产生了布里渊动态光栅。
在产生脉冲过程中，通过控制两个脉冲泵浦光的延时，可以在光纤中任何一个地方产生布里渊动态光栅，并通过控制光脉冲的宽度来控制布里渊动态光栅长度。
另一路为y方向，用于读取布里渊动态光栅。该第二激光器15产生的激光频率相比泵浦激光器低约一个双折射频移(通常约为40-60GHz)，然后由声光调制器16将连续光调制为脉冲光。
在一种可选的实现方式中，前述的两个电光调制器(如第一电光调制器3和第三电光调制器10)都由脉冲信号发生器驱动，以保证两脉冲前沿间隔小于声子寿命，使探测光与折射光栅发生有效作用。此时，该脉冲光经过第三掺铒光纤放大器18后，先进入偏振控制器19，再经过光环形器20以及偏振分束器14进入传感光纤9，读取出布里渊动态光栅。
最后，由光电探测器21将探测光通过布里渊动态光栅反射的光信号转换为电信号，再经过数据采集系统22将数据采集到上位机(图中未示出)上进行进一步的处理，就可以得到相应的液压传感信息。
本实施例中的脉冲信号发生器17可以是双通道的，产生两路的脉冲信号，并且可以保证两个脉冲的前沿间隔小于声子寿命。
本实施例中所使用的传感光纤可为边孔光纤，其横截面如图2所示。所述边孔光纤的双折射频移为40-60GHz；所述边孔光纤的两个空气孔及掺杂二氧化硅的纤芯的圆心在一条直线上，且每一空气孔直径为30-10um，所述纤芯的直径为8-10um，两个空气孔中心之间的距离为40-50um。在实际应用中，边孔光纤的包层直径可为125um+-5um.
纤芯左右两个对称大空气边孔(即空气孔)的引入使边孔光纤具有很高的的双折射。测量时，将该边孔光纤铺设于油气管道内部，并紧贴管道内壁。当管道内液压变化时(如油气泄漏、堵塞等情况)，边孔光纤的双折射也会因此线性地改变。通过注入不同频率的探测光，就可以得到不同频率位置上布里渊动态光栅反射回的光强，从而获得该点布里渊反射谱，得到双折射频移。通过控制泵浦脉冲之间的延时来控制布里渊动态光栅的位置，就可以获取整个光纤上的双折射频移，再将沿光纤每一点的双折射频移与液压大小对应起来，就可以实现分布式的液压测量，可以在液压精确测量的同时，实现空间分辨率小于1m的分布式测量。
本实施例中，可直接在脉冲信号发生器上即可设置两个脉冲信号之间的延时，从而控制泵浦脉冲之间的延时，进而控制布里渊动态光栅的位置。
实施例二
结合图1所示的分布式液压传感系统的结构图，本实施例的分布式液压传感系统包括：布里渊动态光栅产生部分和读取部分。
布里渊动态光栅产生部分：第一激光器1发出的激光经过光耦合器2分成两路，分别产生两路泵浦光。光耦合器2输出的第一路泵浦光先由第一电光调制器3调制成第一路脉冲光信号，以及由微波信号发生器5和第二电光调制器4产生与布里渊频移相同大小的频移，以激发受激布里渊效应，该第二电光调制器4由微波信号发生器5产生的微波信号(约为11GHz)驱动。
之后，经过第一光隔离器6进入第一掺铒光纤放大器7，将第一路脉冲光信号的信号功率放大到足够的功率以激发布里渊动态光栅(即放大到能够激发布里渊动态光栅的功率)，放大功率后的第一路脉冲光信号再通过第一偏振控制器8将该路脉冲光的偏振态调整到与传感光纤9(传感光纤截面结构如图2所示)快轴平行的位置(其中，传感光纤采用的是双折射频移约为40-60GHz的高双折射边孔光纤)。
上述光耦合器2输出的第二路泵浦光信号经由第三电光调制器10将泵浦光调制为脉冲光即第二路脉冲光信号，该第三电光调制器由脉冲信号发生器17驱动。之后，该第二路脉冲光信号再经过第二隔离器11、第二掺铒光纤放大器12后，由第二偏振控制器13将其偏振态调整到与传感光纤9的快轴平行的位置。
上述的第二掺铒光纤放大器12用于将第二路脉冲光信号的功率放大到能够激发布里渊动态光栅的功率。
所述传感光纤9的输入端连接所述第一偏振控制器8，所述传感光纤9的输出端和所述第二偏振控制器13的输出端分别连接偏振分束器14的输入端，经由所述偏振分束器14的第一路脉冲光信号和第二路脉冲光信号在传感光纤9中产生位置和宽度可调的布里渊动态光栅。
读取部分：第二激光器15产生的探测光频率比第一激光器1的频率低一个双折射频移(约40-60GHz)，并由声光调制器16调制成脉冲光。该声光调制器16同样由脉冲信号发生器17驱动，特别注意的是，其上升沿落后用于调制泵浦光的脉冲信号时间小于声子的寿命，如图3所示。之后，光信号经过第三掺铒光纤放大器18放大到足够读取动态光栅的功率，并由第三偏振控制器19将偏振态调整到与传感光纤9慢轴平行的位置。当该光信号通过光环形器20、偏振分束器14进入传感光纤9后，会被布里渊动态光栅反射(该反射光信号比探测光低一个布里渊频移)，进入光电探测器21，并最终由数据采集系统22将数据采集到上位机上进行处理。
也就是说，读取部分可理解为：声光调制器16的输入端连接第二激光器15的输出，并输出调制后的脉冲探测光经由第三掺铒光纤放大器18输入至第三偏振控制器19，其中，第三掺铒光纤放大器18将脉冲探测光的功率放大到能够读取布里渊动态光栅的功率，所述第三偏振控制器19将功率放大后的脉冲探测光的偏振态调整到与传感光纤9的慢轴平行的位置；
经由所述第三偏振控制器19的脉冲探测光通过所述光环形器20、偏振分束器14进入传感光纤9后，被布里渊动态光栅反射后，进入光电探测器21，数据采集系统22采集光电探测器21的电信号，并传送到上位机。
上述的分布式液压传感器系统中，探测光和泵浦光分别于传感光纤的两个主轴平行(即上述的快轴和慢轴)，由此，可以安全测量油气管道液压。在传感光纤两端分别注入第一激光器对应的泵浦光产生布里渊动态光栅，并在其中一端注入探测光，以读取布里渊光栅。该处的探测光是指第二激光器15发出的光信号，经过声光调制器16，第三掺铒光纤放大器18，第三偏振控制器19，光环形器20，而后进入传感光纤8的这一路光信号。
其中，两束脉冲泵浦光的偏振态与边孔光纤的一个主轴平行；同时，注入脉冲探测光，且偏振态与边孔光纤另一个主轴平行，以读取布里渊动态光栅。
本实施例中，边孔光纤作为传感光纤，是一种保偏光纤。保偏光纤由于具有很高的双折射，在不同的主轴上，折射率不同，从而导致光沿着不同主轴传播时具有不同的传播速度，传播速度快的主轴称为快轴，传播速度慢的称为慢轴。
布里渊动态光栅的位置由两泵浦光时延差调节，长度由两泵浦光脉宽调节，通过测量布里渊动态光栅反射谱，再将液压大小与反射谱频移对应起来，可以实现在整个传感光纤上的分布式液压测量。当泵浦脉冲宽度小于1m时，空间分辨率可以突破声子寿命限制而小于1m。
本实施例中，布里渊光栅的位置由两个泵浦光之间的发射时间差决定，通过调节这个时间差，可以使得布里渊光栅在整个光纤上任意位置移动。
通常，传感光纤的长度与待测液压的管道应保证长度一样。图2中，a为纤芯半径，2a为实心掺杂的二氧化硅的纤芯直径，直径通常为8-10μm；r为空气孔半径，2r为空气孔直径，不是孔与管道内壁之间的距离；R为包层半径，2R为包层直径；2r与2R之间没有一定的比例关系。
不同种类的传感光纤的布里渊频移稍有不同，通常约为11GHz。即“反射光的信号频率比探测光频率低大约11GHz”，与布里渊频移相同。
本实施例中的反射光信号是指探测光与布里渊动态光栅作用后被反射回来的信号。
最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种基于布里渊动态光栅的分布式液压传感器系统，其特征在于，包括：
待测液压的管道；铺设管道内部的传感光纤，所述传感光纤紧贴所述管道内壁铺设；
基于布里渊动态光栅原理检测传感光纤的双折射频移的分布式液压传感器，连接分布式液压传感器的上位机；
所述分布式液压传感器、上位机分别位于管道外侧；
所述液压传感器包括：用于在传感光纤中产生布里渊动态光栅的光路元件和用于读取布里渊动态光栅的光路元件；以及将从布里渊动态光栅反射的光信号转换为电信号的光电探测器，采集光电探测器的电信号的数据采集系统；
所述液压传感器通过数据采集系统将采集的数据传送到上位机中，所述上位机根据双折射频移与液压的对应关系，获得传感光纤所在管道内的液压。
2.根据权利要求1所述的分布式液压传感器系统，其特征在于，所述传感光纤为边孔光纤；所述边孔光纤的双折射频移为40-60GHz；
所述边孔光纤的两个空气孔及掺杂二氧化硅的纤芯的圆心在一条直线上，且每一空气孔直径为30-10um，所述纤芯的直径为8-10um，两个空气孔中心之间的距离为40-50um。
3.根据权利要求1所述的分布式液压传感器系统，其特征在于，所述分布式液压传感器包括：
第一激光器(1)，光耦合器(2)、第一电光调制器(3)、第二电光调制器(4)、第一隔离器(6)、第一掺铒光纤放大器(7)、第一偏振控制器(8)、传感光纤(9)；
第三电光调制器(10)、第二隔离器(11)、第二掺铒光纤放大器(12)、第二偏振控制器(13)、偏振分束器(14)；
第二激光器(15)、声光调制器(16)、第三掺铒光纤放大器(18)、第三偏振控制器(19)、光环形器(20)；
其中，光耦合器(2)的输入端连接第一激光器(1)的输出端；所述光耦合器(2)输出的第一路泵浦光信号经由第一电光调制器(3)和第二电光调制器(4)调制成第一路脉冲光信号，经过第一隔离器(6)进入到第一掺铒光纤放大器(7)，所述第一掺铒光纤放大器(8)将第一路脉冲光信号的功率放大到能够激发布里渊动态光栅的功率；放大功率后的第一路脉冲光信号通过第一偏振控制器(8)，使得放大功率后的第一路脉冲光信号的偏振态与传感光纤的快轴平行的位置；
所述光耦合器(2)输出的第二路泵浦光信号经由第三电光调制器(10)调制成第二路脉冲光信号，经过第二隔离器(11)进入到第二掺铒光纤放大器(12)，所述第二掺铒光纤放大器(12)将第二路脉冲光信号的功率放大到能够激发布里渊动态光栅的功率；放大功率后的第一路脉冲光信号通过第二偏振控制器(13)，使得放大功率后的第一路脉冲光信号的偏振态与传感光纤的快轴平行的位置；
所述传感光纤(9)的输入端连接所述第一偏振控制器(8)，所述传感光纤(9)的输出端和所述第二偏振控制器(13)的输出端分别连接偏振分束器(14)的输入端，经由所述偏振分束器(14)的第一路脉冲光信号和第二路脉冲光信号在传感光纤(9)中产生位置和宽度可调的布里渊动态光栅；
声光调制器(16)的输入端连接第二激光器(15)的输出，并输出调制后的脉冲探测光经由第三掺铒光纤放大器(18)输入至第三偏振控制器(19)，其中，第三掺铒光纤放大器(18)将脉冲探测光的功率放大到能够读取布里渊动态光栅的功率，所述第三偏振控制器(19)将功率放大后的脉冲探测光的偏振态调整到与传感光纤(9)的慢轴平行的位置；
经由所述第三偏振控制器(19)的脉冲探测光通过所述光环形器(20)、偏振分束器(14)进入传感光纤(9)后，被布里渊动态光栅反射后，进入光电探测器(21)，
所述数据采集系统(22)采集光电探测器(21)的电信号，并传送到上位机。
4.根据权利要求3所述的分布式液压传感器系统，其特征在于，
所述分布式液压传感器还包括，微波信号发生器(5)和脉冲信号发生器(17)；
所述微波信号发生器(5)产生的微波信号11GHz驱动第二电光调制器(4)；
脉冲信号发生器(17)产生的脉冲信号分别驱动第一电光调制器(3)、第三电光调制器(10)和声光调制器(16)；
其中，所述脉冲信号发生器(17)产生的用于驱动声光调制器(16)的脉冲信号的上升沿的时间点与脉冲信号发生器(17)产生的用于驱动第一电光调制器(3)的脉冲信号的上升沿的时间点之间的时间差小于声子的寿命。
5.根据权利要求3所述的分布式液压传感器系统，其特征在于，
所述分布式液压传感器还包括，脉冲信号发生器(17)；
脉冲信号发生器(17)产生的脉冲信号分别驱动第一电光调制器(3)、第三电光调制器(10)和声光调制器(16)。
6.根据权利要求3所述的分布式液压传感器系统，其特征在于，
所述第二激光器(15)产生的用于探测的激光频率比第一激光器(1)产生的用于产生布里渊动态光栅的激光频率低一个双折射频移40-60GHz。
7.根据权利要求3所述的分布式液压传感器系统，其特征在于，
待测液压的管道为油气管道。
8.根据权利要求3所述的分布式液压传感器系统，其特征在于，与第一激光器(1)对应两泵浦脉冲光的脉宽为2ns～100ns。
9.根据权利要求3所述的分布式液压传感器系统，其特征在于，所述脉冲探测光的脉宽为2ns～100ns。
10.根据权利要求3所述的分布式液压传感器系统，其特征在于，脉冲探测光在时间上滞后所述泵浦脉冲光1ns～10ns。
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