光纤传感技术在长输管道的泄漏检测与定位中的应用

1、北京工业大学硕士学位论文光纤传感技术在长输管道的泄漏检测与定位中的应用姓名：孙文韬申请学位级别：硕士专业：光学指导教师：宋晏蓉20070501摘要由于自然腐蚀、老化以及人为破坏等原因，长输管道泄漏时有发生，造成了巨大的经济损失、环境破坏甚至人员伤亡。因此对于管道泄漏的检测与定位技术的研究就具有重大意义目前，分布式光纤传感器的研究是国内外无损检测领域的一个热点，但是，虽然国内外针对用于大型结构健康监测的分布式光纤温度、应变传感器进行了许多卓有成效的研究工作，但这些传感器一般用以检测静态损耗和变化缓慢扰动，不适合管道泄漏实时检测，并且对小泄漏不敏感。迄今为止，国内外还没有形成一套完善的、有效的用于

2、长距离管道泄漏实时监测的分布式光纤传感系统。本课题特点在于，采用基于效应的分布式光纤声学传感器对管道泄漏进行检测和定位。综述了管道泄漏监测的现状和使用的传统方法，以及分布式光纤传感技术的历史、现状和发展方向等内容。理论上研究了泄漏声发射信号对光信号的相位调制机理和泄漏声信号的光学参数表征；讨论了非互易相位调制的干涉原理，并用此原理设计了分布式光纤声学传感器：从理论上讨论了压电陶瓷（）模拟声发射信号的机理，并设计了用于模拟泄漏信号的相位调制器。阐述了偏振控制器的工作原理，比较了几种常用的偏振控制器，给出了描述传输光偏振态的方法及偏振角的计算方法。将分布式光纤声学传感器应用到管道泄漏检测系统中，首

3、先判断是否有泄漏发生，并对泄漏点进行定位。在实验室条件下进行了实验研究。采用环形结构，当系统总长时，测量结果与实际泄漏点相对误差为；采用直线型结构，在系统总长为时，测量结果与实际泄漏点相对误差为，关键词：效应：分布式光纤传感；泄漏检测：偏振，锄屺，钾饥￥鲥矗幅，娜：，矧融吒即吐锄，缸￥剐剐璃，胛蹴：，越。强坫。幅托掣骶，蜮￥，帐、佗曙罄刚卫北：强，：￥；月蒯；独创性声明本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材

4、料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。签名：硷垒捡日期：亟：关于论文使用授权的说明本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。（保密的论文在解密后应遵守此规定）签名：豳！盘拯导师签名：燧日期：互塑兰，引言第章绪论现代管道运输起始于世纪中叶，自年在美国宾夕法尼亚洲泰特期绍尔油田内建成世界上第一条输油管道（管径，长）至今，管道运输业已有近年的历史。管道具有特殊优势，尤其是在输送气体、液体等物质的时候其优势就更加明

5、显，因此，管道运输业已经成为与铁路、公路、航空、水运并驾齐驱的五大运输手段之一年，我国在克拉玛依油田建成了第一条长距离输油管道【；此后，随着大庆、辽河、胜利等油田的开发，我国的长输管道建设进入了一个新的发展时期。截至年底，我国已经建成天然气管道总长度万余公里。其中，陆上管道已超过万公里，海洋管道达多公里，目前在建和拟建的管道总里程也有万多公里，城市天然气管网也以前所未有的速度在发展【埘。城市供水系统也是极为庞大的管道网络。年底，仅北京市区供水管线总长度就达到公里【”。管道运输主要用于能源输送，普遍用于石油、天然气、液化石油气，化工原料等的输送。在全球已建成的多万公里管道中，输气管道占近，原油管

6、道和成品油管道各占多，化工和其他管道不足。目前，世界管道总长度已超过了世界铁路总里程，成为能源运输的主要方式，世界上的天然气、以上的原油的运输是通过管道输送实现的。在发达国家，成品油的远距离运输主要靠管道。欧美发达国家和中东产油区的油品运输现已全部实现了管道化【】。但是，由于老化、腐蚀、人为损坏等原因，管道泄漏事件频频发生。总的来说，我国的大型油气管网敷设技术己达到或接近国际先进水平，能够成功地在各种地质条件复杂、地理环境特殊的地区建设油气管道。但是，管网运行安全检测技术相当落后，而且由于管道所传输的介质的危险性和污染性，一旦发生事故将会造成巨大的生命财产损失和环境污染。，因此，对长输管道泄漏

7、检测和定位技术的研究具有很高的学术和工程实用价值，可为流体管网泄漏的测定、评估和安全管理提供科学对策和方法。管道泄漏检测、管道泄漏检测的现状国内外对管道泄漏检测方法的研究已经有几十年的历史了，但是由于管道泄漏检测的复杂性，管道输送介质的多样性、管道所处环境的多样性、泄漏形式的多样性等等，现在没有一种简单、可靠、通用的方法能够很好地解决管网的各种泄漏的检测问题。管道泄漏检测的传统方法管道泄漏检测技术从不同的侧重点出发有不同的分类方法：按采用的技术不同可分为基于硬件的方法和基于软件的方法；按检测方式不同可分为外部检测法和内部检测法；按是否依赖管网流体力学参数可分为依赖管网流体力学参数的方法和不依赖

8、管网流体力学参数的方法。虽然检测技术的分类各不相同，但总结起来，国内外管道泄漏检测的传统方法主要有：（）负压波法当管道泄漏时，泄漏点的压力会突然下降，因此在流体中会产生一个瞬态负压波，负压波沿管道向上下游传播。由于管道的波导作用，负压波可传播数十公里的距离。根据负压波向上下游传播的时间差和负压波的传播速度即可以对泄漏进行定位”】负压波检漏法的特点是能迅速地检测出大的泄漏，对于检测过程中突然爆发的泄漏检测效果好，但对于比较小的泄漏或者缓慢泄漏效果不佳特别是，当泄漏已经发生，负压波法将失去检测能力（）管道爬机法将管道爬机从一端放入管道，顺流而下，利用超声波、涡流、录像等技术采集有关管道内流动和管壁

9、完好程度的信息【“”。在国外，这项技术已经比较成熟，并己用于各种管道检测中，该方法检测准确，精度较高；但是，对管道要求严格，只适用于没有太多接头和转弯的管道。（）声发射技术（。简称）利用流体泄漏时引发的沿管壁传播的应力波来判断泄漏和定位。作为一种动态无损检测方法，声发射技术可以实现对结构区域或整体的大范围检测，检测效率较高，因此该方法对于管道的泄漏监测具有潜在的特殊优势【”但是，由于泄漏声发射信号及影响其传播因素的复杂性，使得泄漏声发射检测技术推广应用于工业管道泄漏检测面临一些亟待解决的问题，如信号解释问题、定位问题和噪声剔除问题等【“（）流量平衡法基于管道流体流动的质量守恒关系，根据管道进出

10、口的流量测量值，结合管道中流体的流量分析，确定管道是否发生泄漏【”该方法简单直观，但是不能定位，而且对任何一个扰动都很敏感，易造成误检。（）压力坡降检测法基于正常输送时站间管道的压力波降呈斜线，当泄漏发生时，漏点前的流量变大，坡降变陡，而漏点后流量变小，坡降变平，因此，沿管线的压力坡降呈折线状。折点即为泄漏点，据此可算出实际泄漏位置”光纤传感器检测管道泄漏目前，光纤因其抗电磁干扰能力强、电绝缘、耐腐蚀、重量轻、灵敏度高，测量对象广泛等优点已经开始取代一些传统的传感技术，并且应用于各种外界物理量的测量中。目前广泛应用于长输管道的泄漏检测中。光纤传感器的基本原理是】：光波在光纤中传播时表征光波的特

11、征参量（强度、相位、偏振态、波长等）因外界因素（如温度、压力应变、磁场、电场、位移、转动等）的作用而间接或直接的发生变化，从而可使光纤用作传感元件来探测各种物理量。与传统传感器相比，光纤传感器具有其独特的优势：灵敏度高。光纤传感器的灵敏度优于一般的传感器。尤其是在测量一些特殊物理量的时候，如加速度、磁场、水声等，光纤传感器的灵敏度显著要高于一般传感器。重量轻、体积小。光纤除了具有重量轻、体积小的优点外还可绕曲，这对于制作不同外型和尺寸的传感器提供了很大的方便和可能。抗电磁干扰、电绝缘、耐腐蚀由于光纤传感器是利用光波传输信息，而且光纤又是耐腐蚀、电绝缘的传输煤质，因此光纤传感器安全可靠，尤其适用

12、于检测石油化工等强电磁干扰和易燃易爆的恶劣环境中。对被测介质影响小、成本低、易于复用。此外，由于同时获得的信息量大，单位时间所需的费用大大降低，性价比很高，所以很适合长距离管道泄漏的实施监测。光纤传感器按传感原理可分为非功能型和功能型。非功能型光纤传感器是利用其它敏感元件感受被测量变化，而光纤仅作为传输煤质，所以又称作传光型传感器。功能型光纤传感（分布式光纤传感）系统原理则是同时利用光纤做为传感敏感元件和传输信号介质，采用先进的技术，探测出沿着光纤不同位置的温度和应变的变化，实现真正分布式的测量。本文中采用分布式光纤传感技术，以下所说的光纤传感即为分布式光纤传感。分布式光纤传感技术分布式光纤传

13、感技术的研究历史在光通信系统中，光纤被用做远距离传输光波信号的媒质。显然，在这类应用中，光纤传输的光信号受外界干扰越小越好但是，在实际的光传输过程中，光纤易受外界环境因素影响，如温度、压力、电磁场等外界条件的变化将引起光纤光波参数如光强、相位、频率、偏振、波长等的变化。因此，人们发现如果能测出光波参数的变化，就可以知道导致光波参数变化的各种物理量的大小，于是产生了光纤传感的构想上世纪年代，科学家首次将低损耗光纤用于传感而非通讯目的的实验但是受到光源光功率特别是光纤传输损耗的限制，光纤传感器诞生之初，主要进行单点测量，还不能实现长距离分布式测量。然而随着大功率光源和低传输损耗光纤的出现，使长距离

14、分布式光纤传感成为可能。自从上个世纪年代首个分布式光纤传感原理被提出以来嗍，随着研究的深入，光纤传感在多个领域得到了广泛运用由于它具有可以获得被测量信息在时间上和空问上连续分布的特点，以及光纤作为传感元件的诸多优点，非常适用于工程结构监测。年提出了光时域反射（）技术，这是实现分布式光纤传感的关键技术。等在年提出了一种基于和干涉仪组合的新型分布式光纤传感系统对沿光纤长度上的扰动进行检测和定位。年等开发了基于弘效应的分布式光纤声学传感器蚓。来检测用以保护地下电缆的管道内绝缘液的泄漏。根据检测空间范围的不同，分布式光纤传感器可以分为全分布式光纤传感器和准分布式光纤传感器下面我们主要介绍全分布式传感技

15、术全分布式光纤传感技术全分布式光纤传感技术使利用一根光纤作为延伸的敏感元件，光纤上的任意一段既是敏感单元又是其它敏感单元的信息传输通道，因而可获得被测量的沿此光纤空间和时间变化的分布信息。它消除了传统传感器存在的“盲区”，从根本上突破了传统的单点测量限制，是真正意义上的分布式光纤传感器。另外，由于全分布光纤传感器利用一根光纤取代大量的分立传感器，大大降低了造价，可以获得较高的性价比，因此在检测中越来越广泛应用全分布式光纤传感技术的方法主要有光时域反射法（唧）和干涉法。光时域反射法光时域反射（）技术是由“在年提出的，是实现分布式传感的关键技术。它的基本原理是光源发出的光在沿光纤向前传输的过程中产

16、生后向散射，后向散射光强在向后传播过程中随着距离增长而按一定规律衰减，在光速不变的情况下，距离与时间成正比；因此根据探测器探测到的后向散射光强及其到达探测器的时间，就可以知道沿光纤路径上任一点的初始后向散射光强。图是基于后向散射的光纤分布式传感器的测量原理图：图卜后向散射光纤传感器原理（驯当光通过被测物理场时，光的能量一部分沿着光纤传输通道继续传播：一部分在传输过程中被吸收损耗或是散射至光纤外；一部分被耦合至接收通道，被光电探测器探测。后向散射光强的数学表达式为：（）鲁晶（）（咖缸（）（）式中尸砂一一时刻后向反射到光纤入射端的光功率；。一一光脉冲在光纤中传播速度；尼一输入光功率：俐一一后向反射

17、因子：口（）一一单位散射系数；口（）一光散射和光吸收系数沿光程上积分和的一半光的后向散射包括瑞利散射（士）、拉曼散射（）和布里渊散射（）三种形式。（）基于瑞利散射的分布式光纤传感技术瑞利散射是由光纤材料不均匀导致光纤的折射率不均匀所引起的，它是光与物质之间发生的弹性散射，在散射过程中不发生频移。光的后向散射中，瑞利散射的光功率比拉曼散射和布里渊散射的光功率大很多，因此，主要通过测量瑞利后向散射光强的变化来进行扰动定位当窄带光脉冲被注入到光纤中时，系统通过测后向散射光强随时间变化的关系来检查光纤的连续性并测出其衰减。瑞利散射的光功率为：足（）（）（）式中一一距光纤注入端的距离；一一光纤的衰减系数

18、；一一光纤注入端的脉冲功率；一一后向散射系数；如一一与光纤瑞利散射截面有关的系数。当激光脉冲在光纤中传输时，在光纤中产生瑞利散射。利散射光返回到光纤入射端所需的时间为，则有：三：三，距入射端处的局域瑞（）式中，一一光在光纤中的速度，且二刀一一真空中的光速：矗一一光纤折射率在利用后向瑞利散射的光纤传感技术中，一般采用光时域反射（鼬结构来实现被测量的空间定位技术可以确定光纤的损耗，光纤故障点、断点的位置因此，根据技术的特性可以将其应用到分布式光纤传感技术中，用以进行沿光纤长度上的扰动定位。（）基于拉曼背向散射的分布式光纤传感技术激光脉冲注入光纤，由于非弹性散射而产生拉曼散射，其中背向拉曼散射中因分

19、子能级间的转换，包含有高于入射光频率的斯托克斯光（）和低于入射光频率的反斯托克斯光（）斯托克斯光和反斯托克斯光的光强表达式分别为：（）嵋晶（一口。一口），），、只（）：。麓（一一）凡（）式中，髟一一与光纤斯托克斯和反斯托克斯拉曼散射截面有关的系数；一一光纤的背向散射因子：略，屹一一斯托克斯和反斯托克斯散射光子频率；一一入射光光纤传输损耗；一一斯托克斯散射光光纤传输损耗：一一反斯托克斯散射光光纤传输损耗；一一光纤待测局域处长度；（），兄（）一一与光纤分子低能级和高能级上布居数有关的系数。由于反斯托克斯光强大于斯托克斯光强，且对温度敏感，因此可通过光时域反射技术测量背向散射的反斯托克斯光强，得到沿

20、光纤长度各点的温度分布。但由于拉曼散射光强较弱，且存在环境噪音影响，所以用这种方法测量温度分布，距离短、信号弱、空间分辨力低因此我们采用双通道双波长比较的方法来提高测温精度。以光强较大的反斯托克斯光作为信号通道，斯托克斯光作为参考通道，通过两者比较解调温度。（）基于布里渊散射的分布式光纤传感技术布里渊散射是光波与声波在光纤中传播时相互作用而产生的光散射过程，在不同的条件下，布里渊散射又分别以自发散射和受激散射两种形式表现出来。利用布里渊散射技术测量温度和应变较拉曼散射有更多的优点：其信号较强（约比拉曼散射大纠）。如果用单模光纤作为传感光纤，其工作波长可为和。特别地，是光纤的第三个窗口波长，光信

21、号的衰减和色散都很小，适用于长距离测试。因此，基于布里渊散射的分布式光纤传感器较基于拉曼散射的分布式光纤传感器有更好的发展潜力。基于布里渊散射的分布式光纤传感技术主要有布里渊时域分析法（）和布里渊时域反射计法（：）其主要区别在于利用自发布里渊散射，只需要单端测量，实际使用方便；而则需要两个光源，系统较复杂，但是精度要高一些。干涉法光纤干涉型传感器主要是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，而导致光的相位变化，使两束单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息【】。干涉式光纤传感器以其具有的高灵敏度、大动态范围

22、等特点，近年来得到了快速发展，且一些传感器已经得到了广泛应用，如光纤陀螺、水听器等等。随着光纤传感技术的快速发展，越来越多的人开始着手研究用于长时间、大面积、实时监测的传感器，而分布式传感技术恰能满足这一要求。干涉型传感器是我们所研究的重点，其原理将在下一章详细分析分布式光纤传感技术的发展方向虽然，这二三十年来，随着光电子技术突飞猛进的发展，光纤传感技术也有了长足的进步，但是，光纤传感技术的现状仍然远远不能满足实际需要，还有许多有待解决的问题。近些年来，虽然世界各国科研人员对各种各样的光纤传感机理进行了大量的研究和开发，但是，被人们寄予厚望的光纤传感器始终没有成为主导传感技术还有很多问题需要研

23、究解决为了实现高效、精确的测量，今后还有在以下几个方面继续努力：传感器的实用化研究，提高测量系统的测量范围，减少测量时间，提高传感系统，尤其是传感器的性价比新传感机理的研究，开拓新型光纤传感器。将新型光纤材料（如，增敏和去敏光纤、荧光光纤、电极化光纤等）用于传感系统，以适用于不同的测量要求。，充分发挥微处理技术和计算机软件功能以改善和补偿光纤传感器的性能。形成数字化、集成化、自动化的光纤传感系统本文的主要研究内容分布式光纤传感器的研究是国内外无损检测领域的一个热点，但是，虽然目前国内外针对用于大型结构健康监测的分布式光纤温度、应变传感器进行了许多卓有成效的研究工作，但这些传感器一般用以检测静态

24、损耗和变化缓慢扰动，不适合管道泄漏实时检测，并且对小泄漏不敏感。迄今为止，国内外还没有形成一套完善的、有效的用于长距离管道泄漏实时监测的分布式光纤传感系统本课题特点在于，采用基于效应的分布式光纤声学传感器对管道泄漏进行检测和定位。文章结构如下：第一章绪论，综述了管道泄漏监测的现状和使用的传统方法，以及分布式光纤传感技术的历史、现状和发展方向等内容第二章介绍了光纤传感原理，主要对相位型光纤传感理论进行了阐述理论上研究了泄漏声发射信号对光信号的相位调制机理；研制了基于非互易相位调制干涉原理的分布式光纤声学传感器采用压电陶瓷（）来模拟声发射信号，并从理论上证明了其可行性。第三章阐述了偏振控制器的工作

25、原理和数学描述第四章实验，对分布式光纤声学传感器在管道泄漏检测系统中的应用进行研究。引言第章光相位调制原理光纤传感技术是伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而迅速发展起来的一种以光为载体，光纤为媒质，感知和传输外界信号（被测量）的新型传感技术口”。外界信号按照其变化规律使光纤中传输的光波的物理特征参量，如强度（功率）、波长，频率、相位和振幅等发生变化。因此，光纤传感器按被调制的光波参数不同又可分为强度调制光纤传感器、相位调制光纤传感器、频率调制光纤传感器、偏振调制光纤传感器和波长调制光纤传感器。本章主要分析外界信号变化对光纤中传输光的相位调制机理。在光纤中传输的光波可用方程表示为（）式中磊一一光

26、波的振幅；一一频率；口一一初相位。式（一）中包含五个参数，即强度霹，频率，波长厶，相位（甜）和偏振态，被测量在敏感头内与光发生相互作用，如果作用的结果是改变了光的强度，就叫强度调制型光纤传感器，其它依此类推。因此，就得到了五种调制类型的光纤传感器。但是，无论是探测哪种物理量，其工作原理无非都是用被测量的变化调制传输光光波的某一参数，使其随之变化，然后对已调制的光信号进行检测，从而得到被测量。我们所研究的光纤干涉型传感器，也被称为相位调制型光纤传感器。因此本章我们主要阐述光相位调制原理。光相位调制原理的类型光相位调制的基本原理是利用被测对象对敏感元件的作用，使敏感元件的折射率或传播常数发生变化，

27、而导致光相位的变化，使两柬单色光所产生的干涉条纹发生变化，通过检测干涉条纹的变化量来确定光的相位变化量，从而得到被测对象的信息。利用光相位调制来实现一些物理量的测量可以获得极高的灵敏度。其开发应用已经有一百多年的历史，广泛应用于高分辨率实验室测量装置。功能型光相位调制原理。功能型调制，外界信号通过光纤的应力应变效应、热应变效应、弹光效应等使传感光纤的几何尺寸和折射率等参数发生变化，从而导致光纤中的光相位变化，以实现对光相位的调制。光波通过长度为，的光纤相位延迟为妒（）式中户一一光波在光纤中的传播常数，卢咄，；其中刀一一纤芯折射率；毛一一光在真空中的波数，衫凡；一一光真空中的波长。当传感光纤受机

28、械力或温场作用时，将导致一系列物理效应，使光纤的参数变化，其中的纵向应变效应使光纤的长度，变化（，）；横向泊松效应使光纤的芯径纽变化（口），进而导致传播常数变化（）；弹光效应和热光效应使光纤的纤芯折射率刀变化（）传感光纤的上述参数变化都将引起光纤中的光波相位变化将（）微分，得到舻出班（孚）愕）惺，式中第一项表示传感光纤长度变化引起的相位差，第二项为传感光纤折射率变化引起的相位差，第三项为传感光纤芯径变化引起的相位差，由于其值相对很小，一般可以忽略不计。则（）式可简化为舻（孚愕血睁），效应光相位调制效应相位调制，是指外界信号不改变光纤本身的参数，而是通过旋转惯性场中的环形光纤，使其中相向传播的两

29、束光产生相应的光程差，以实现对光相位的调制。如图盯蕾止运动图效应示意图【蚓掣图一所示，当环形光路静止时，光束进入系统后分成两束相反方向传播的光波，它们在经过相同光路，以相反方向传播后返回分束点。图所示，当环形光路在惯性空间绕垂直于光路平面的轴转动时，光路内相向传播的两列光波之间将因光波的惯性运动产生光程差，从而导致光的干涉。设环形光路半径为，以角速度绕垂直于环路所在平面并通过环心的轴旋转。环路中的两列光波同时从膨处开始分别沿顺时针（）方向和逆时针方向（）相向传播。设光波在静止环路中传播一周所需时间为，则，为环路中的光速。根据惯性运动原理，与环路旋转同向的顺时针方向（）波列在时间内超前达到，其光

30、程为钾（）与环路旋转反向的逆时针方向（）波列在时间内迟后达到，其光程为【石（）则顺、逆两列波在环路中传播一周产生的光程差为。垃（面一罴）竿，一尬。由于光纤环路面积为，则世：兰兰（）式（）说明，沿顺时针方向（）和逆时针方向（）传播的两柬光光程差与闭合回路的旋转角速度及回路面积成正比，与真空中的光速成反比如果采用单模光纤构成长度为上的环形光路，则光波渡越光纤环路产生的相位移为：（）式中，一一光波频率刀一一光纤纤芯折射率一一真空中光速对（）式中工进行微分，并将（）式代入，可以得到与光程差业相应的相位差叠：堕堕（）厶，外界信号可通过旋转光纤环对光纤中的光束进行相位调制，产生相应的和两列光波的相位差光纤

31、相位调制相位调制光纤传感器的基本传感原理呻是：通过被测能量场的作用，使光纤内传播的光波相位发生变化，再用干涉测量技术把相位变化转换为光强变化，从而检测出待测的物理量。从式（）的分析可知，光纤中的光相位由光纤波导的物理长波】、折射率及其分布、横向几何尺寸所决定。一般而言，应力、应变、温度等外界物理量能直接改变上述三个波导参数，产生相位变化，实现光纤的相位调制。下面具体讨论引起敏感光纤中光相位调制的两种物理效应应力应变对光纤相位的影响当光纤受到轴向的机械应力作用时，光纤的长度、芯径纤芯折射率都将发生变化，这些变化导致光波的相位变化。上文已经提到，光波在外界因素作用下。相位的变化可以写成（）式所表达

32、的形式妒螂）叫（孚愕）（警）血由此可看出，（）式中，第一项表示由光纤长度变化引起的相位延迟（应变效应）；第二项表示感应折射率变化引起的相位延迟（光隙效应）；第三项表示光栅的半径改变引起的相位延迟（泊松效应）根据弹性力学原理，对各向同性材料，其折射率的变化与对应的应变毛有如下关系（）式中，几，儿是光纤的光弹系数，其中凡（。一：）；毛和毛是光纤的横向应变；岛为光纤的纵向应变。因为（笥忙哪，批，所以印一圭司鹋（垃）假设光纤芯为各向同性材料，有毛毛，且一码玛，则有，一互万（。：）毛，。：毛，：一互捍（。：）毛：毛，一【崩：毛，毛】（）（）（）（）设卢，归钿州凡，毛，则（）式可改写为妒毛三聘（）气岛扇丌

33、爿艮庇肌凡用几蛆迥迥蛆皑饯只有纵向应变时，毛岛，由于光纤中光的传播是沿横向偏振的，仅考虑折射率的径向变化，将式（）代入式（）得到妒（）岛（）径向应变引起的相位变化此时毛，对于轴向对称的径向应变毛毛丝，考虑泊松效应时，由（）得妒驯意（警）（，卜枷，式中，蔓传播常数的应变因子。不考虑泊松效应时有吉（）（）光弹效应引起的相位变化此时纵、横向效应同时存在，将式（）代入式（一）得相位变化为万三岛一玎（，。：）毛一厅：岛（）一般形式的相位变化当纵向应变为伸长时，横向应变为缩短；纵向应变为缩短时，横向应变为伸长。两者符合相反，符合虎克定律。，悼，（）毛式中，是泊松比，为常数；且毛毛则式（）写为舻慨工

34、8;以一）卜伽警毛浯。，温度应变对光纤相位的影响温度应变效应与应力应变效应相似【。将光纤放置在变化的温度场中，且把温度场变化等效为作用力，则，将同时对光纤纤芯折射率和光纤长度工的变化产生影响。由引起的光相位变化为害（嘉舭（芸）（骞呈箬）（）式中第一项表示由折射率变化引起的光相位变化；第一项表示由光纤长度变化引起的光相位变化。式中忽略了光纤直径变化引起的光相位变化。用温度变化和相位变化表示（）式得盟工（鲁）一（等（）由于光纤中的光是横向偏振光，所以当仅考虑径向折射率变化时，其相位随温度的变化为笪：三立。一堕弘月（）吉嘉吉卜（）¨凡毛式中，和毛与应力应变的物理意义相同，且应变毛、毛与光纤

35、材料性质有关干涉式分布光纤传感技术因为目前的光探测器只能探测到光的强度信号，而不能直接探测光的相位信号，所以要采取一定的方式将光相位信号转换成相应的光强信号，这种转换方式就是干涉法，按照干涉法构成的光学系统统称为干涉仪【”】。由于干涉条纹记录了光的相位，当相位变化时干涉条纹随之变化，因此根据探测系统探测的干涉条纹变化情况可以解调出光相位的变化。例如，有振幅为和的两束相干光，若其中一束光的相位由于某种因素的影响受到调制，则这两束光产生干涉。干涉场中各点的光强可表示为（妒）（）式中，一是相位调制引起的两相干光之间的相位差。通过探测干涉光强度的变化，就可以确定两光束间的相位的变化，进而得到待测物理量

36、的大小。下面我们具体介绍几种光纤相位干涉仪。迈克尔逊（）光纤干涉仪图迈克尔逊干涉仪工作原理图怔细日如图所示为迈克尔逊干涉仪的工作原理图。当和鸩到的光程差小于激光器的相干长度时，入射到光探测器上的两相干光束便产生干涉干涉光强由式（）确定。两相干光的相位差为世，（）式中，毛是光在空气中的传播常数；越是两相干光的光程差。由式（）和（）可知，每移动，长度，光探测器的输出就变化一个周期基于干涉仪的分布式光纤传感结构如图图基于迈克尔逊干涉仪的分布式光纤传感器图所示系统，由光源、耦合器、法拉第旋转镜、检光器以及传感光纤和传输光纤组成。传感光纤中传输的光在某一外界物理场的作用下相位被调制，导致两路光的相位不同

37、，通过解调干涉光的相位变化可以获得物理场的信息。这种基于涉仪的分布式光纤传感器中要求传感臂和参考臂等长，且光源有较高的同调长度，这是发生干涉的条件。但要使传感臂和参考臂的光纤完全等长是很难实现的，因此存在着由于两臂不完全等长而引起的噪音。其优点在于两个法拉第旋转镜的应用，可使两路光的偏振态保持一致，因此不会出现偏振引起的信号衰减现象。马赫一曾德（）光纤干涉仪马赫一曾德尔光纤干涉仪是一种大型的光学仪器，适用于研究气体密度迅速变化的状态嗍其结构如图光源图马赫一曾德干涉仪工作原理图作为一个工程实用的传感器，最好采用全光纤干涉仪。图就是基于干涉仪的分布式全光纤传感结构。（）耦合器耦合器图基于马赫一曾德

38、干涉仪的分布式光纤传感器副珂噶盯吐电刊图所示的系统，由光源、个耦合器、检光器以及传感光纤和传输光纤组成。其工作原理是，光源发出的光经耦合器被分为两束，分别经传感光纤和参考光纤传输并在第二个耦合器处会合且发生干涉。其中参考臂与外界物理场隔离，以保证参考臂中传输的光不受外界影响，传感臂中传输的光在外界物理场作用下相位被调制，导致两路光产生相位差，通过解调干涉信号中的相位可获得物理场的信息基于干涉仪的分布式全光纤传感器与基于干涉仪的分布式光纤传感器同样要求传感臂与参考臂等长，光源有高的同调长度，且参考臂与外界物理场隔离其优点则在于体积小，机械性能稳定法布里一珀罗（）光纤干涉仪年，由法国物理学家法布里

39、与珀罗首先发明的多光束干涉仪”】，作为科学研究的精密光学仪器，已日益得到了越来越广泛的应用帅】乏刻传感器光源一：光探测苴盎定反射镜可移动反射镜图法布里一珀罗干涉仪工作原理图衲苜与迈克尔逊（）干涉仪、马赫一曾德（）干涉仪等单光束、双光束干涉仪不同，法布里一珀罗（）干涉仪是一种多光束干涉器件，它通常由两块平行放置的平板玻璃（平面镜）、激光器、光检测器和换能器等部分组成，在相对的两个平板玻璃上镀有薄银膜或其它具有高反射系数（）的薄膜，两镀银平板作为谐振腔其间隔可以改变。激光器输出的光束入射到干涉仪，在两个平行相对的反射镜表面做多次往返，透射出去的平行光束由光探测器接受。根据多光束干涉原理，探测器上探

40、测到的干涉光强的变化为仁厶静掰圳协”式中一一反射镜的反射率；一一一相邻光束间的相位差由式（）可知，当反射镜的反射率值一定时，透射的干涉光强随毋变化当（为整数）时，干涉光强有最大值；当（厅弦（为整数）时，干涉光强有最小值（告景）厶；这样，透射的干涉光强的最大值与最小值之比为；塑一月可见，反射率越大，干涉光前变化越显著，即有高的分辨率，这是法布里珀罗干涉仪最突出的特点。通常，可以通过提高反射镜的反射率来提高干涉仪的分辨率，从而使干涉仪测量有极高的灵敏度】。部分透射反射镜部分透射反射镜图基于法布里一珀罗干涉仪的分布式光纤传感器目蛐日图所示为法布里珀罗光纤干涉仪。它与一般法布里珀罗干涉仪的区别在于以光

41、纤光程代替了空气光程，以光纤特性变化来调制相位代替了以传感器控制反射镜移动来实现调相。萨格纳克（）光纤干涉仪效应是法国物理学家。在年首次发现并得到证实。输入图干涉仪原理图而它由一个分光器和三个反射镜构成闭合回路，输入光经分光器分成两柬方向相反的光，这两束光最后又回到分光器，且在这里发生干涉，干涉光从探测器输出当整个装置转动时，两束光产生一定的光程差，光程差的大小正比于转动角速度，即光程差与其旋转速度的解析关系。即外界信号可通过旋转光纤环对光纤中的光束进行相位调制。当把这种干涉仪装在一个绕垂直于光束平面轴旋转的平台上且平台以角速度转动时，根据效应，两束传播方向相反的光束到达光探测器的延迟不同其延

42、迟已由（）式给出矿：罂堕从式中我们可以看出，通过探测器检测干涉光强的变化，便可确定旋转角速度。由此可见，光纤干涉仪是构成光纤陀螺仪的基础图干涉仪型光纤传感器￥基于效应的分布式光纤传感器如图所示，利用经过同一路径的两路相反方向的光，在某一外界物理场的作用下，使两路光相位改变而产生干涉现象。由于两路相反方向的光通过物理场位置的时间不同，使光波间的相位变化也不同，因此干涉信号包含了不同的感应相位，解调干涉信号后即可得到时变物理场。基于效应的分布式光纤传感器主要优点在于，零光程差的特点，使之对光源同调长度要求低，易于发生干涉。本文中主要采用基于效应的分布式光纤声学传感器进行管道泄漏检测研究，下面主要介

43、绍其检测原理。基于干涉仪原理的分布式光纤声学传感器检测原理基于效应的分布光纤声学传感器系统基于干涉仪原理的管道泄漏检测技术，较马赫曾德干涉仪传感器的优点是，干涉仪为零光程差，因此不存在两传感臂长度不一致引起的噪音。且对光源要求低，可使用高功率的宽带光源，更适合长距离管道检测。图所示的干涉仪应用于管道泄漏检测系统，由光源、光纤环、光电转换器、耦合器、锁相放大器、信号处理和相位调制器几部分组成。光源发出的光经×耦合器分光后，分别沿干涉仪光纤环的顺时针和逆时针方向传播，并先后经过图所示的泄漏点橙群瘁世繁袒漏位直磁擎岛兰兰刍、爱霉：口图干涉型管道泄漏检测系统目日管道中流体泄漏后产生的冲击力作用到光纤上，使光纤沿长度发生变化，导致光纤中传播的导光相位被调制，经调制后的两路光在光电转换器处发生干涉。由于顺逆两束光经过泄漏点的时间不同，两路光被调制后产生相位差，根据效应，两束光在光电转换器处的干涉信号为：，彳占口（）：国（）式中一和占正比于输入功率；（一一管道中流体泄漏引起的两道光在干涉仪中的相位差；中：