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1、一文深度了解光纤传感器的应用场景 文 | 传感器技术（WW_CGQJS）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
2、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
3、，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
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、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
16、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3Hz800Hz，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
