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1、泉州市科技局公开征集产业重大关键技术解决方案撰写提纲方案名称：光纤管道传感检测系统技术领域：光学与光纤传感材料、器件及技术产业领域：科学研究和技术服务和地质勘查业方案申请单位（盖章）：厦门大学方案负责人：李森森单位法人代表：朱崇实通讯地址：厦门大学海韵园区联系电话：/推荐部门：厦门大学科技处起止时间：2015年06月至2018年06月一、方案概述（简要说明方案立项的必要性、方案目标、研究内容、技术方案、筹资方案、组织方式、相关基础条件等）本方案将研制采用新型光纤及器件的管道压力、温度、流速/流量、应变等多参数传感器，及其在线监测系统，解决当前管网系统运行参数难以实现分布式、多点、多参数在线监测
2、和信号传输与融合问题，为管网系统的安全、高效、合理调度和运行提供保障。研究内容主要包括：用于传感的新型光纤和器件；基于光纤光栅和光纤干涉原理的压力、温度、流速、应变传感器及结构设计；传感器的制作工艺和封装技术；传感器信号检测和处理技术；传感系统的组网和通信、显示技术。厦门大学信息科学与技术学院在光纤传感技术方面有20多年的研究基础和较强的产品开发实力，在本方案的关键技术上有许多独到的技术和优势，已在新型光纤与器件、光纤传感技术方面申请和获得了10多项专利，发表了100多篇论文，完成了10多项的科研项目。合作单位泉州日新流量仪器仪表有限公司在管道传感器和检测仪表方面有多年的开发经验和应用历史，有
3、雄厚的产品开发实力和条件，建有全省技术领先的气体和液体流量检定装置和系统，经常受省相关部门委托为其它企业的产品提供检定服务。前期双方已经在光纤压力、温度和流速传感器的研制方面进行了紧密合作，加工试制了初步的样品，为本方案的实施提供了坚实的基础。二、方案立项必要性分析2.1国内外相关发展状况及方案需求分析 在工业生产和民用领域，各种管道是维持和维护生产和生活过程正常进行的关键和重要基础设施，对生产和生活正常进行起到非常重要的作用。本方案主要针对供水和供气管道当前在压力、温度、应变、流速/流量等多个参数实时在线监测的需要，以及在实施管道参数的多点、分布、长距离监测和信号传输方面遇到的难题，提出研制
4、采用新型光纤和器件的多参数光纤传感器和在线监测系统，克服当前采用传统电子式传感器件在实际应用中的瓶颈和大规模应用遇到的问题，为管网系统的参数监测提供新的途径，具有较大的创新意义和应用价值。由于管道系统应用的领域较多，下面我们以城市供水管道为例（供气管道情况相似），具体阐述管网系统参数监测的意义和作用。 近年来随着城镇建设速度的加快，自来水供水管网越来越庞大且分散。目前在国内各地的管网中，压力、流量和温度传感器的数量存在着很大的不足，在一些三线城市管网中甚至没有安装相应的检测仪器，无法进行管网系统的在线监测、调度和预警。各地每年都会因管网压力不当或其它因素引起漏损，造成巨大的水资源浪费和经济损失
5、，有的地区漏损率甚至达到3040%。在管网系统中，压力、温度和流速/流量是管网运行的关键参数，特别是通过压力参数可以对管道及设备运行状况进行动态监测，实现自动化的信息管理。如果能将管网各监测点的多种信息实时感测记录并直观显示，对了解管网当前运行状况，合理调度与决策，保障自来水供水管网经济、可靠运行将起到十分重要的作用。因此，开发能检测管道内流体压力、温度、流速/流量，以及管道应变、振动（与管道泄漏有关）的传感器，对建立起一套管网状态参数实时监测系统，建设节约型、智能和信息化城市，保护环境和保障生产生活正常进行，都具有非常重要的意义。2.2预期解决的重大问题 在现有城镇供水调度监控系统中，由于各
6、管网监测点分布范围广、数量多、距离远，个别还地处偏僻，采用传统电信号传感和传输的监测系统存在电缆铺设难度大、运行费用高、监测点需要供电、各种传感器集成和融合困难、不便于大规模使用等实际中难以解决的问题。为解决这一难题，近年来也有不少厂家开始研究如何将现有的电传感器在供水管网中应用，以及如何将多个参量的传感器集成在一个装置上。但由于不同参量的传感器检测原理通常都截然不同，还存在相互干扰的问题，集成难度很大；另外，这些基于电信号的传感器在检测和传输时极易受到环境电磁场和气候情况的干扰，同时，传感器的远距离供电和信号传输困难，多个传感器集成时装置的功耗太大也导致较严重的问题。目前，这些难题在实际中还
7、未得到根本性地解决，阻碍了管网系统智能化、信息化的进程。 光纤技术在通信和其它传感应用领域已取得了很大的进展，采用光纤的传感和传输方案与上述基于电信号的传感、传输技术相比具有明显的优势。光纤传感器是基于光波信号工作的，传感头无需供电。同时，光纤的传输损耗又非常小（0.2dB/km），因此可以方便地实现远距离信号传感和信号传输，可以把传感和传输融合在一根光纤上实现。采用光纤光栅设计的的压力、温度、流速/流量、应变传感器可以非常方便地集成，通过一根光纤将各传感器串接成一个传感网络，具有系统结构简单、无需供电、运行维护方便、稳定性好等优点。另外，光纤传感器在供水和其它易燃易爆管道的行业应用具有天然的
8、优势，因为光纤传感器在工作时不带电，有很高的安全性，耐腐蚀，和水的兼容性好，可以简化传感器的结构和设计，使成本降低。目前，光纤传感器已广泛应用于土木工程、桥梁隧道、煤炭石化、航天航空、电力等行业，是新一代的传感技术有良好的发展趋势。供水管网作为城市极为重要的基础设施，与城乡民生、经济和社会发展密切相关。国内市场的广阔需求以及现有合用传感器的不足，给光纤传感器及监测系统在供水及其它管网方面应用提供了很大的发展空间，具有广阔的市场前景。2.3 对我市和区域经济的作用厦门大学信息科学与技术学院在光纤传感技术方面有20多年的研究基础和较强的产品开发实力，在本方案的关键技术上有许多独到的技术和优势，已在
9、新型光纤与器件、光纤传感技术方面申请和获得了10多项专利，发表了100多篇论文，完成了10多项的科研项目。合作单位泉州日新流量仪器仪表有限公司在管道传感器和检测仪表方面有多年的开发经验和应用历史，有雄厚的产品开发实力和条件，建有全省技术领先的气体和液体流量检定装置和系统，经常受省相关部门委托为其它企业的产品提供检定服务。公司自主研发了一系列的管道测试仪表，如UNKT型动差智能流量计已申请国家发明专利。公司产品已形成4大类、8个系列、300多种规格，在石油、化工、燃气、制造、食品、标准计量及筑路机械等系统中得到广泛应用，可为本方案研发的新型光纤传感器提供产业化方面的强力支持。本方案对我市乃至我省
10、在管道监测技术方面走在国内前列、保障生产和生活设施正常安全运行、建设信息化、智能化、科学化管理和调度的管网系统都具有重要意义。三、方案目标和任务3.1总体目标、研究内容及考核指标（技术和经济效益指标，示范基地、中试线、试验平台和基地、生产线及其规模等相关产业化指标）1、总体目标 研制采用新型光纤及器件的管道压力、温度、流速/流量、应变等多参数传感器，及其在线监测系统，解决当前管网系统运行参数难以实现分布式、多点、多参数在线监测和信号传输与融合问题，为管网系统的安全、高效、合理调度和运行提供保障。2、研究内容（1）用于传感的新型光纤和器件 研究截面非圆对称光纤或多芯光纤及其光纤光栅器件，制作基于
11、弯曲导致纤芯应变从而使光纤光栅中心波长变化的光纤压力和 流速传感器。（2）基于光纤光栅和光纤干涉原理的压力、温度、流速、应变传感器及结构设计 研究如何将测量压力的弹性膜片与光纤光栅组合构成传感测量元件；研究如何采用悬臂梁结构、或弯曲敏感的非圆对称或多芯 光纤光栅实现流速测量；研究如何通过多根光纤光栅的组合实现压力、流速、应变和温度的同时测量；研究采用光纤斐索干涉仪实现弹性膜片与光纤端面距离的绝对测量，单独或校正基于光纤光栅的压力传感器。（3）传感器的制作工艺和封装技术 研究光纤传感器的全金属化封装方法，克服采用胶水存在的蠕变和长期稳定性问题；研究光纤传感器传感头的结构设计和密封 技术，使之适用
12、于液体和腐蚀气体环境下的测量，提高其长期可靠性和稳定性。（4）传感器信号检测和处理技术 研究如何从噪声中提取微弱的传感信号，研究采用新的频域信号处理技术提高传感器的灵敏度。（5）传感系统的组网和通信、显示技术 研究如何结合波分复用、空分复用、和时分复用技术实现多传感器的组网，以及传感信号的光纤远距离传输技术；研究如何通过 有线和无线网络（移动通信或wifi网络）实现传感器表头数据的回传和显示。拟重点解决的关键技术问题（1）新型光纤设计及器件的特性分析；（2）采用光纤光栅传感器存在的应变与温度交叉敏感问题；（3）传感器的制作工艺和封装；（4）传感器微弱信号的检测技术；（5）多传感器的融合与远距离
13、信号传输，传感器表头数据的回传技术3、主要技术指标压力传感器：量程可根据需要分段设定，总测量范围070 Mpa；精度：1/10002.5/1000 （满量程）；温度传感器：-20150 oC，精度:0.2 oC；流速传感器：035m/s，精度：优于1% （满量程）；应变传感器：05000 ue(微应变），精度：优于1/1000；传感头无需供电，可远距离（5 Km）工作；除了在系统的集中控制机房集中显示各传感头的信息，还提供移动式显示表头，显示各传感器对应的测量结果和数据；监测系统传感器个数：504、拟达到经济效益指标新增产值：300万元新增利润：30万元新增税金：30万元3.2年度计划及其考核
14、指标2015年06月-2015年11月 调研和分析管网系统对压力、温度、流速/流量、应变传感器的技术和应用需求，现有传感器的特性和指标，设计和制作新型的光纤传感器。2015年12月-2016年05月 对光纤传感器的制作工艺和特性进行细致的研究和分析，寻找最佳的材料和设计制作方案。完成光纤压力、应变、流速、温度传感器的初步制作和测量。2016年06月-2016年11月 结合实际应用的特点，研究传感器在实际应用中的安装方式和信号传输方式，考虑解决各种复杂环境因素，尤其是温度变化对传感器性能的影响问题。2016年12月-2017年05月 进一步完善压力、应变、流速/流量与温度传感器的材料和结构设计与
15、封装，研究传感器的产业化技术，制作出性能指标达到要求的光纤传感器；同时研究传感测量结果有线与无线回传的方法，研制相关的系统软件，实现移动表头的数据显示。2017年06月-2017年11月 研究和改善传感器制作和封装工艺，解决产品可靠性和一致性问题；完善系统软件和移动表头信号回传的通信方式，实现移动式的数据显示终端。研究产品性能的标定方式和规范制作程序，完成相关产品的检验和证书。2017年12月-2018年05月 总结研发成果，申请相关专利，撰写研究论文，提交项目结题和验收的材料和报告，准备验收工作。2018年06月 项目验收。3.3 联合单位任务分工情况厦门大学信息科学与技术学院：负责管道参数光纤传感器及系统的研制和应用技术的开发。泉州日新流量仪器仪表有限公司：负责提供实验场所和协助厦门大学信息科学与技术学院进行相关产品的研制及性能检定，产品的推广应用。四、方案技术方案4.1技术路线、技术方案及其先进性和可行性分析（说明其主要技术创新点）1、技术路线和技术方案（1）为使光纤Bragg光栅（FBG）的中心波长对弯曲敏感，以便用于设计制作一体化的压力和流速传感器，必须将圆形的光纤截面改造为非圆对称形状，或者使用双芯和多芯的光纤。我们是国内最早开始进行非圆对称光纤光栅和双芯/多
