光纤传感器原理以及应用

发布时间：2017-03-29 作者：佚名来源：传感器技术

关键字：光纤传感器

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光纤传感器由光源、入射光纤、出射光纤、光调制器、光探测器以及解调制器组成。其基本原理是将光源的光经入射光纤送人调制区，光在调制区内与外界被测参数相互作用，使光的光学性质(如强度、波长、频率、相位、偏正态等)发生变化而成为被调制的信号光，再经出射光纤送入光探测器、解调器而获得被测参数。

(3) 压力传感器

侧孔光纤式压力传感器目前正在研发中，其主要致力于超高温和井下压力监测任务。

目前基于光纤传感器已经出现其他商业产品，例如，用于多相流测量和分布式动态应变测量的光纤探针。其高可靠性和高效低耗的技术优势是光纤产品在油田应用上取得成功的关键因素。

1.2 光纤传感器在石油测井中的应用

石油测井是石油工业最基本和最关键的环节之一，压力、温度、流量等参量是油气井下的重要物理量，通过先进的技术手段对这些量进行长期的实时监测，及时获取油气井下信息，对石油工业具有极为重要的意义。

光纤传感器对电磁干扰不敏感而且能承受极端条件，包括高温、高压以及强烈的冲击与振动，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，光纤传感器横截面积小，外形短，在井筒中占据空间极小。而这些特性都是传统的电子传感器在井下的恶劣环境下所不具备的。

利用光纤传感器可以进行井下流量测量、温度测量、压力测量、含水(气)测量、密度测量、声波测量等。

(1) 流量测量

由于光的强度、相位、频率、波长等特性在光纤传输的过程中会受到流量的调制，利用一定的光检测方法把调制量转换成电信号，就可以求出流体的流量，这就是光纤流量计的工作原理。

(2) 温度及压力测量

分布式光纤测量系统(DTS)利用光纤后向拉曼散射的温度效应，可以对光纤所在的温度场进行实时监测，EFPI型(非本征型F-P干涉)、FBG型光纤传感器为波长编码型传感器，具有灵敏度高、可同时测量压力、温度、应力等多个参量的特点。

光纤热色温度传感器是由白光源、多模光纤组成的反射式温度传感器；光纤辐射式温度传感器利用黑体辐射能量，其非接触，可测瞬问温度，响应速度快，不需要热平衡时间，可用于高温测量；半导体吸收式光纤温度传感器利用其半导体材料的吸收边波长随着温度的增加而向较长波长位移的特性，选择适当的半导体发光二极管，使其光谱范围正好落在吸收边的区域，这样透过半导体的光强就随着温度的增加而减少。

(3) 含水(气)率及密度测量

U型光纤的传输功率随外界介质折射率变化而变化，光波作为信息载体，与混合流体电阻率、流型及水质无关，基于该原理的光纤持率／密度传感器从本质上解决了现有持率存在的高含水无分辨率和放射性物质的应用问题，对于多相流体油、水、气的折射率各不相同，因而混合流体的折射率会随着油、水、气比例的改变而改变。因此这种折射率调制型光纤传感器不仅能测流体持率，可同时测流体密度，其精度较高。

(4) 声波测量

地震波在不同的介质中传播，接收到的地震波波形就会不同，根据不同的地震波形态，可识别地层沉积序列和沉积构造，为储层定位、判断窜槽、检测套管破损及断裂、射孔层位及确定流体流量等。VSP地震测井，就是把检波器放人井中，通过地面击发的地震波或利用井中流体流动等产生的微震动，由井中的检波器接收地震信号。永久井下光纤三分量地震测量具有高的灵敏度和方向性，能产生高精度的空间图像，不仅能提供近井眼图像，而且能提供井眼周围地层图像，测量范围能达数千公里。它能经受恶劣环境条件，且没有可移动部件和井下电子器件，能经受强的冲击和震动，可安装在复杂的完井管柱极小的空间。

4、光纤传感器在电力系统的应用

电力系统网络结构复杂、分布面广，在高压电力线和电力通信网络上存在着各种各样的隐患，因此，对系统内各种线路、网络进行分布式监测显得尤为重要。

1 在高压电缆温度和应变测量中的应用

目前，国外(主要是英国、日本等)已利用激光喇曼光谱效应研制出分布式光纤温度传感器产品。而国内也在积极地开展这方面的研究工作。国内把分布式光纤温度传感技术引入电力系统电缆测温的研究工作只是刚刚开始。

联系到我国南方地区去年所遭受到的雪灾来考虑，如果能在高压电缆上并行地铺设传感光缆，对电力系统电缆、铁塔等设施的温度、压力等参量进行实时测量，就能够做到及时排险，从而尽可能减少经济损失。可见，光纤传感器在电力系统将具有广泛的应用前景。

在理想情况下，光纤应被置于尽可能靠近电缆缆芯的位置，以更精确地测量电缆的实际温度。对于直埋动力电缆来说，表贴式光纤虽然不能准确地反映电缆负载的变化，但是对电缆埋设处土壤热阻率的变化比较敏感，而且能够减少光纤的安装成本。

2 在电功率传感器中的应用

电功率是反映电力系统中能量转换与传输的基本电量，电功率测量是电力计量的一项重要内容。随着电力工业的迅速发展，传统的电磁测量方法日益显露出其固有的局限性，如电绝缘、电磁干扰、磁饱和等问题，因而人们一直在致力于寻找测量电功率的新方法。可以说光纤传感器的出现给人们解决这一问题带来了福音。

光纤电功率传感器的主要特点是：由于电功率传感同时涉及电压、电流2个电量，因而通常需要同时考虑电光、磁光效应，同时利用2种传感介质或1种多功能介质作为敏感元件，这使得光纤电功率传感头的结构相对复杂；光纤电功率传感器的光传感信号中有时同时包含电压、电流信号，因此其信号检测与处理方法也将比较复杂。

3 在电力系统光缆监测中的应用

电力系统光缆种类繁多，加之我国地域广阔，各地环境差异很大，所以光缆的环境也很复杂，其中温度和应力是影响光缆性能的主要环境因素。因此，在监测光纤断点的同时也对光缆所处温度和应力情况进行监测，可见对光缆的故障预警及维护意义深远。

通过测量沿光纤长度方向的布里渊散射光的频移和强度，可得到光纤的温度和应变信息，且传感距离较远，所以有深远的工程研究价值。

基于布里渊光时域反射(BOTDR)的分布式光纤传感系统，采用相干检测技术，系统原理如图1所示。

图1 基于BOTDR传感系统原理

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