雷芬芬， 駱青君， 周 斌

(華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院，廣州 510006)

基于OTDR的光纖液體泄漏檢測的研究

雷芬芬， 駱青君， 周 斌*

(華南師范大學(xué)華南先進(jìn)光電子研究院，廣州 510006)

通過應(yīng)用光時(shí)域反射儀(OTDR)測量多模光纖(MMF)反射光強(qiáng)變化，提出一種檢測液體泄漏的光纖傳感器，并對(duì)其進(jìn)行理論仿真和實(shí)驗(yàn)研究. 文中設(shè)計(jì)了2個(gè)遠(yuǎn)距離的光纖傳感器. 第一個(gè)傳感器僅帶有1個(gè)光纖傳感結(jié)構(gòu). 連接帶有傳感結(jié)構(gòu)的長光纖和OTDR. 設(shè)置OTDR的掃描脈寬30 ns、掃描時(shí)間3 min，光源的脈沖信號(hào)強(qiáng)度約為15 dB、掃描距離5 km. 以水為檢測對(duì)象時(shí)，光損耗減小，反射光強(qiáng)度變大. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和仿真結(jié)果一致; 第二個(gè)傳感器是由2個(gè)傳感結(jié)構(gòu)的分布式復(fù)用傳感器，用于檢測兩處的環(huán)境情況. 2個(gè)傳感結(jié)構(gòu)都能很靈敏地檢測水，證明了傳感器的復(fù)用特性. 該液體泄漏檢測光纖傳感器能被廣泛應(yīng)用于工程實(shí)踐中.

光時(shí)域反射儀； 纖芯直徑突變； 背向散射

遠(yuǎn)距離石油輸送管道、火力發(fā)電管道、自來水輸送管道常因管道磨損、老化、腐蝕等原因發(fā)生泄漏事故不僅會(huì)造成極大的資源浪費(fèi)和經(jīng)濟(jì)損失，而且會(huì)帶來安全隱患，危害人民的生命和財(cái)產(chǎn)安全. 因此,實(shí)時(shí)遠(yuǎn)距離檢測管道泄漏非常必要[1]. 目前,檢測管道泄漏的主要方法分為直接檢漏法和間接檢漏法. 直接檢漏法主要采用人工巡視或通過沿管道周圍鋪設(shè)相應(yīng)傳感器的辦法直接感應(yīng)泄漏的液體[2]；間接檢漏法是指根據(jù)管道泄漏所造成的聲音、壓力、流量等物理狀態(tài)參數(shù)的變化而實(shí)施的測量. 由于間接測量法成本高、設(shè)備復(fù)雜，不適用于檢測室內(nèi)管道的泄漏. 因此，對(duì)于室內(nèi)管道的泄漏檢測以低成本的直接檢測法為主. 近年來，直接液體泄漏檢測傳感器沿著靈敏、精確、經(jīng)濟(jì)、小巧和智能化的方向迅速發(fā)展. 而其中的光纖傳感器具有諸多優(yōu)異獨(dú)特的性能[3]. 光纖傳感器能夠抵抗原子輻射和電磁干擾；具有直徑細(xì)、能夠彎曲、重量輕、絕緣、耐水、耐腐蝕、耐高溫等優(yōu)點(diǎn)，能夠遠(yuǎn)程檢測人不能接近或?qū)θ擞泻^(qū)域的環(huán)境. 隨著光通信技術(shù)的發(fā)展，光纖傳感液體泄漏技術(shù)迅速形成，光時(shí)域反射儀 (Optical Time Domain Reflectometer，OTDR)應(yīng)運(yùn)而生. 它是利用光脈沖在光纖中傳輸時(shí)的菲涅爾反射和瑞利散射所產(chǎn)生的背向散射而制成的光電一體化精密儀表. 它可測量光纖長度、光纖的傳輸損耗、接頭損耗，并且能夠定位故障等. OTDR是光纖通信工程施工和維護(hù)必不可少的測試儀器，被廣泛應(yīng)用于光纜工程中[4].

基于上述實(shí)驗(yàn)背景，通過設(shè)計(jì)將OTDR作為檢測元件，長距離的普通多模光纖(MMF)作為遠(yuǎn)程傳輸光纖. 用25%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，全文同)的氫氟酸(HF)溶液腐蝕長度3～8 cm的光纖制作傳感結(jié)構(gòu). 制作多個(gè)傳感結(jié)構(gòu)，以檢測多處的液體泄漏情況，形成一個(gè)分布式的復(fù)用液體泄漏檢測光纖傳感器. 此類傳感器操作簡單、攜帶方便、精確度高，適合在工程實(shí)踐中應(yīng)用.

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 OTDR用于液體泄漏檢測的原理

OTDR的基本原理是通過分析光纖傳輸時(shí)的菲涅爾反射和瑞利散射所產(chǎn)生的背向散射光來測量光散射、光泄露等原因產(chǎn)生的損耗. 當(dāng)傳感光纖某一點(diǎn)的散射特性發(fā)生變化時(shí)，通過分析OTDR顯示的損耗與光纖長度的對(duì)應(yīng)關(guān)系，可以檢測到光纖上該點(diǎn)信號(hào)的變化[5].

當(dāng)光在多模光纖中傳播時(shí)，由于包層的折射率比芯層的折射率低，光被約束在芯層內(nèi)，不隨外界折射率的改變而變化[6]. 所以，未被腐蝕的多模光纖不能檢測環(huán)境中液體的泄漏. 將多模光纖的包層和一部分芯層腐蝕后制作傳感結(jié)構(gòu)(圖1)[7].

圖1 實(shí)驗(yàn)裝置示意圖Figure 1 Schematic diagram of experimental setup

多模光纖中存在非常多的模式，不同模式在光纖內(nèi)的模場分布不同[8]. 如果傳輸光纖其中一段包層和一部分芯層被腐蝕，那么它的直徑將相應(yīng)變小. 在直徑突變的位置，如圖1中的a、b處，將會(huì)發(fā)生模式的再耦合，由于腐蝕前后光纖模場分布不一致，各階LPmn模式的耦合效率不同. 在圖1的a處，一部分光耦合到傳感部分的纖芯，另一部分耦合到空氣包層形成損耗[9]. 耦合到纖芯的光強(qiáng)與傳感區(qū)域的芯徑大小成正比. 即傳感區(qū)域的芯徑越大，耦合到纖芯的光強(qiáng)越大，透射光強(qiáng)度就越大，反之亦然. 在圖1的b處，光從小芯徑傳輸?shù)酱笮緩剑蟛糠止怦詈系經(jīng)]有被腐蝕的多模光纖中，此處損耗很小. 當(dāng)環(huán)境中有液體泄漏時(shí)，裸露的芯層周圍折射率增大，再一次影響傳感區(qū)域內(nèi)光纖的模場分布，進(jìn)一步改變透射光強(qiáng)度. 與空氣和芯層的折射率差相比，待測液體和芯層的折射率差較小,能將光更好地束縛在纖芯中，減小光的損耗[10]. 因此,該結(jié)構(gòu)可以有效檢測外界環(huán)境液體的泄漏.

1.2 腐蝕的MMF光損耗仿真

應(yīng)用Rsoft軟件的有限差分光束傳播法[11](Beam PROP)對(duì)圖1的傳感區(qū)域進(jìn)行仿真. 可以簡單且有效地得到傳感部分的耦合效率及其內(nèi)部透射光強(qiáng)度隨著傳輸距離的變化情況. 設(shè)定多模光纖長度為7 cm、纖芯直徑為62.5 μm、纖芯折射率為1.465、包層直徑為125 μm、包層折射率為1.455、中間的傳感區(qū)域長度為5 cm、傳感纖芯直徑為30 μm、入射波長為1 550 nm. 將裸露的芯層分別暴露在空氣(nneff=1.00)和水(nneff=1.33)中，對(duì)其進(jìn)行仿真.

1.3 實(shí)驗(yàn)過程

實(shí)驗(yàn)裝置(圖1)包括：OTDR測試儀(EXFO FTB-1，加拿大)作為傳感器的檢測裝置. 連接多模長光纖到OTDR輸出端口，形成遠(yuǎn)程傳感裝置[12]. 發(fā)射波長為1 550 nm，通過分析OTDR背向散射曲線的光損耗，檢測環(huán)境中液體是否泄漏. 實(shí)驗(yàn)以水為研究對(duì)象.

傳感結(jié)構(gòu)的準(zhǔn)備：使用康寧公司生產(chǎn)的纖芯、包層直徑分別為62.5、125 μm的多模光纖. 將多卷光纖依次熔接起來. 在熔接點(diǎn)附近，先用光纖鉗去除光纖的涂覆層(長度為5 cm). 由于去除涂覆層的光纖脆弱容易折斷，用溶膠槍將去除涂覆層的光纖兩端和塑料基板膠合在一起，使去除涂覆層的光纖懸空固定在塑料基板上.

微納米光纖的制備：使用25%的HF溶液腐蝕光纖. 由于HF溶液是易揮發(fā)的腐蝕性液體，所以在HF溶液表面滴一層油性異辛烷，并給容器加蓋，保證腐蝕過程中HF質(zhì)量分?jǐn)?shù)基本不變. 同時(shí)保證實(shí)驗(yàn)室的通風(fēng)性良好[13]. 首先，將幾根去涂覆層光纖同時(shí)置于同一HF溶液中，腐蝕不同時(shí)間后，用顯微鏡觀察其直徑，并拍攝相片顯微圖片，測量不同時(shí)間腐蝕后光纖的直徑，繪制光纖直徑與腐蝕時(shí)間之間的線性標(biāo)準(zhǔn)曲線，即腐蝕速率曲線. 同時(shí)監(jiān)測光纖中的反射光強(qiáng)，當(dāng)出現(xiàn)較明顯的損耗臺(tái)階時(shí)，迅速將光纖從HF溶液取出，并用去離子水沖洗. 最后，用NaOH溶液(20%，質(zhì)量分?jǐn)?shù))中和，腐蝕完成[14].

2 結(jié)果與討論

2.1 MMF的腐蝕過程仿真

傳感光纖分別暴露在空氣和水中時(shí)，基模和LP23模的透射光強(qiáng)度如圖2所示，由于纖芯突變，光纖中有相當(dāng)一部分的光能量耦合到芯層周圍的介質(zhì)中損耗掉，且基模受到裸露的芯層周圍介質(zhì)折射率不同的影響，在水中的透射光損耗明顯要比在空氣中的小(圖2A、B). 對(duì)應(yīng)的基模歸一化光能量監(jiān)測圖(圖2C)進(jìn)一步說明，暴露在水中的透射光能量大. 當(dāng)光在多模光纖中傳播時(shí)，激發(fā)起纖芯的基模和多個(gè)高階模式，各階模式的耦合效率不同，有的模式在2種環(huán)境中透射光強(qiáng)相差不大. LP23模隨傳播距離的透射光強(qiáng)度分布(圖2D～F)和基模的情況完全一致. 仿真結(jié)果和上述的理論分析完全一致.

圖2 基模或LP23模分別暴露在空氣、水中時(shí)的透射光強(qiáng)度及其歸一化光能量隨傳播距離的分布

Figure 2 The transmission optical energy map and the normalized energy distribution with the change of propagation distance when basic or LP23mode is exposed to air and water, respectively

2.2 25%HF溶液中光纖的腐蝕速率

隨著腐蝕的進(jìn)行，光纖直徑明顯減小(圖3). 根據(jù)不同時(shí)間的測量值得到擬合曲線(圖4)，計(jì)算光纖在HF溶液(25%)中的腐蝕速率(直徑減小快慢)約為0.696 2 μm/min.

圖3 經(jīng)不同時(shí)間腐蝕后光纖的光學(xué)顯微鏡圖(40倍)

Figure 3 The micrographs (40X) of the fiber diameter after different etching time

圖4 25%的HF溶液中光纖腐蝕速率

Figure 4 The corrosion rate curve of fiber in 25% hydrofluoric acid solution

腐蝕過程OTDR的監(jiān)測光強(qiáng)度曲線(圖5)中，腐蝕時(shí)間t=0、41、55、75、85、108 min測得的曲線(分別命名為t0、t41、t55、t75、t85、t108)，在光纖末端2.732 6 km處所有樣品均出現(xiàn)較強(qiáng)的尖峰是由光纖末端較強(qiáng)的端面反射引起的. 根據(jù)25%的HF溶液中光纖腐蝕速率(0.696 2 μm/min)計(jì)算，t0～t108對(duì)應(yīng)的光纖直徑分別為125、96.5、86.7、72.8、59.8、49.4 μm. 因?yàn)樵嗄９饫w芯層直徑為62.5 μm，所以t<75 min的過程是對(duì)包層的腐蝕.t=75～85 min期間，光纖芯層開始腐蝕，與光纖在0～85 min監(jiān)測的反射光強(qiáng)度變化曲線(t0～t85)完全吻合，僅在傳輸距離1.851 3 km處有較小的熔接損耗. 結(jié)果表明，在前85 min并沒有腐蝕到芯層，因此其反射光強(qiáng)度沒有發(fā)生突變. 而t108曲線在此處(1.851 3 km)的耦合泄漏損耗(1.998 dB)較大，其腐蝕程度達(dá)到了設(shè)計(jì)要求.

2.3 單個(gè)傳感結(jié)構(gòu)的傳感器

傳感器的傳輸光纖總長2.732 6 km，按照上述描述的方法在距離1.851 3 km處制作一個(gè)傳感結(jié)構(gòu)，此傳感器可以很好地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離檢測. 設(shè)置OTDR掃描脈寬30 ns，掃描時(shí)間3 min，掃描距離5 km. 在此實(shí)驗(yàn)中，以水(nneff=1.33)為檢測對(duì)象. 傳感器暴露在空氣中和檢測到水時(shí)的OTDR曲線圖(圖6)可知，傳感器暴露在空氣中時(shí)，OTDR傳感光纖在距離為1.851 3 km處的反射損耗為2.893 dB. 而當(dāng)傳感器檢測到水時(shí)，光纖反射損耗為0.631 dB. 即當(dāng)檢測到液體泄漏時(shí)，光纖的光損耗減小，反射光強(qiáng)變大. OTDR的掃描脈寬30 ns，輸入的脈沖信號(hào)約15 dB. 傳感器暴露在空氣中的反射損耗為2.893 dB. 因此，理論上，它允許制作包含5個(gè)傳感結(jié)構(gòu)的復(fù)用傳感器.

圖5 光纖腐蝕過程的OTDR曲線Figure 5 The OTDR curve in the process of etching the fiber

圖6 單個(gè)傳感結(jié)構(gòu)的傳感器檢測液體泄漏的OTDR曲線

Figure 6 The OTDR curve of a single sensing structures’ sensor to detect liquid leakage

2.4 復(fù)用傳感器

此復(fù)用傳感器的傳輸光纖總長4.682 1 km. 分別在OTDR距1.851 3 km(傳感結(jié)構(gòu)1)和2.732 6 km(傳感結(jié)構(gòu)2)處制作光纖傳感結(jié)構(gòu). 以水為檢測對(duì)象，OTDR的設(shè)置與單傳感器設(shè)置相同，測得復(fù)用傳感器在不同環(huán)境的OTDR曲線(圖7)，傳感結(jié)構(gòu)1暴露在空氣中的損耗是2.801 dB，檢測水的損耗是1.880 dB，損耗減小0.921 dB(圖7插圖1). 由于前一個(gè)傳感結(jié)構(gòu)檢測到水時(shí)，會(huì)使后一個(gè)傳感結(jié)構(gòu)的光纖光損耗減小，反射光強(qiáng)度變大，故將影響傳感結(jié)構(gòu)2的檢測. 為了排除這個(gè)影響，當(dāng)傳感結(jié)構(gòu)1檢測水時(shí)，將傳感結(jié)構(gòu)2以后的反射光強(qiáng)度扣除0.921 dB得到圖7插圖2，和黑線比較，紅線僅在1.851 3 km處損耗減小，說明檢測環(huán)境1有水存在；綠線只在2.732 6 km處損耗減小，說明檢測環(huán)境2有水存在；藍(lán)線在兩處損耗都減小，反射增大，說明檢測環(huán)境1、2處都有水存在. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果和實(shí)際情況完全一致.

圖7 雙傳感頭復(fù)用傳感器檢測液體泄漏的OTDR曲線

Figure 7 The OTDR curve of the two sensing structures to detect liquid leakage

3 結(jié)論

本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)了一種應(yīng)用OTDR測量的多模光纖遠(yuǎn)程檢測液體泄漏的傳感器. 設(shè)置OTDR的掃描脈寬30 ns、掃描時(shí)間3 min，光源的脈沖信號(hào)強(qiáng)度約為15 dB. 以水為檢測對(duì)象. 傳感結(jié)構(gòu)暴露在空氣中，OTDR的反射曲線在檢測處的損耗為2.893 dB. 當(dāng)檢測到水時(shí)，OTDR的反射曲線的損耗為0.631 dB，光損耗減小，反射光強(qiáng)變大. 通過實(shí)驗(yàn)研究，可證實(shí)此類傳感器可以快速、靈敏地檢測出液體的泄漏情況. 此類傳感器制作簡單、方便攜帶、靈敏度高、安全可靠性好. 設(shè)置掃描脈寬為100 ns時(shí)，動(dòng)態(tài)范圍可達(dá)25 dB. 因此，使用寬脈沖掃描時(shí)，理論上能制作由多個(gè)傳感結(jié)構(gòu)組成的分布式復(fù)用遠(yuǎn)程傳感器，具有很強(qiáng)的實(shí)用價(jià)值.

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【中文責(zé)編：譚春林 英文審校：肖菁】

Research on Optical Fiber Liquid Leakage Detection Based on OTDR

LEI Fenfen, LUO Qingjun， ZHOU Bin*

(South China Academy of Advanced Optoelectronics, South China Normal University, Guangzhou 510006, China)

By using optical time domain reflection (OTDR) to measure the intensity of the reflected light intensity of multi-mode fiber (MMF), a fiber optic sensor which can detect the leakage of liquid is proposed, and the theoretical simulation and experimental study are carried on. Two sensors are designed in this paper. The first sensor is only with a sensing structure. It connects OTDR and the long fiber with the sensing structure. The scanning pulse width is set to 30 ns, the scan time of 3 min, the strength of the light pulse signal about 15 dB, the scan distance of 5 km on the OTDR. When take water as test object, the loss of OTDR is decreased, and the intensity of the reflected light is large. The experimental results are consistent with the simulation results. The second sensor with two sensing structures is made into the distributed multiplex sensor for detecting water of different regional environment. The two sensor structures can detect water sensitively, which proves the multiplexing characteristic of the sensor. Therefore, the liquid leakage detection optical fiber sensor can be widely used in engineering practice.

OTDR; core diameter mutation; the back scattering

2015-12-12 《華南師范大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)》網(wǎng)址：http://journal.scnu.edu.cn/n

國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(6130705)；廣東省引進(jìn)創(chuàng)新團(tuán)隊(duì)計(jì)劃資助項(xiàng)目(201001D0104799318)；中國博士后基金項(xiàng)目(2013M 531866)

O437

A

1000-5463(2017)03-0017-05

*通訊作者:周斌，講師，Email:zhoubin_mail@163.com.