（材料学专业论文）准分布式光纤光栅漏油传感器及敏感材料的研究.pdf

捅要 对石油及石油类液体燃料的泄漏监测在石化工业、环境监测等领域中具 有重要的意义。由于准分布式光纤光栅漏油传感器除了具有一般光纤传感器 所具有的优点：本质安全、灵敏度高、响应时间快、不受电磁干扰等，还具 有一般光纤传感器所不具有的一根光纤多点探测、定位结构简单的优点，因 此，准分布式光纤光栅传感器非常适合石油类液体燃料的泄漏监测。近年来， 光纤光栅漏油传感器及其敏感材料的研究受到了人们的极大关注。本论文重 点对漏油传感器敏感材料的选择、制备以及最佳尺寸进行了研究；对传感头 进行了设计和性能测试。 本文主要包括以下几个方面的内容： 1 敏感材料的选择：通过查阅资料，对各种橡胶的各种性能进行比较， 得出三元乙丙橡胶( e p d m ) 为理想的敏感材料。e p d m 对石油类溶剂 具有良好的溶胀性；同时，具有很好的耐老化性能、较小的体膨胀系数 和较好的加工性能。实验也证明该橡胶是理想的敏感材料。 2 敏感材料的制各：用无硫硫化体系；配方为：生胶1 0 0 k g ，d c p2 k g ， 硬脂酸l k g ，z n 03 k g ，石蜡油1 0 k g ：硫化条件：硫化温度1 7 0 。c ，硫化 时间1 5 分钟，硫化压力3 m p a ，制备的硫化橡胶对汽油的监测较理想， 用其装备的传感头不仅有较好的溶胀响应性能，而且有很好的抗温变干 扰能力。 3 传感头的性能测试：具有机械保护装置的传感头综合性能较好，不 仅具有较好的溶胀响应性能，而且有较好的抗温变干扰能力和优良的安 全使用性能。用直径为8 m m 、长为1 2 m m 的4 # ( 上述配方) 橡胶棒装备该 传感头，传感头的初始波长预漂0 5 姗一l n m 时，传感器的漏油报警限 可设定l n m ，对汽油的溶胀响应时间为5 分钟。 关键词：光纤光栅光纤传感器漏油检测 a b s t r a c t t h ed e t e c t i o no fl e a k a g eo fp e t r o l e u ma n dl i q u e f i e dp e t r o l e u mi sv e r y i m p o r t a n t i n m a n yf i e l d s s u c ha s p e t r o c h e m i c a li n d u s t r y a n de n v i r o n m e n t a l m o n i t o r i n g q u a s i d i s t r i b u t e df b g s e n s o rh a su n i q u ea d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l e s t r u c t u r a l m u t l i 。p i o m d e t e c t i o na n dl o c a t i o nw i t ho n ef i b e r , b e s i d e so 也e r a d v a n t a g e sp o s s e s s e db yg e n e r a l f i b e rs e n s o r ss u c ha si n t r i n s i cs a f e t y , h i 曲 s e n s i t i v i t y , q u i c kr e s p o n s e a n da n t i d i s t u r b a n c eo fe l e c t r o m a g n e t i s m t h e r e f o r e ， t h er e s e a r c h e so ft h es e n s o rh a v eg o t t e na t c e n t i o no f p e o p l ei nr e c e n ty e a r s i n t h i st h e s i s ，e m p h a s i z e sa r ea t t a c h e do nt h er e s e a r c h e so f s e l e c t i n ga n dm a k i n g t h e s e n s o r ss e n s i t i v em a t e r i a la n dd e t e r m i n i n go p t i m a ls i z eo fs e n s i t i v em a t e r i a l ， a n d o f d e s i g n i n gs e n s i n gh e a d s a n d m e n s u r a t i n gs e n s i n g h e a d sp e r f o r m a n c e m a j o r c o n t e n to f t h i sw o r ki n c l u d e st h r e ea s p e c t sa sf o n o w s ： 1 s e l e c t i n gs e n s i t i v em a t e r i a l ：b yr e f e r r i n gt om a n y d a t aa n dc o m p a r i n g t h e p e r f o r m a n c e s o fm a n yr u b b e r s ，w ef m dr u b b e r e t h y l e n e p r o p y l e n e d i e n e m o n o m e r ( e p d m 、i sp e r f e c ts e n s i t i v em a t e r i a l e p d md o e s n to v a yh a v e p e r f e c ts w e l l a b l ep e r f o r m a n c ef o rp e t r o l e u ma n d1 i q u e f i e dp e t r o l e u m ，b u ta l s o h a v eb e t t e rp e r f o r m a n c e ss u c ha se x c e l l e n ta n t i a g i n gp r o p e r t y ，s m a l l e rc u b a g e e x p a n s i o nc o e f f i c i e n ta n dg o o dp r o c e s s i n gp r o p e r t y c o n c l u s i o n sa sa b o v ea r e p r o v e db y o u re x p e r i m e n t s 1 2 m a k i n gs e n s i t i v em a t e r i a l ：m a d ei nn o n s u l f u rv u l c a n i z a t i o ns y s t e m w i t ht h ef o r m u l a ：e p d m1 0 0 k g d i c u m y l p e r o x i d e ( d c p ) 2 k ga sc l ：o s s l i n k i n g a g e n t , s t e a r i ca c i dl k g a sp r o c e s s i n ga i d ，o x i d i z e dz i n c ( z n o ) 3 k ga sa c c e l e r a n t ， w a xo i l 1 0 k ga sl u b r i c a n t ；a n dm a d ei nv u l c a n i z i n gc o n d i t i o n ：v u l c a n i z i n g t e m p e r a t u r e1 7 0 ，v u l c a n i z i n gt i m e1 5 m i n u t e s ，v u i c a n i z i n gp r e s s u r e3m p a ， t h ev u l c a n i z e de p d mi so p t i m a ls e n s i t i v em a t e d a lf o rp e t r 0 1 n l cs e n s i n gh e a d e q u i p p e dw i t ht h ev u l c a n i z e dr u b b e rp o s s e s s e st w oq u a l i t i e s ：b e t t e rs w e l l i n g r e s p o n s ea n db e t t e ra n t i - i n t e r f e r ea g a i n s tt e m p e r a t u r ev a r i a t i o n 3 m e n s u r a t i n gt h es e n s i n gh e a d sp e r f o r m a n c e ：t h es e n s i n gh e a dw i t h m e c h a n i c a l p r o t e c t i n ge q u i p m e n th a s b e t t e r c o m p r e h e n s i v ep e r f o r m a n c e a s f o l l o w s ：g o o ds w e l l i n gr e s p o n s e ，t h ee x c e h e n ta b i l i t yo fa n t i i n t e r f e r ea g a i n s t t e m p e r a t u r ev a r i a t i o n a n df i n es a f e t yp r o p e r t yf o ru s e 、h e nt h es e n s i n gh e a d e q u i p p e dw i t hr u b b e r4 撑w i t hd i a m e t e ro f 8 m ma n d l e n g t ho f1 2 m m i sp r e s s e d a n di t si n c i p l e n tw a v e l e n g t hs h i f t s0 5 i n m i t sa l a r m i n gl e v e lc a nb es e ta sl n m a n d i 乜r e s p o n s et i m ef o rp e s o l i s5m i n u t e s k e y w o r d s ：f b gf i b e ro p t i cs e n s o r l e a k i n g o i ld e t e c t i o n 蔑汉理工犬学硕士学位论文 第一辈绪论 传撩技术怒瓣量技术、半导律技术、计算祝敝术、信息鲶瑷技术、微墩 子学、光学、声学、精密瓤缓、髂生学、瓣糕释举等众多学摹喜稳互交叉翁练 合性高新技术和密集溅前沿技术。现阶段，从字密探索、海洋开发，到国瓣 建设、王袭遭受产；从醛壤檬势、宪穗鬏摄，裂稳捂奎命穆攀凌蠹瓣每一骧 现代科学研究；从生产过程的检测与控制，到人鼹群众的日嚣生活等等，几 乎都离不开传感器和传感搜术。攀窳证明，传感器和传感技术憋经渗入了新 鼓术革命翁爱肖领域，涉及了莺黩经济翡每个部门，迸入了大众生港酶套个 方面。 1 。1 光纤传感技术的特点及发展状况 惫野佼感器羡零怒2 0 键纪7 0 攀代末发鬟越来黪一门崭黼懿佼感嚣绶 零，是随整光导绎维文爨化郛党邋熔技拳蕊发袋褥形成匏。1 9 7 0 警，荧鬣 壤宁公司研制成功世界上第一根实用化的传输损糕为2 0 d b k m 鹘石英光纡。 褒隧鑫辍蹩瓣十尼年爨，毅毙纾稼两簧辕穷爱戴巍野邋运，戴铁实验瑟毒g 瓣 段，迅猛她发展成为邋讯领域的一大产业。在光祥通讯系统中，人们发现光 褥荔受弼诸魏漩度，聪力等环境嚣素麓影晌，导致竞强，穗位，频率等光波 参量发擞爱他，从面辫睫信母的抟输；然舔它帮抟袋了一耱金凝缒畿搂交换 僚惠静蕊确，觚雨演繇岛了始纤蒋憋器这门新按水f 。 由予汽纤褥惑器麓终统豹电传黪器谯传输介质，佟输信弩，敏感材料调 糊参量方褥存农显著姻举弼，所以党终传感器其露些常撰转臻嚣不可比熬 静优熹，鬈翡蕾次捷爨旒豢褥诲多举管、研究耆瀚青昧，霹蘸光纾倦感器已 农提多领域德鍪广泛数应用，戈其鼹萄隽诲多传统邀袋感器难以涉足魏极媾 瓣劣场龠挺供多种参擞的新颖、可拣盼检测手段。根据光纤在熬个传感器中 幸鬻箨不麓，鼍激将竞努臻感嚣努兔麓麓婺骚菲翡髓囊瑟夫类；豢棼秘虢銎竞 纤传感嚣巾，光纤只趟传光的作用，传感头为其像敏感冗件；谯功能型光缚 蒋感器申，兜秤既传光，也倍感，暴有“传”、“熬”舍二为的特点。 武汉理工大学硕士学位论文 一般的光纤传感系统由光源、信号传输线( 光缆) 、传感器件、光电转 换及信号处理四部分组成。光波作为载波经入射光纤传输到传感头，光波的 菜些特征参量在传感头内被外界物理参量所调制，含有被调制信息的光波经 出射光纤传输到光电转换部分，经解调后就能得到被测物理量的大小和状 态。现在光纤传感器的种类繁多，光信号中能被调制的参数也相当多，包括 光的强度、相位、多普勒频移、偏振态、波长等。由于光波的频率很高 ( 1 0 ”- 1 0 。 i - i z ) ，且是一种二维信号载体，所以它能传感和传输的信息量极大。 光纤传感器与普通机械、电子类传感器相比，光纤传感器具有以下优点： 1 )抗电磁干扰：一般电磁辐射的频率比光波低许多，所以在光纤中传 输的光信号不受电磁干扰的影响。 2 )电绝缘性能好，安全可靠：光纤本身是由电介质构成的，而且无需 电源驱动，因此适宜于在易燃易爆的泊、气、化工生产中使用。 3 )耐腐蚀，化学性能稳定：由于制作光纤的材料一石英具有极高的化 学稳定性，因此光纤传感器适宜于在较恶劣环境中使用。 4 )体积小、重量轻，几何形状可塑。 5 )传输损耗小：可实现远距离遥控监测。 6 )传输容量大：可实现多点分布式测量。 7 )测量范围广：可测量温度、压强、应变、应力、流量、流速、电流、 电压、液位、液体浓度、成分等。 正是由于光纤传感器有许多独特优势，可以解决许多传统传感器无法解 决的问题，故自从它问世以来，就被广泛应用于医疗、交通、电力、机械、 石油化工、民用建筑以及航空航天等各个领域。随着信息高速公路热潮的到 来，光纤传感技术将与光纤通信技术一起走进千家万户，深入到民用和军事 的各个方面。 当前世界上光纤传感器研究的两大热点一个是用于生物、化学、医疗及 2 武汉理工大学硕士学位论文 环保等领域的光纤传感器的研究，典型的光纤传感器为光纤倏逝场传感器， 主要用于环境污染监测及液体浓度、成分、比例、p h 值、血氧饱和度、药 物浓度等参数的检测；另一热点是用于智能结构( s m a r ts t r u c t u r e ) 和材料 的光纤传感器的研究，主要用于结构内部应变、压力、温度、载荷疲劳、结 构损伤等参数的监测，这方面的代表就是光纤光栅传感器 6 _ 1 0 1 。 1 2 光纤光栅传感技术的特点及发展趋势 新一代光纤技术光纤光栅将可能在光纤技术以及众多相关领域中 引起一场新的技术革命。自从1 9 7 8 年加拿大的奥它瓦通信中心的k e n h i l l 及其他科研人员首次发现掺锗石英光纤紫外光敏特性一一光诱导产生 b r a g g 光栅效益以来，光纤光栅技术取得了重大进展。 光纤光栅的反射或透射峰的波长与光栅的折射率调制周期以及纤芯折 射率有关，而外界温度或应变的变化会影响光纤光栅的折射率调制周期和纤 芯折射率，从而引起光纤光栅的反射或透射峰波长的变化，这就是光纤光栅 传感器的基本工作原理。因此，温度和应变是光纤光栅能够直接传感测量的 两个最基本的物理量，它们构成了其它各种物理量传感的基础，其它各种物 理量的传感都是以光纤光栅的应变、温度传感为基础间接衍生出来。 与传统的强度调制型或相位调制型光纤传感器相比，波长调制型的光纤 光栅传感器具有许多独特的优点 1 1 - 1 3 ： 1 )抗干扰能力强：这一方面是因为光纤光栅采用波长调制，普通传输 光纤不会影响光波的频率特性( 忽略光纤的非线性效应) ；另一方 面光纤光栅传感系统从本质上排除了各种光强起伏引起的干扰，例 如，光源强度的起伏、光纤微弯效应、连接损耗和探测器老化等引 起的随机起伏都不可能影响传感信号的波长特性，因而基于光纤光 栅的传感系统具有很高的可靠性和稳定性。 2 )光纤光栅传感器是自参考的，可以绝对测量( 在对光纤光栅进行定 标后) 。传统的光纤传感器绝大部分都是“光强型”和“干涉型” 武汉理工大学硕士学位论文 的。它们是一种过程传感器，而不是状态传感器，必须要有一个固 定参考点，这样就给光纤传感器的应用带来了难度。 3 )传感探头结构简单、尺寸小( 其外径和光纤本身等同) ，适合各种 场合，尤其是智能材料和结构。便于埋入复合材料构件及大型建筑 物内部，对结构的完整性、安全性、载荷疲劳、损伤程度等状态进 行连续实时监测。 4 )构成各种形式的光纤传感网络，尤其是采用波分复用( w d m ) 技术 构成分布式光纤光栅传感器阵列，进行大面积的多点测量。 5 )测量结果具有良好的重复性。 由于光纤光栅具有许多独特的优点，因而受到各国专家广泛的注意并参 与研究。现在，无论在光栅的制造、性能研究以及推广应用等方面均已获得 长足进步。光栅的制造技术已成熟到批量生产，有商品出售，使用寿命在 2 0 年以上；光纤光栅在光纤通信、光纤传感等领域的应用研究也成果不断。 可以预计光纤光栅将是光纤技术中一个十分重要的光纤器件。 光纤光栅传感器的应用前景十分广阔，早在1 9 8 8 年，就成功地在航空、 航天领域中用于有效的无损检测技术，同时，光纤光栅传感器也可应用于化 学、工业、电力、水电、船舶、煤矿、建筑工程等领域 1 4 - 2 2 l 。如果光纤光栅 传感器及其辅助设备的成本能降到电传感器的水平，则新的应用领域将不断 出现。尽管传感元件很贵，光纤光栅传感器很强的复用能力将减小整个系统 的成本，事实上，随着制作技术的发展和应用领域的不断扩大，其成本正逐 步下降。 在电力工业和电力应用以及易燃易爆的石化行业中，光纤光栅传感器是 一种理想的传感器。由于光纤传感器是一种绝缘介质，抗电磁干扰能力强， 较小受外界电磁的干扰，能准确监测、测量出所需参量，所以能理想的用于 电传感器无法使用的场合，如对变压器、发电机、马达的绕组线圈稳定监测， 也可作为测量供电线弯曲及电线塔、电极负载等的传感网络。另外，光纤传 感器以光作为信号载体，在易燃易爆的场合中应用，有电类传感器及其他类 4 武擞联工大学硕士学傲论文 传感器无法相比瓣安全性。 如果说光纤传感器是传感领域耨豹里程谭，那么光纤光栅传感器就是光 纤传感器的前沿方阵，在今后传感运用中必将起到举足辍重的作用。嗣前， 光纤光栅传感器佟为一类薪型传感器，以其磁多的优越性正弓l 起广大罨萼研工 终蠢兴趣，鸯维凌巍纾毙撵转臻嚣慈着实麓讫方惫发震，鞭研人受爱在进一 步完善各项研究工作。 1 。3 光终漏油传藤器的发展 石油工业作为各个国家鸽经济命脉之一，为国家经济建设，社会稳定起 着举足轻重的作用。石油经济自从石油被人淡发现以及开采利用以来，在世 界的蛋个角落一纛方兴未艾，黼且成爻主宰务重经济的行业之一。在石渡行 泣的发展过程孛，石酒戳及参炎石漓产晶豹输送、储存必不可少，在这整过 程中经常发生油的泄漏。众所周知，石油类碳氢化合物是种对自然环境、 动檬物以及人体健康非常有害的物质且易燃易爆，输油管和储油罐的潋漏非 霉筑险，懿罴不女及露遂搽蹋、定整帮罄复；哥麓造或严鬟瓣环缓污染豢至是 灾潞性后果。 下面仅列举2 0 0 3 年国内外发生的几起激大输油管邋、储油罐油泄漏事 故，这些事故导致了严重熬繇壤污染、久受伤亡帮经济攒灸，靛中我翻不礁 发现对输油管道、储油罐的泊澉漏探测是多么的重要。3 月1 7 日发擞在尼 日尼驱南部的输油管大火当场烧死、淹死7 0 0 人，还有许多被烧的人税救治 中攘继死亡，事救原因是不法份子破坏输浦喾邀，导致大囊原油泄漏，警遮 衬爨在唤抡原演辩，不幸点燃了原漓。1 舞2 7 酲发生农我国广西贵港市汽 油泄漏爆炸事件数使1 0 人死亡，伤1 6 人，同时造成公路被炸毁，通讯光缆、 电缆被烧断。事故原因是管道雌久失检，致使2 0 吨汽浊泄漏，结果目i 趄这 次鬟太事赦。3 蔗4 基，在巴褥桑筵豢港鹨燕个每个装窍1 0 万舅燃瓣灌 箱中，有油箱破裂，造成燃料 l i 漏，附近大筒积海面污染枣故。人们却不知 道到底有几个油箱破裂，有多少燃料泄漏。2 月，该公司因湖样原因致使1 2 0 0 升紫澳泄漏，污染了巴拉那湾农瘫海域。胃想褥翘，该公翊慰油泄漏的靛测 武沉理工大学硕士掌能论文 是何等不重视，其环保意识魑何等蛇欠缺。以上所举三铡事故只是冰山一 角，全遣赛类纭缒事放举不靛举。翔栗强主事数蘸输滴管道纛糖酒罐装备 了漏油监测系统，漏油事件被及时探测、寇位和检修，遮些惨烈的事敝是可 以完全避免；同时我们也不难澍出，对输油篱道和储油徽的漏油监测怒何等 重蘩。 + 传感领域中，以前发展较多且较为成熟的一类传感器是电类传感器。然 而，电类传感仪器由于以电作为信号载体，用于油气罐、油气井、油气管道 等魄方鲍 翼l 羹存在不安全的觳豢，无法在该领域懿实嚣波震中发撂佟瘸。光 纤光栅传感器阂英本质安全憾，非常适合猩石油化工领域攫应用。因就开发 搛测和定位石油炎碳氢化合物泄漏的快速反应光纤漏油传感系统非常煎要。 塞扶提墨必终可良终必僚惑器以来，光终侉感器在嚣澳工业运熙褥瓢了 邈漶的发展。从灏内外的研究凝状来看，光纤漏油传感器有几种类型。最先 开发出来的一种怒将作为检测部分的光纤包层去掉，让纤芯暴露，空气作为 包鼷，由于空气潮油的折射攀不同，一旦褥油泄漏，油取代空气作为识层， 致矮舞纤簧罢模戏发生改变，扶嚣霉致接浚璇的光强发黛魏交，逶逡稳铡接 收端光强的变化迭到检测的目的i 玎1 。虽然邈种传感器的结构简单，但是它 有很多的缺点，煅主要的是它受环境因素炎忧影响比较大，如环境的濑度改 变瞧霹导致接受端毙强改交，阕雾重宅不戆京恶劣的环境中使建，只戆凌窆气 串不含任何杂藤瀚环境中使用，一旦某些物质粘附在纤芯上，隔绝油与纤芯 的接触，就无检测作用。 秘磅工作者考虑至4 这静俊感器受终赛耀壤越影赡较大，在瑟蒙壤静鏊戳 上，对其作了改滋，雳一种石油类溶裁桶溶性鞍好荫与其他物质( 极性) 不糊溶的物质作为检测部分的光纤包层，+ 实现对有机油的泄漏监测，油渗透 到该包层中改变包层的折射攀。用这种方法大大地减少了环境因素的澎响。 像m u r p h y ；r i c h a r d ，j 澎1 嚣茨潺淫簧惑嚣簸震手这耱类嫠。 在这种方法的引导下，科研工作者结合光纤中光传导时不同光损耗原理 又制作出几种漏油传感器。像l a w r e n c e ：w i l l i a m r _ 2 6 】等研制出来的满渡 转感箍，蓑是弱麓先纾发射臻嚣积菠凌翡瓣麓心璃移猿少毙藕会系数方法。 6 武汉理工大学硕士学位论文 他们在检测部位把光纤做成活动的光耦合器，在光纤发射端面或接受端面下 垫上敏感材料，当漏油浸泡敏感材料时，致使材料溶胀，致使光纤发射端面 或接受端面发生偏移，从而大大减小接受光强。像a n t o n i oc a r r i l l o a 和 g b e l t r a n p e r e z 2 7 瑚1 等人制作的漏油传感器，采用了光纤微弯损耗原理。 他们把光纤和一根与石油类溶剂相溶性较好的聚合物缆用一个个金属环捆 起来，起初三者之间没有作用力，金属环之间存在一定距离。当聚合物缆遇 油发生溶胀，金属环处的聚合物受约束，不能膨胀，而金属环之间的聚合物 膨胀，最终导致光纤发生弯曲，光纤弯曲致使光损失大大增加，通过检测接 收光强的变化来检测漏油与否。 以上几种传感器都是利用检测接收到的光强变化来判断是否漏油，属于 “光强”型传感器，前面已经提到“光强”性传感器存在许多缺点，尤其是 它不能长距离监测和定位漏油，限制了它的广泛使用。随着石油工业的发展， 大型储油库，长距离的输油管道的出现，需要新的漏油监测和定位系统。根 据这种需要，科研工作者开发研制一种光纤光栅漏油传感器，其光学原理是： 光纤光栅反射一定的特征波长，当光栅受到拉或压应力时，其特征波长发生 漂移。人们利用光纤光栅这一性质，把石油类溶剂的敏感材料和光栅固定在 一起，一旦该材料受石油类溶剂浸泡，发生溶胀，产生膨胀应力，传递给光 纤光栅，致使反射波的中心波长发生漂移，通过监测反射波长以及反射波长 的漂移量，实现漏油监测的目的；不同的光栅有不同的栅距，其反射的特征 波长不一样，不同位置安置不同特征波长的光纤光栅，这样不仅可以起到监 测漏油的作用，同时还可实现定位的目的。v v s p i r i n 等 2 9 - n 用上述方法实 现了对汽油的检测，介绍了用一种聚合物封装光纤光栅，这种聚合物遇到碳 氢化合物产生膨胀，没有了碳氢化含物后又可恢复。将这种光纤光栅传感器 置于待测的地方，一旦有碳氢化合物的渗漏，聚合物膨胀，致使光纤光栅产 生应变，光栅反射的布拉格波长发生漂移，通过监视布拉格波长的漂移就可 知道光纤光栅处的油泄漏情况。 该项技术在国内尚无涉及。本文正是着眼于这一点，对光纤光栅漏油传 感器的敏感材料制各和传感头的设计进行重点研究，设计出综合性能较好的 7 武汉理工大学硕士学位论文 传感头，为推进光纤光栅漏油传感器由理论向实用型产品转变而努力。 1 4 论文研究的意义、目的和主要内容 光纤光栅传感技术是上世纪9 0 年代后期发展起来的一项新技术，近年 来工业和军事领域投入了大量人力物力，研究开发光纤光栅传感器。在环境 控制、石油化工、建筑工程等领域中，常常需要对温度、应力、有害物质进 行在线检测。传统传感器大多属于电类传感器，其抗干扰能力较差；尤其是 在易燃易爆环境中使用时可能会带来安全方面的隐患。另外，对于石油化工 中长距离油品管道输送和大型储存罐的泄漏监测，传统传感系统复杂，投资 成本高；准分布式光纤光栅漏油传感系统具有一根光纤多点探测，结构简单， 维护量小，投资成本低。 光纤光栅漏油传感器具有本质安全、不受电磁干扰、结构简单的特性， 同时，光纤光栅传感采用波长调制的原理实现传感，其不受光强变化的干扰， 其抗干扰能力强，使其在石油工业生产和控制系统中对泄漏油的检测具有电 类传感器和一般光纤传感器不可比拟的优势；而且，光纤光栅传感器具有响 应快、寿命长、使用方便、在线实时检测等特点，也可对其它各种有害物质 的泄漏进行快速、准确的检测，因此光纤光栅传感器在环境保护方面也具有 广阔的应用前景。 光纤光栅漏油传感器的基本组成包括光源、光纤、装备有敏感材料的传 感头、信号检测与处理系统。在系统的研究开发中，对敏感材料的研究和传 感头的设计是相当重要的环节之一，敏感材料和传感头性能的好坏直接决定 了系统性能的好坏，因此敏感材料的制备及传感头的设计成为光纤光栅传感 器的关键技术之一。 本论文研究的主要目的： 设计和装备出综合性能较好的传感头，该传感头不仅具有较好的传感性 能，而且具有较好抗温变干扰能力和安全使用性能。 武汉理工大学硕士学位论文 本论文研究的主要内容： ( 1 ) 通过对各种橡胶性能的综合比较，选择出一种整体性能较好的橡 胶。 ( 2 ) 通过对不同配方、不同制备条件的硫化橡胶的性能测试，选择出整 体性能较好的硫化橡胶。 ( 3 ) 通过对传感头的设计和各种性能指标测试，确定性能较好的传感头 的可行性方案。 本文的研究过程中，我们将与多个科研单位及科研人员保持技术合作， 共同承担光纤光栅漏油传感器的研究工作，由于准分布式光纤光栅传感器的 设计具有相似性，此文的研究将为其他光纤光栅液体泄漏传感器的开发工作 提供实际经验和理论总结。就此文而言，准分布式光纤光栅漏油传感器在环 境的监测、工业控制等领域有着很重要的应用价值。 武援理工夫学硬士学位论文 第二章光纤光栅传感原理 竞导终维( 竞纾) 楚2 g 整楚晴塞瑰夔一耱瓣鍪套震耱辩，光在荚中 传播的能擞损失非常小，这为光倍母的长距离传输提供了保障。光纤光栅的 出现，实现了无源器件与光导纤维的体化，在器件的微型化上实现了突破， 大大方便了传感器 牛翻终、安装，羧大程度地扩大了毙掇使熙领域；也搜党 路中的光损失降蓟最低，为准分布式光纤光裰传憋系统开发褥掰了实用性的 发展。准分布式光纤光栅传感系统主要由以下几个部分组成：光源、光纤、 光学耦台器、传感头、信号的检测、处理。对于用于不同检测嗣豹，准分布 式毙纾光麓簧惑戆敌嚣装墨毒嚣不鬻，僵基本缀盛大致稳嚣，鲤蓉所示： 3 d b 光耦台嚣 卤 啼 飞邂氮 寅带先漾 “ 备髓伽t 射渣长 豳2 1 滩分韶谴光纾毙悔黪慕绽及先威舯渣长国语示意豳 放上鬻可戮着鑫；猴分毒式光绛光褥传感是囊一个个党磁窜袋形成豹， 不同位鬣的光栅能反射不同中心波长的光。为了方便清楚地理解准分布式光 纤光栅传感的原理，荫先简单地介绍单个光栅的传感特性。 2 。 革个光纤b r a g g 光糯的传惑特性穗艄照 根搬光纤耦合模璁论，当宽带光谯f b g 中传输时，产生模式耦合，满恩 b r a g g 条传教光被反射； 天b = 2 n 。f f a( 2 - 1 ) 式中a 为光栅周期，n ”为有效折射率，该式袭明：一宽带光入射到光 撼 武_ 醌避工大学硕士学位论文 掇中，波长为x 。的单色光被反射，其它波长的光透过光栅。 实际中，a 鞠n 。都受辨界环境影响丽发生变化a 和a n 。，导致符合 b r a g g 条件的反射波长发生位移 。对( 2 一1 ) 微分可得： a x b = 2an 。群a + 2 珏。拱a( 2 2 ) 该式表明反射波长漂移与光纤纤芯的肖效折射率和光栅常数的变化有 关。洳光纤光栅受到轴向应力作用或温度的变化影响时，m 。和人都会发生 变化。应力l 乍鼹下豹走弹效应鼯致拆射率变饯，形交使光援常数变化；漾度 导致的光热效应使有效折射率敬变，焉热黪涨系数致使光糖常数改交。先忽 略濑废和应力的交叉敏感，分别考察仅在单一的轴向应力溅温度作用下的传 感特性。 2 2 均匀轴阎应力作用下光纤光栅传惑模垄删 均匀轴向应力是指对光纤光栅进行轴向撤伸或压缩，此时各向应力可表 示必： 。 盯。= 一p ( p 为压应力) ，玎，= o 南= 0 ，得到各方向应变为： 卧 p v e p v e p 置 ( 2 - 3 ) 式中e 及v 分别为石英光纤的弹性模擞及泊松比。 将式( 2 - - 2 ) 展开我们可以得到： 屿。2 a f 鲁戤十鲁妇i + 2 篆- 越 ( 2 訇 i 乩幽j弛 这里址代表光纤的轴向伸缩量，曲表泳由于轴向拉伸引起的光纤直径 变化，a 暂o l 表示弹光效应，锄醪，苏表瑟波导效应e 下嚣对弹光效应弓 武汉理工大学磺士学位论文 起的f b g 中心波长偏移进行推算。 援对分毫抗渗张爨磊与赍电豢数奄枣磐下关系： 岛= i = i n p 2 ( 2 5 ) 其中n i j 为某一方向上的光拜折射率。怼于熔融石英光纤，出于其各向 简往，可认为各方向褥射率楣同，农鼙：便研究竞纤光栅反射穰的麓效折射率 n 。，故可将上式变形为： 娥) = 特一争 咱 由于加玎= 渤玎税皿；式( 2 4 ) 中除去波导效应其余释项可变形为： 鼯2 十孚a 铡1 班瓦a a ， 其中8 。= a l 工= a i a a 为轴向腹变。实际上，在有外界威力存在的情 况下摆对分电抗渗张繁磊应为应力拶熬丞数，对菇进毒亍泰赣矮羚，巅题式 ( 2 - 3 ) ，黼时引入材辩的弹光系数p i 。得到： 文专j 置t + 丑z ) 岛+ 置：屯 ( 2 峭) 将诧式代入式( 2 7 得到弹必效应导致的褶对波长漂移魏： 挚：一立堕兽幽+ 协。， 结合戏( 2 3 ) 得剿： 。 等= - 孚敝心：喝】- 1 k t 娜“z 啦， 此式即为光纤光栅由弹光效应弓f 起的波长漂移轴向应变灵敏度系数。 同时我们可以推出( 略) ，由波舄t 效应引起的光纤光栅波长相对漂移为： 武汉理工大学硕士学位论文 式( 2 - i 0 ) 、( 2 一1 1 ) 表明，光纤光栅对应变灵敏度系数基本上为与 材料系数相关的常数，这就从理论上保证了采用光纤光栅作为应变传感器可 以得到很好的输出线性。 2 3 光纤光栅温度传感模型分析d 洲1 仍从式( 2 2 ) 出发，当温度改变时，可得到布拉格方程的变分形式为： ax 8 = 2 a i i 。”a + 2 n 。”aa ：z 【堕o t 馏+ k k + 鲁 a + 2 n o a 州z 也) 式中a n , f r 0 t 代表光纤光栅折射率温度系数，用孝表示，【”盯k 代表热 膨胀引起的弹光效应，a n e f f a a 代表由于热膨胀导致光纤芯径变化而产生 的波导效应，o a o t 代表光纤的线性热膨胀系数，用口表示，这样可以将 上式改写为如下形式： 生3 e a t = 扑+ 丛a t + 丝0 a 坐a t 卜 ，【7 。 j 、。 利用上一节应力传感模型分析中得到的弹光效应及波导效应引起的波 长漂移灵敏度系数表达式，并考虑到温度引起的应变状态为： f s ，r r 口- a 丁1 | s 卯i = i 口r i ( 2 1 4 ) l 屯k a t 可得光纤光栅温度灵敏度系数的完整表达式为： 卷= 球阶z 鼢牛卜 c z 一 式中k 。表示波导效应引起的布拉格波长漂移系数，墨1 和墨：为材料的 口 垒哳 一 口 鱼啊 = 堕 竺啊 = 、l 丝砧 武汉理工大擎硕士学位论文 弹光系数。可以明显糟出，当材料确定后，光纤光栅对温度的哭敏度系数基 本上为一与材料系数稳关鲍常数，这就从理论上绦证了采用光纤光栅作为激 度传鏊嚣w 良褥妥缀好翡输窭线毪。 2 4 实际应用中光纤光栅轴闫应力传感模型分析口耐 在爽瓣应蕉孛，簧使毙绎光瓣哭受至l 漫度或庭力豹影嚷是一薛稷难豹 事，一般袅同时受两者共同作用。2 2 和2 3 节分别讨论了光纤光栅受温度 或应力单影响下的联想传感模型。研究表明：搬光纤光栅在温度和应力单 一影响下豹两静理想褥感攘型代数鞠艇，瑟褥盼终感模型与实璐中光终毙掇 闻时受滠发耱应力彩确豹情况其霄锻好的一致。陡。这一结论魏党纾光搬在实 际应用掇供了很好的数学模型。下谣分别对光纤光栅温度和轴向应力传感模 型进行简化，最后导出光纤光栅在鼷际应用中传感模型。 把式( 2 1 0 ) 帮式( 2 1 1 ) 穗麓，可褥光绎光褥在辖氪匣力盼作用下引 起的表观波长漂移轴向应变灵敏废可表示如下： 警：盘k | 一，b 净勰k l ( 2 l s ) b砖 jj? 式中芷叠：七一鱼。4 y 锄 。 舞方爱书写，戆式( 2 一1 6 ) 皆| 筵诺为s 缮： 丛a a = x st 2 - 1 7 ) 式中费巍竞纤光壤暾力灵敏系数，鸯光纪光搬斯受应力。 同碾，当光纤光栅材料确定下来后，式( 2 - 1 5 ) 同样可阱简化为以下 等式； 盛x i = - 蹬0 2 - 1 8 ) 式中衅为光纤光栅温度灵敏度系数，r 为光纤光栅所受温度变化。 把式( 2 - 1 7 ) 和式( 2 - 1 8 ) 代数榴加得： 武汉理工大学硕士学位论文 4 。= f f 十m r( 2 - 1 9 ) 式( 2 1 9 ) 就是实际应用中光纤光栅传感的数学模型。从上式可以看 出温度变化、应力存在都能导致波长的漂移，在传感学中，这就是所谓的 交错敏感问题。无论是温度传感器还是应力传感器，另一变化因子都是干 扰因素，在设计传感器时需尽量避免或减少干扰因素的作用。 2 5 本文研究的光纤光栅漏油传感器的原理和方法 本文研究的分布式光纤光栅漏油传感器是基于式( 2 - 1 9 ) 建立起来的， 实际上是一种应力传感器，通过泄漏油与敏感材料发生溶胀作用，敏感材料 体积膨胀，产生应力施加给光纤光栅，导致光纤光栅中轴向应力随时间逐渐 增加，致使光纤光栅反射波长发生漂移。由式( 2 1 9 ) 可知，波长漂移可 由应力和温度变化两个因素导致。对于本文研究的传感器，环境温度变化导 致波长漂移( 简称波长温漂) 是干扰因素。怎么区别开这两种情况下的波长 漂移。本文采用以下方法：油泄漏导致的波长漂移量大于一定温度变化引起 的波长漂移量来区别开这两种情况，如5 0 0 c 的温度变化引起传感头反射波 长漂移0 8 n m ，则可设漏油报警限为i n m ，当波长漂移i n m 时，就可判断有 油泄漏情况出现。本文采用漏油导致的波长漂移大于一定温度变化导致的波 长漂移来避免温度变化引起的干扰。 准分布式光纤光栅传感系统由多个不同反射波长的光纤光栅串接起来， 宽带光源发射的光在光纤中传输时，经各个光栅时，分别反射回特征波长的 光，经分路器传输到解调议( 如光谱仪) ，显示出一个个相互独立错开的反 射波谱。对于准分布式光纤光栅漏油传感系统，还需确定相邻两光栅初始反 射波长的间距大小，本文采用等于或稍大于漏油报警限来确定两相邻反射波 长的间距。 武汉理工大学预士学位论文 第三章敏感材料的研究 敏感辫瓣终为侮感器敏感元箨翡孩心嫠努，装萑戆靛好舔对整个祷惑系 统的性能超到重要的决定作用，所以对敏感材料的研究，在整个传感系统歼 发中是必不可少而又至关重要的一环。本文对敏感材料的选择和制备，遵守 敏感耪料设诗与开发豹几条嚣雯 i 来避嚣：敏感毒手料戆功毙蛙；敏感糖越的 囊手 久注；抗干抗能力；以及加工性能几个方面来综合考虑郾l 。 3 1 敏感材料的选择 3 。 。 敏感枋辩瓣渤能性 敏感材料的首要功能是敏感性，对所监测的对象参数应具谢高度的灵敏 性，能意径或阍接产擞人们或仪器熊检测的信号。本文介绍的潺油传感器， 透过敏感搴| 辩与潼添溱发生楱互终髑，导致敏感糖料发生传膨簌，产生膨强 应力施加给光纤光栅，最终导致光纤光栅反射波长漂移。敏感材料与泄漏泊 相互作用大小和快慢，都敏感材料体膨胀速度快幔宜接决定了漏油传感器的 稳应抉缦，嚣驳跨敏黪毒砉辩熬选择麓关重要。 对敏感材料的选择，首先要弄清敏感材料与泄漏油的作用机理。这里泄 漏油是指石油及石油类燃料( 如汽浊、柴油) ，石油主要组成元素是碳和氢， 棂搀产蟪举嚣，可戆纛少量不同豹酸纯凌、氧化耪器氮证兹。穗憨薄上，磊 油中的碳缀质量和占憨质量的9 8 9 9 ，所戳，原油大都趋由烷烃气体 和分子激为几十到几酉的液体烃以殿分子量到1 0 0 0 以上的固体烃及其衍生 物所组成的混合物，蔟麓要组成化会物为烧烃、环烷烃和芳番烃，这些化合 豹静共健建菲较淫袋弱壤毪有瓠耘。石i 鑫类熬辉( 窝汽灌、袋浊) ，是驮嚣 油中直接分馏或裂解出来的低分子激的液体碳氮化合物，它们也是典型的非 极性、弱极性有机物。根据非离予化合物的溶解性原理，即“相似相溶”原 理驻”，嚣辍煌或弱投拣健会饕溶予簿投往或弱壤瞧溶蘩，瑟嶷壤缝纯合凌 则溶于离极性溶剂。所以选择的敏感材料也要为稚极性或弱极雠材料，这样， 才能使敏感材料与泄漏油有较好的相容性。但一般相容性好的敏感材料与溶 武汉理工夫学颈士学垃论文 剂相互作用时，敏感材料往往会溶解于溶剂中，这时，敏感材料已无固体特 性，不熊产生线膨胀应力，不再具裔敏感材料的功魅，这就对敏感材料提出 了要求：敏感枣季精在滚裁( 淫漏漓) 中其溶胀露不溶解。校据我释j 对材精的 一般认识，一些硫化橡胶具有此特性。下面简单介绍橡胶的溶胀机理。 橡胶楚由线性橡胶长分子链构成，鱼然状态的橡胶分子镳处子卷曲、柔 颓毂缩狡杰，橡荻努予链之闼穗互壤缝奁一怒，纛裙邻分子镶蔽之阗逶过蕊 德华力( 次价键力) 栩慝作用，分予链段间这种次价键力较弱，且不固定， 随着分予链段内旋转，位置时刻改燕。当有溶剂分子作用于橡胶时，溶剂分 子帮攘黢分子懿俸翔力致使攘获分子霹凄态力学平餐发生改交，菠交翟囊戆 大小取决于橡胶分子与溶剂分子作掰力大小，其宏观表现为橡胶是否在溶刹 中溶胀及溶胀程度如何。所以，溶剂对某种橡胶溶解能力的好坏分为良溶剂 或不良溶剡。所谓良浓剡就是溶剂分子与橡胶分子链段阕有摄大的吸引力， 大大怒避镪羧阉瓣次徐键力，篌卷麴的分子疆桧敞开采，末鞴躐离增大，宏 观表现为：初期阶段，橡胶体积快速膨胀；终期橡胶( 生胶) 究全溶解于溶 剂中；在不良溶剂中，溶剂分子和离聚物链段间棚互作用力减小，链段间的 次捻疆力搜卷夔豹分子链镑处手紧缭状态，只是秘徽戆羟魏，涎着溶骚对润 的推移，松弛程度缓慢增大，所以，橡胶在不良滚剂中，橡胶体膨胀速率缓 慢，且最终不能溶解予溶剂中，体膨胀不大。对于硫化的橡胶，由于硫化的 干# 用，橡胶分子链段之闼，除了存在次价键力作耀，还有主价健力作矮，橡 胶体形戒了三维空蔫网络1 茯结聿每，分予链之阕不爵建独立、霹完全穗对运动。 所以，无论是良溶剂，还是不良溶剂，橡胶的溶剂化作用，只发生到溶胀阶 段，只不过溶胀速度和大小不同。 觚上鬻静溶涨撬瑗，霹戳看遗。选择_ 释与碟泊类磺氢纯台物相容往好 的橡胶作为敏感材料怒首要考虑的攀情之一。从附表一m 】可以看出：聚丁 二烯橡胶( b r ) 、天然橡胶( n r ) 、t 基橡胶( i i r ) 、丁苯橡胶( s b r ) 以及 三元乙嚣撩驳( 露隧) 瓣溶裁一嚣黪爱、莠烃( 缓鬣纯舍兹) 蓑，菱莛诱甓 这些橡胶岛碳氢化合物有很好的相容性，它们可以选作为敏感材料。 1 7 武没理工夫学磺士学位论文 3 1 2 敏感材料的长期使用稳寇性 选撂敏感材秘对，敏感瞧毙的好餐是嚣要首黉考虑豹先决条终，除魏之 外，还需鸯虑敏感材料酌使用长耨稳定性问题，它关系到传感系统在实际使 用中，其性能是否长期稳定，敏感材料使用寿命的长短。毕竟漏泊事故的发 生是小概率事件，光纤光栅漏油传感器作为漏浊枣敬的监测系统，绝大部分 露阕蹙套褥整溺获态，遨就要求敏感糖辩其有见鼙或爵足年长焱使瑟稳定 性。任何处在环境中的物质都要受到环境的作用，发生老化，尤其是高分子 有机物( 如橡胶) ，由于大自然