由于光纖傳感器擁有如此之多的優(yōu)點(diǎn),使得其應(yīng)用領(lǐng)域非常廣泛,涉及石油化工、電力、醫(yī)學(xué)、土木工程等諸多領(lǐng)域。本文首先介紹了光纖傳感器在石油化工系統(tǒng)的應(yīng)用,其次介紹了光纖傳感器在電力系統(tǒng)的應(yīng)用,最后闡述了光纖傳感器在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用,具體的跟隨小編一起來了解一下。
一、光纖傳感器在石油化工系統(tǒng)的應(yīng)用
在石油化工系統(tǒng)中,由于井下環(huán)境具有高溫、高壓、化學(xué)腐蝕以及電磁干擾強(qiáng)等特點(diǎn),使得常規(guī)傳感器難以在井下很好地發(fā)揮作用。然而光纖本身不帶電,體小質(zhì)輕,易彎曲,抗電磁干擾、抗輻射性能好。特別適合于易燃易爆、空間受嚴(yán)格限制及強(qiáng)電磁干擾等惡劣環(huán)境下使用,因此光纖傳感器在油井參數(shù)測量中發(fā)揮著不可替代的作用,它將成為可應(yīng)用于油氣勘探及石油測井等領(lǐng)域的一項具有廣闊市場前景的新技術(shù)。
1、光纖傳感器在油氣勘探中的應(yīng)用
光纖傳感器由于其抗高溫能力、多通絡(luò)、分布式的感應(yīng)能力,以及只需要較小的空間即可滿足其使用條件的特點(diǎn),使得在勘探鉆井方面尤其獨(dú)特的優(yōu)勢。
應(yīng)用光纖傳感器可以制成井下分光計,分布式溫度傳感器及光纖壓力傳感器等適用于這種特殊作業(yè)要求的產(chǎn)品。
(1)井下分光計
流體分析儀如圖1所示,可用于了解初期開發(fā)過程中的原油組成成分。它由兩個傳感器合成:一個是吸收光譜分光纖,另一個是熒光和氣體探測器。井下流體通過地層探針被引入出油管,光學(xué)傳感器用于分析出油管內(nèi)的流體。流體分析分光計則提供了原位井下流體分析,并對地層流體的評估加以改進(jìn)。
(2)分布式溫度傳感器
光纖分布式溫度傳感器是井下應(yīng)用最為流行的光纖傳感器。應(yīng)用實(shí)例是監(jiān)測注水蒸氣重油開采系統(tǒng)。蒸汽被注入重油層用以降低油的黏度,使稠油能夠開采出來。井下蒸汽溫度可高達(dá)250℃以上。
流體分析儀構(gòu)造
圖1流體分析儀構(gòu)造
(3)壓力傳感器
側(cè)孔光纖式壓力傳感器目前正在研發(fā)中,其主要致力于超高溫和井下壓力監(jiān)測任務(wù)。
目前基于光纖傳感器已經(jīng)出現(xiàn)其他商業(yè)產(chǎn)品,例如,用于多相流測量和分布式動態(tài)應(yīng)變測量的光纖探針。其高可靠性和高效低耗的技術(shù)優(yōu)勢是光纖產(chǎn)品在油田應(yīng)用上取得成功的關(guān)鍵因素。
2、光纖傳感器在石油測井中的應(yīng)用
石油測井是石油工業(yè)最基本和最關(guān)鍵的環(huán)節(jié)之一,壓力、溫度、流量等參量是油氣井下的重要物理量,通過先進(jìn)的技術(shù)手段對這些量進(jìn)行長期的實(shí)時監(jiān)測,及時獲取油氣井下信息,對石油工業(yè)具有極為重要的意義。
光纖傳感器對電磁干擾不敏感而且能承受極端條件,包括高溫、高壓以及強(qiáng)烈的沖擊與振動,可以高精度地測量井筒和井場環(huán)境參數(shù),同時,光纖傳感器具有分布式測量能力。可以測量被測量的空間分布,給出剖面信息。而且,光纖傳感器橫截面積小,外形短,在井筒中占據(jù)空間極小。而這些特性都是傳統(tǒng)的電子傳感器在井下的惡劣環(huán)境下所不具備的。
利用光纖傳感器可以進(jìn)行井下流量測量、溫度測量、壓力測量、含水(氣)測量、密度測量、聲波測量等。
(1)流量測量
由于光的強(qiáng)度、相位、頻率、波長等特性在光纖傳輸?shù)倪^程中會受到流量的調(diào)制,利用一定的光檢測方法把調(diào)制量轉(zhuǎn)換成電信號,就可以求出流體的流量,這就是光纖流量計的工作原理。
(2)溫度及壓力測量
分布式光纖測量系統(tǒng)(DTS)利用光纖后向拉曼散射的溫度效應(yīng),可以對光纖所在的溫度場進(jìn)行實(shí)時監(jiān)測,EFPI型(非本征型F-P干涉)、FBG型光纖傳感器為波長編碼型傳感器,具有靈敏度高、可同時測量壓力、溫度、應(yīng)力等多個參量的特點(diǎn)。
光纖熱色溫度傳感器是由白光源、多模光纖組成的反射式溫度傳感器;光纖輻射式溫度傳感器利用黑體輻射能量,其非接觸,可測瞬問溫度,響應(yīng)速度快,不需要熱平衡時間,可用于高溫測量;半導(dǎo)體吸收式光纖溫度傳感器利用其半導(dǎo)體材料的吸收邊波長隨著溫度的增加而向較長波長位移的特性,選擇適當(dāng)?shù)陌雽?dǎo)體發(fā)光二極管,使其光譜范圍正好落在吸收邊的區(qū)域,這樣透過半導(dǎo)體的光強(qiáng)就隨著溫度的增加而減少。
(3)含水(氣)率及密度測量
U型光纖的傳輸功率隨外界介質(zhì)折射率變化而變化,光波作為信息載體,與混合流體電阻率、流型及水質(zhì)無關(guān),基于該原理的光纖持率/密度傳感器從本質(zhì)上解決了現(xiàn)有持率存在的高含水無分辨率和放射性物質(zhì)的應(yīng)用問題,對于多相流體油、水、氣的折射率各不相同,因而混合流體的折射率會隨著油、水、氣比例的改變而改變。因此這種折射率調(diào)制型光纖傳感器不僅能測流體持率,可同時測流體密度,其精度較高。
(4)聲波測量
地震波在不同的介質(zhì)中傳播,接收到的地震波波形就會不同,根據(jù)不同的地震波形態(tài),可識別地層沉積序列和沉積構(gòu)造,為儲層定位、判斷竄槽、檢測套管破損及斷裂、射孔層位及確定流體流量等。VSP地震測井,就是把檢波器放人井中,通過地面擊發(fā)的地震波或利用井中流體流動等產(chǎn)生的微震動,由井中的檢波器接收地震信號。永久井下光纖三分量地震測量具有高的靈敏度和方向性,能產(chǎn)生高精度的空間圖像,不僅能提供近井眼圖像,而且能提供井眼周圍地層圖像,測量范圍能達(dá)數(shù)千公里。它能經(jīng)受惡劣環(huán)境條件,且沒有可移動部件和井下電子器件,能經(jīng)受強(qiáng)的沖擊和震動,可安裝在復(fù)雜的完井管柱極小的空間。
二、光纖傳感器在電力系統(tǒng)的應(yīng)用
電力系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)復(fù)雜、分布面廣,在高壓電力線和電力通信網(wǎng)絡(luò)上存在著各種各樣的隱患,因此,對系統(tǒng)內(nèi)各種線路、網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行分布式監(jiān)測顯得尤為重要。
1、在高壓電纜溫度和應(yīng)變測量中的應(yīng)用
目前,國外(主要是英國、 日本 等)已利用激光喇曼光譜效應(yīng)研制出分布式光纖溫度傳感器產(chǎn)品。而國內(nèi)也在積極地開展這方面的研究工作。國內(nèi)把分布式光纖溫度傳感技術(shù)引入電力系統(tǒng)電纜測溫的研究工作只是剛剛開始。
聯(lián)系到我國南方地區(qū)去年所遭受到的雪災(zāi)來考慮,如果能在高壓電纜上并行地鋪設(shè)傳感光纜,對電力系統(tǒng)電纜、鐵塔等設(shè)施的溫度、壓力等參量進(jìn)行實(shí)時測量,就能夠做到及時排險,從而盡可能減少經(jīng)濟(jì)損失。可見,光纖傳感器在電力系統(tǒng)將具有廣泛的應(yīng)用前景。
在理想情況下,光纖應(yīng)被置于盡可能靠近電纜纜芯的位置,以更精確地測量電纜的實(shí)際溫度。對于直埋動力電纜來說,表貼式光纖雖然不能準(zhǔn)確地反映電纜負(fù)載的變化,但是對電纜埋設(shè)處土壤熱阻率的變化比較敏感,而且能夠減少光纖的安裝成本。
2、在電功率傳感器中的應(yīng)用
電功率是反映電力系統(tǒng)中能量轉(zhuǎn)換與傳輸?shù)幕倦娏浚姽β蕼y量是電力計量的一項重要內(nèi)容。隨著電力工業(yè)的迅速發(fā)展,傳統(tǒng)的電磁測量方法日益顯露出其固有的局限性,如電絕緣、電磁干擾、磁飽和等問題,因而人們一直在致力于尋找測量電功率的新方法。可以說光纖傳感器的出現(xiàn)給人們解決這一問題帶來了福音。
光纖電功率傳感器的主要特點(diǎn)是:由于電功率傳感同時涉及電壓、電流2個電量,因而通常需要同時考慮電光、磁光效應(yīng),同時利用2種傳感介質(zhì)或1種多功能介質(zhì)作為敏感元件,這使得光纖電功率傳感頭的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜;光纖電功率傳感器的光傳感信號中有時同時包含電壓、電流信號,因此其信號檢測與處理方法也將比較復(fù)雜。
3、在電力系統(tǒng)光纜監(jiān)測中的應(yīng)用
電力系統(tǒng)光纜種類繁多,加之我國地域廣闊,各地環(huán)境差異很大,所以光纜的環(huán)境也很復(fù)雜,其中溫度和應(yīng)力是影響光纜性能的主要環(huán)境因素。因此,在監(jiān)測光纖斷點(diǎn)的同時也對光纜所處溫度和應(yīng)力情況進(jìn)行監(jiān)測,可見對光纜的故障預(yù)警及維護(hù)意義深遠(yuǎn)。
通過測量沿光纖長度方向的布里淵散射光的頻移和強(qiáng)度,可得到光纖的溫度和應(yīng)變信息,且傳感距離較遠(yuǎn),所以有深遠(yuǎn)的工程研究價值。
基于布里淵光時域反射(BOTDR)的分布式光纖傳感系統(tǒng),采用相干檢測技術(shù),系統(tǒng)原理如圖1所示。
基于BOTDR傳感系統(tǒng)原理
圖1基于BOTDR傳感系統(tǒng)原理
BOTDR光纖傳感系統(tǒng)測量的是光纖的自發(fā)布里淵散射信號,其信號強(qiáng)度非常微弱,但可以采用相干檢測技術(shù)提高系統(tǒng)信噪比。這種方案可單光源、單端工作,系統(tǒng)簡單,實(shí)現(xiàn)方便,而且可同時監(jiān)測光纖斷點(diǎn)、損耗、溫度和應(yīng)變。
三、傳光光纖傳感器在醫(yī)學(xué)方面的應(yīng)用
在醫(yī)學(xué)中的應(yīng)用醫(yī)用光纖傳感器目前主要是傳光型的。以其小巧、絕緣、不受射頻和微波干擾、測量精度高及與生物體親合性好等優(yōu)點(diǎn)備受重視。本文將主要介紹傳光光纖在壓力測量、血流速度測量、pH值測量三個方面的應(yīng)用。此外,它還可以應(yīng)用于測量溫度和醫(yī)用圖像傳輸上面。
1、壓力測量
目前臨床上應(yīng)用的壓力傳感器主要用來測量血管內(nèi)的血壓、顱內(nèi)壓、心內(nèi)壓、膀胱和尿道壓力等。用來測量血壓的壓力傳感器示意見圖1。其中對壓力敏感的部分是在探針導(dǎo)管末端側(cè)壁上的一塊防水薄膜,一面帶有懸臂的微型反射鏡與薄膜相連,反射鏡對面是一束光纖,用來傳遞入射光到反射鏡,同時也將反射光傳送出來。當(dāng)薄膜上有壓力作用時。薄膜發(fā)生形變且能帶動懸臂使反射鏡角度發(fā)生改變,從光纖傳來的光束照射到反光鏡上,再反射到光纖的端點(diǎn)。由于反射光的方向隨反射鏡角度的變化而改變,因此光纖接收到的反射光的強(qiáng)度也隨之變化。這一變化通過光纖傳到另一端的光電探測器變成電信號,這樣通過電壓的變化便可知探針處的壓力大小。
圖1光纖體壓計探針
2、血流速度測量
多普勒型光纖速度傳感器測量皮下組織血流速度的示意見圖2此裝置利用了光纖的端面反射現(xiàn)象,測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。
光纖體壓計探針
圖2光纖體壓計探針
發(fā)光頻率為f的激光經(jīng)透鏡,光纖被送到表皮組織。對于不動的組織,例如血管壁,所反射的光不產(chǎn)生頻移;而對于皮層毛細(xì)血管里流速為的紅細(xì)胞,反射光要產(chǎn)生頻移,其頻率變化為△f;發(fā)生頻移的反射光強(qiáng)度與紅細(xì)胞的濃度成比例,頻率的變化值可與紅細(xì)胞的運(yùn)動速度成正比。發(fā)射光經(jīng)光纖收集后,先在光檢測器上進(jìn)行混頻,然后進(jìn)人信號處理儀,從而得到紅細(xì)胞的運(yùn)動速度和濃度。
3、pH值測量
用來測定活體組織和血液值pH光纖光譜傳感器示意圖,如圖3所示。其工作原理是利用發(fā)射光、透射光的強(qiáng)度隨波長的分布光譜來進(jìn)行測量。這種傳感器將兩根光纖插入可透過離子的纖維素膜盒中。膜盒內(nèi)裝有試劑,當(dāng)把針頭插入組織或血管后,體液滲入試劑,導(dǎo)致試劑吸收某種波長的光。用光譜分析儀測出此種變化,即可求得血液或組織的pH值。
測定pH值的光纖光譜儀
圖3測定pH值的光纖光譜儀