基于Sagnac干涉儀制備的渦旋光監(jiān)測(cè)油氣管道泄露問題

夏長(zhǎng)權(quán) 趙星月 朱金榮

摘要：隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，管道運(yùn)輸業(yè)迅速發(fā)展。但是由于管道長(zhǎng)時(shí)間的老化和腐蝕等自然原因，管道泄漏經(jīng)常發(fā)生，造成了大量的經(jīng)濟(jì)損失。本文的一個(gè)創(chuàng)新點(diǎn)是利用渦旋光來監(jiān)測(cè)管道泄漏，首先介紹了Sagnac干涉儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和基本原理，然后研究了怎么用Sagnac干涉儀去制備高質(zhì)量的渦旋光，通過此方法制備好的渦旋光具有質(zhì)量高和穩(wěn)定的特點(diǎn)，可以用來測(cè)量和計(jì)算物體的離面位移。

Abstract： With the rapid development of social economy， the pipeline transportation industry develops rapidly. However， due to the aging and corrosion of the pipeline for a long time and other natural causes， pipeline leakage often occurs， resulting in a large number of economic losses. An innovative point of this article is to use vortex light to detect pipeline leakage. This article first introduced the structure characteristics and the basic principle of Sagnac interferometer， and then studied how to use the Sagnac interferometer for the preparation of high quality vortex light. The vortex light prepared by this method has the characteristics of high quality and stability， and can be used to measure and calculate the off-plane displacement of the object.

關(guān)鍵詞：油氣管道泄漏;Sagnac干涉儀;渦旋光

Key words： oil and gas pipeline leakage;Sagnac interferometer;vortex light

中圖分類號(hào)：TE973 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號(hào)：1006-4311（2019）11-0082-03

1 ?油氣管道運(yùn)輸存在的問題

隨著國家經(jīng)濟(jì)的發(fā)展與國民經(jīng)濟(jì)的需要，油氣管道運(yùn)輸也在迅速地發(fā)展中。管道運(yùn)輸由于運(yùn)輸距離長(zhǎng)，且長(zhǎng)期埋在地下等原因，很容易因?yàn)樽匀辉蛟斐晒艿赖母g和破壞，導(dǎo)致油氣發(fā)生泄漏，油氣泄漏不僅僅會(huì)造成大量的經(jīng)濟(jì)損失，而且還會(huì)對(duì)周邊的環(huán)境造成污染，影響人們身心健康。

2 ?Sagnac干涉儀原理及結(jié)構(gòu)分析

2.1 Sagnac干涉儀的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

光纖傳感器由于體積小，質(zhì)量輕，動(dòng)態(tài)范圍寬，響應(yīng)速

度快，絕緣和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于很多領(lǐng)域。光纖傳感器一般有兩種類型，分為馬赫曾德干涉儀傳感器和薩格奈克干涉儀傳感器，其中馬赫曾德光纖振動(dòng)傳感器的結(jié)構(gòu)中需要一個(gè)參考光纖，環(huán)境對(duì)其影響比較大，導(dǎo)致測(cè)量的不穩(wěn)定，所以限制了它的使用，與傳統(tǒng)的馬赫曾德光纖振動(dòng)傳感器相比較，Sagnac干涉儀不存在兩傳感臂長(zhǎng)度不一致引起的噪音，且對(duì)光源的要求比較低，所以可使用高功率的寬帶光源，更適合長(zhǎng)距離的檢測(cè)，受環(huán)境的影響也比較小。

2.2 Sagnac干涉儀的原理分析

下面結(jié)合圖1對(duì)本文章中的Sagnac干涉儀作進(jìn)一步的描述：將同一光源發(fā)出的一束光分解為兩束，讓它們?cè)谕粋€(gè)環(huán)路內(nèi)沿相反方向循行一周后會(huì)和，然后在屏幕上產(chǎn)生干涉，當(dāng)在環(huán)路平面內(nèi)有旋轉(zhuǎn)角度時(shí)屏幕上的干涉條紋將會(huì)發(fā)生移動(dòng)，產(chǎn)生干涉。其中分布式Sagnac干涉儀是根據(jù)不同振動(dòng)點(diǎn)信號(hào)的靈敏度的差異來實(shí)現(xiàn)定位的。靈敏度是指?jìng)鞲衅髟诜€(wěn)態(tài)工作情況下輸出量變化對(duì)的一輸入量變化的比值。結(jié)合圖2，這里選擇的光纖是單模光纖，經(jīng)過隔離器，阻止光路中各種原因產(chǎn)生的后向傳輸光，然后再經(jīng)過2*2耦合器1分光。當(dāng)管道被破壞時(shí)，壓力導(dǎo)致產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，振動(dòng)信號(hào)同時(shí)作用于干涉臂A，B時(shí)，A為信號(hào)臂，B為參考臂，其中作用于A的一組光向左經(jīng)2*2耦合器2，在耦合器2中產(chǎn)生干涉后到達(dá)探測(cè)器1，另一組作用于B參考臂中的光向右經(jīng)耦合器3產(chǎn)生干涉后到達(dá)探測(cè)器2，然后經(jīng)過鎖相檢測(cè)，開始信號(hào)處理，采用基于小波包分析的“頻帶-能量”特征提取信號(hào)的特征向量，建立信號(hào)的模式庫，然后將采集到的信號(hào)的特征特征向量進(jìn)行比對(duì)，確定信號(hào)的類型[2]。

2.3 Sagnac干涉儀的定位計(jì)算

當(dāng)振動(dòng)信號(hào)作用于光纖時(shí)，就會(huì)引起光纖折射率變化，進(jìn)而引起光波相位的變化。待檢測(cè)的振動(dòng)信號(hào)主要為外界緩變壓力信號(hào)和聲場(chǎng)異常擾動(dòng)信號(hào)，這兩種信號(hào)實(shí)質(zhì)上都會(huì)對(duì)光纖產(chǎn)生壓力作用時(shí)，其折射率變化為：

5 ?總結(jié)

通過觀察渦旋光的干涉圖樣來確定管道是否發(fā)生泄漏，本文主要研究了用Sagnac制作的渦旋光來監(jiān)測(cè)管道泄漏問題。首先介紹了油氣管道發(fā)生泄漏的問題和危害，接著研究了怎么來制備高質(zhì)量的渦旋光，渦旋光具有測(cè)量離面位移的特點(diǎn)，如果管道遭到人為破壞或發(fā)生泄漏，鋪在地面下的光纖便會(huì)發(fā)生變形而產(chǎn)生離面位移，然后文章分析了變形時(shí)的渦旋光干涉圖樣，我們通過干涉圖樣的分析可以判斷管道油氣是否發(fā)生泄漏，以便做到及時(shí)處理。

參考文獻(xiàn)：

[1]李銀妹，樓立人，等.納米光鑷技術(shù)[J].激光與光電子學(xué)進(jìn)展，2003，40（1）：1-5.

[2]王琛，劉通，邵瓊玲，任元，等.基于sagnac干涉儀的渦旋光的制備方法[J].光子學(xué)報(bào)，2018，14：47.

[3]孫平，李興龍，孫海濱，李峰.渦旋光的干涉特性及其在變形測(cè)量中的應(yīng)用[J].光子學(xué)報(bào)，2014.

[4]周正仙，肖石林，仝芳軒.基于M-Z干涉原理的定位式光纖振動(dòng)傳感器[J].光通信研究，2009.

[5]周正仙，段紹輝，田杰，王曉華，徐幫聯(lián).分布式光纖振動(dòng)傳感器及振動(dòng)信號(hào)模式識(shí)別技術(shù)研究[J].光學(xué)儀器，2013.

[6]劉嶸，沈慶河，劉輝，段玉兵，張皓.基于Mach-Zehnder原理的分布式光纖振動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)[J].電氣應(yīng)用，2015.