基于倾斜光纤光栅的石油输运管道泄漏监测研究

摘要

光纤光栅（FBG）是近些年发展比较完善的一种光无源器件，由于其具有高灵敏度，易波分复用，轻巧便携，价格低廉等特点，已经在许多领域内有着广泛的应用，比如光纤传感与光通信等。倾斜光纤光栅（TFBG）是光纤光栅的一种衍生器件，它是一种有着特殊结构的短周期光纤光栅，除了具备光纤光栅大部分优点之外，更是具有自己独特的优势，倾斜光纤光栅最大的特点就是其对周围环境的折射率变化十分敏感。这主要得益于其光栅栅面的特殊结构，本文是对倾斜光纤光栅的结构以及传感特性进行详细的研究，包含的主要内容如下：
　　首先介绍了光纤光栅和倾斜光纤光栅的发展、分类以及在各领域的应用，之后对石油管道的发展和问题进行了简单介绍，为后面设计的一种石油管道安全监测系统奠定基础。
　　对倾斜光纤光栅的传输特性进行了逐步的理论分析，首先分析了光纤传输的基本理论，以亥姆霍兹方程为基础推导出耦合模理论；其次基于推导出的耦合模理论，分析了光在光纤光栅中的传输理论；最后基于倾斜光纤光栅的结构特点，利用光纤光栅的传输特性分析推导出倾斜光纤光栅的传输理论。
　　利用国际上流行的模拟光纤光栅传输特性的OptiGrating软件，仿真分析了倾斜光纤光栅本身的结构参数变化（光栅参数与光纤参数）对透射谱的影响；然后仿真分析了倾斜光纤光栅的不同传感特性（应力、温度和环境折射率）对透射光谱的影响。得到的结果为后续的实验提供了有力的参考。
　　对倾斜光纤光栅的不同传感特性进行了实验分析，并把得出的规律进行相应的总结。然后利用倾斜光纤光栅的应力和温度传感特性设计了一种用于石油管道安全预警的监测系统，再利用倾斜光纤光栅特有的折射率传感特性设计了一种用于石油管道泄漏监测的系统。

目录

声明

1 绪论

1.1 光纤光栅概述

1.1.1 光纤光栅发展简史

1.1.2 光纤光栅的分类

1.1.3 光纤光栅传感器的应用

1.2 倾斜光纤光栅简介及国内外研究现状

1.2.1 倾斜光纤光栅简介

1.2.2 倾斜光纤光栅国内外发展现状

1.3 石油管道概述

1.3.1 石油管道发展简史

1.3.2 石油管道泄漏

1.3.3 石油管道泄漏监测

1.4 本章小结

2 倾斜光纤光栅的理论分析

2.1 光纤的基本传输理论分析

2.1.1 亥姆霍兹方程

2.1.2 光纤的电磁场方程

2.1.3 耦合模理论

2.2 光纤光栅的基本理论分析

2.2.1 光纤光栅的耦合模方程

2.2.2 光纤光栅传感基本原理

2.3 TFBG的基本理论

2.3.1 TFBG的结构特点

2.3.2 TFBG传输耦合模理论

2.4 本章小结

3 不同参数对TFBG透射光谱影响的仿真分析

3.1 TFBG各结构参数对其透射光谱影响的仿真分析

3.1.1 不同光栅倾角的TFBG仿真分析

3.1.2 不同光栅周期的TFBG仿真分析

3.1.3 不同芯层折射率的TFBG仿真分析

3.1.4 不同芯层半径的TFBG仿真分析

3.2 TFBG传感特性的透射光谱仿真分析

3.2.1 TFBG应力传感特性仿真分析

3.2.2 TFBG温度传感特性仿真分析

3.2.3 TFBG外界折射率传感特性仿真分析

3.3 本章小结

4 基于TFBG的实验研究

4.1 TFBG传感特性的实验研究

4.1.1 TFBG应力传感特性的实验研究

4.1.2 TFBG温度传感特性的实验研究

4.1.3 TFBG外部环境折射率传感特性的实验研究

4.2 一种新型的用于石油管道安全预警及泄露监测的TFBG传感器

4.2.1 用于石油管道安全预警的TFBG传感器

4.2.2 用于石油管道泄漏监测的TFBG传感器

4.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表学术论文情况

致谢