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我国光纤传感技术发展路线:关键技术发展现状


  来源: 光电汇 时间:2022-07-28 编辑:仪器仪表WXF
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基于激光/光纤的甲烷、CO等多种气体传感器,基于光纤光栅的温度、位移、应变、压力、风速等传感器,以及光纤分布式温度、应变、振动和气体传感器将在日益兴起的智能矿山建设中拥有十分广阔的发展空间。随着中红外半导体激光器技术的发展,煤矿火灾监测预警技术可望在“十四五”期间取得突破。而下一步研究和突破的重点则在于,光纤分布式振动、光纤风速、光纤粉尘传感器,光纤电流、电压传感器,在煤矿井下高湿、粉尘、强机械冲击等情况下的适应性。

 

4、油气光纤传感技术


光纤传感技术在国外石油公司已经得到了广泛应用,是一项较为成熟的技术。随着近几年的迅猛发展,国内各油田公司已加大对该技术的市场化推广力度,目前该技术已实现产业化发展规模。目前光纤传感技术已广泛应用于油田测井各个领域,用于监测井下温度、压力、声波、流量等,可有效分析油田储层动用情况,指导油气开发方案设计与调整。


基于拉曼散射的光纤分布式温度传感(DTS)技术:DTS最早被应用于稠油热采井中监测井筒的温度,丰富的温度资料可以帮助油田经营者更清晰地认识油藏区块,以实现有效开发。传统的测温传感器只能在某个时间内检测间断点的温度;而光纤分布式温度传感技术可以实现在全井范围内连续且长时间的温度监测,因此可以更好地跟踪井下温度剖面的情况,如图3。但是,典型稠油井的井下温度高达260℃~300℃,并且存在含氢层段,光纤在这种环境下的使用寿命大大缩短,无法实现目标井全生命周期的监测。所以,加大高温耐氢损光纤的研发和试验力度,在关键技术上力争突破是一个迫切的问题。

 

图3 DTS测量蒸汽辅助重力泄油(SAGD)水平井井下温度


光纤法布里-珀罗腔测压技术(PT):根据光纤法布里-珀罗腔的腔长随外界压力的变化而变化的原理来实现对油井中压力的监测,该方法具有抗干扰能力强、安全性高、长期工作稳定等优点,因此在井下监测中得到广泛应用,其应用场景如图4所示。但井下测压传感器的加工工艺要求高、可靠性低,在井下高温、含氢环境中,传感器寿命短;且解调算法中存在模型不准确导致的模式跳变。


图4 采用光纤测压技术测量地层压力


DAS技术:基于Φ-OTDR原理对空间分布的振动进行测量的DAS技术,是近几年光纤测井领域的最前沿技术。为达到最好的监测效果,需将光纤铺设在油气井套管外、与地层直接接触,但施工难度大。此外,还需要进一步提高低频甚至超低频信号采集性能,并面临着数据预处理、降噪及人工智能特征提取时,数据量大,算法复杂的问题;以及油气井的生产过程中,声波信号微弱、信噪比低的问题。


5、海洋勘探与监测光纤多参量传感技术


近年来,海洋勘探与监测光纤传感技术受到了学术界和工业界的广泛关注,得到了国内外诸多学者的深入研究,并取得了丰硕的研究成果。研发出的传感器,如海洋光纤温度传感器、盐度传感器、深度传感器、海洋光纤油污传感器、光纤水听器、海洋光纤流速流向传感器、海洋风电光纤磁场传感器和光纤地震传感器,为了解海洋、认知海洋、经略海洋提供了技术与装备支撑。


各种参量的海洋光纤传感技术经过了近十年的快速发展,其传感结构与关键器件已经能够实现全部国产化,接近实际应用的水平,近几年来逐步进入若干应用领域,其面临的主要问题是:

●目前使用的多芯光纤的纤芯位置与间距需要特制,它关系到传感器的灵敏度和成本,限制了应用开发的速度。

●复合结构中的不同种光纤间的低损耗熔接技术,是实现海洋光纤传感技术的重要环节。

●无论是基于多芯光纤的光栅阵列解调技术,,还是复合结构中多参量的解调方案,其重构算法还有待进一步完善。

 

三、我国光纤传感技术发展的愿景


伴随着我国光纤传感技术领域的发展,各高校中相关人才培养的模式也在缓慢地发生着变化,这是因为需求牵引着学术技术化,市场驱动着技术工程化。在这个信息技术发展急速变化的时代,已经很少有机会能够有较多的时间容许人才缓慢地发展,来跟随信息技术快速变化的脚步。如何满足人才市场多样性的需求?如何应对快速发展变化的相关产业?这些问题对各个高校的人才培养方式提出了新的挑战。


从市场的逻辑出发,需求牵引着市场扩展,市场驱动着技术的进步。就光纤传感技术而言,若某项特殊的感测技术有用,这项技术就能得到更深入的研究,就能得到市场更多的投入,该项技术本身才能得到更快的发展与进步。

 

光纤传感技术的成熟伴随着光纤通信技术的成熟,但是与光纤通信的市场情况则相反。光纤传感市场不仅被各种不同的需求和多样化的应用场景细分,而且能够满足各种应用的支撑性技术也各不相同,这样的现实情况阻碍了资本的投入规模,客观上也制约了光纤传感技术的发展。

 

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