李樹(shù)東，蘇 陽(yáng)，何光層，朱玨佩，彭文英，宮 賀,，楊永濟(jì)，巫濤江，吳德操

(1.云南電網(wǎng)有限責(zé)任公司保山供電局，云南 保山 678002；2. 重慶理工大學(xué) 智能光纖感知技術(shù)重慶市高校工程研究中心，重慶市光纖傳感與光電檢測(cè)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶 400054；3.電梯智能運(yùn)維重慶市高校工程中心，重慶 402260)

0 引言

氫氣具有燃燒熱值高、可再生、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)，被認(rèn)為是一種理想的清潔能源[1-3]。但是，由于氫原子體積小，常溫常壓下其密度和質(zhì)量小，存貯過(guò)程中易發(fā)生泄漏[4]，故而氫氣未能得到很好的推廣應(yīng)用。在常溫常壓下，當(dāng)氫氣泄漏到空氣中的濃度達(dá)到4%～75%時(shí)，已到達(dá)可爆炸狀態(tài)，遇明火、電流等極易爆炸，從而引發(fā)重大安全事故[5]。因此，對(duì)氫氣制造、儲(chǔ)存、運(yùn)輸、應(yīng)用等周界環(huán)境中的氫氣濃度進(jìn)行分布式實(shí)時(shí)檢測(cè)，是實(shí)現(xiàn)氫能安全可靠、普遍應(yīng)用的關(guān)鍵[6-7]。

當(dāng)前用于氫氣濃度檢測(cè)的傳感器主要有電化學(xué)、半導(dǎo)體和光纖傳感器[8-10]。其中電化學(xué)和半導(dǎo)體氫氣傳感器易受外界環(huán)境的干擾，且存在自放電導(dǎo)致氫氣爆炸的風(fēng)險(xiǎn)。光纖傳感器具有幾何尺寸小，靈敏度較高，響應(yīng)快，可分布式測(cè)量，安全性高及穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，成為檢測(cè)氫氣最有效的方法。

光纖氫氣傳感器主要包括布喇格光柵光纖氫傳感器、干涉型光纖氫傳感器及消逝場(chǎng)型光纖傳感器。其中，基于相位敏感光時(shí)域反射儀(Φ-OTDR)的干涉型光纖氫傳感系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)對(duì)氫泄漏的分布式定位，同時(shí)檢測(cè)系統(tǒng)具有監(jiān)測(cè)范圍廣,可隱蔽,不受地形地貌限制等優(yōu)勢(shì)，成為大范圍分布式氫泄漏安全監(jiān)測(cè)技術(shù)的最佳選擇之一[11-13]。

目前關(guān)于Φ-OTDR氫泄漏檢測(cè)技術(shù)，研究者們主要圍繞Φ-OTDR檢測(cè)系統(tǒng)硬件電路和軟件算法方面開(kāi)展研究工作[14-16]，關(guān)于Φ-OTDR傳感系統(tǒng)中分布式光纖氫傳感器的相關(guān)研究工作還十分缺乏。當(dāng)前光纖Φ-OTDR傳感系統(tǒng)對(duì)長(zhǎng)距離或大范圍氫泄漏分布式測(cè)量的定位精度及其準(zhǔn)確性仍較低，因此，在現(xiàn)有的Φ-OTDR和干涉型光纖氫傳感器技術(shù)基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)一種基于Φ-OTDR的用于準(zhǔn)確探測(cè)長(zhǎng)距離或大范圍氫泄漏的分布式光纖傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)十分必要。

本文為了準(zhǔn)確、分布式、長(zhǎng)距離監(jiān)測(cè)氫氣管道氫泄漏，提出了一種基于Φ-OTDR的分布式光纖氫泄漏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)制備了分布式光纖氫濃度傳感器，并對(duì)該氫敏光纖傳感器進(jìn)行了封裝。實(shí)驗(yàn)采用Φ-OTDR分布式氫傳感系統(tǒng)對(duì)氫氣管道氫泄漏進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分析了傳感器系統(tǒng)對(duì)氫泄漏點(diǎn)的定位精度、響應(yīng)時(shí)間及其對(duì)氫濃度的檢測(cè)下限。

1 Φ-OTDR氫氣泄漏測(cè)量原理

光纖Φ-OTDR分布式傳感系統(tǒng)的原理如圖1 所示，窄帶脈沖激光(相干性強(qiáng))從光纖的一端注入，用光探測(cè)器探測(cè)光纖后向瑞利散射光相位(頻率)變化信息[17]。

圖1 Φ-OTDR 氫氣泄漏檢測(cè)原理示意圖

圖1中，當(dāng)氫氣管道某點(diǎn)處由于氫泄漏，原子氫會(huì)在光纖表面附著的鈀(Pd)膜表面解離并吸收到Pd晶格中，吸收原子氫后會(huì)引起鈀膜體積發(fā)生膨脹，從而導(dǎo)致局部光纖發(fā)生形變；發(fā)生形變的光纖區(qū)域內(nèi)部纖芯和包層折射率發(fā)生變化，進(jìn)而引起光纖中散射光相位變化。通過(guò)測(cè)量光纖中反向傳輸?shù)墓庀辔蛔兓畔?，即可獲得氫氣泄漏點(diǎn)的位置信息和氫氣濃度信息。此外，由于鈀膜對(duì)氫氣的響應(yīng)特性具有可逆性，因此，采用光纖Φ-OTDR分布式傳感系統(tǒng)對(duì)氫氣泄漏進(jìn)行分布式在線檢測(cè)也具有可逆性。

2 氫敏光纖傳感器及檢測(cè)系統(tǒng)

2.1 氫敏準(zhǔn)分布式光纖傳感器

氫敏準(zhǔn)分布式光纖傳感器采用光纖模場(chǎng)直徑為?3.3 μm@1 310 nm，波長(zhǎng)為960～1 600 nm，光纖直徑為?(125±1.0) μm，涂覆層直徑為?(250±20) μm，數(shù)值孔徑為?0.35。為了驗(yàn)證基于Φ-OTDR的分布式光纖氫泄漏在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)能準(zhǔn)確檢測(cè)不同位置點(diǎn)的氫泄漏信息，實(shí)驗(yàn)在同一光纖上制備了4個(gè)氫敏檢測(cè)點(diǎn)，即將一根長(zhǎng)為600 mm的光纖分成8段，其中4段長(zhǎng)均為50 mm，另外4段長(zhǎng)均為100 mm，如圖2所示。

圖2 氫敏分布式光纖傳感器制備容器結(jié)構(gòu)示意圖

氫敏準(zhǔn)分布式光纖傳感器制備步驟如下：

1) 采用光纖剝線鉗去除長(zhǎng)為50 mm的光纖涂覆層，然后用酒精將其表面擦洗干凈。

2) 將光纖安裝在鈀膜鍍膜槽中，鈀膜鍍膜槽采用聚四氟乙烯制備，光纖與容器間采用石蠟密封。

3) 鈀膜鍍液制備如下：

a. 稱量0.024 2 g三羥甲基氨基甲烷(Tris)，溶于體積為20 mL去離子水中，獲得10 mmol/L Tris溶液，并將溶液pH值調(diào)至8.5，備用。

b. 稱量20 mg鹽酸多巴胺，溶解于體積為10 mL步驟a獲得的Tris緩沖液中，混合并攪拌均勻，獲得2 g/L鹽酸多巴胺溶液。

c. 稱量0.443 3 g的PdCl2溶解于體積為25 mL、摩爾濃度為0.2 mol/L的HCl溶液中，混合攪拌均勻，獲得體積為25 mL、摩爾濃度為10 mmol/L氯鈀酸溶液中，備用。

d. 稱量0.007 56 g的NaBH4，緩慢、分批次將其溶解于體積為20 mL的去離子水中，獲得濃度為10 mmol/L的 NaBH4溶液，現(xiàn)配現(xiàn)用。

4) 將步驟2)獲得的2 g/L 鹽酸多巴胺溶液依次加入圖2中的4個(gè)鈀膜鍍液池中，6 h后將鹽酸多巴胺溶液排出，然后用去離子水漂洗光纖10次，去除光纖表面殘留的多巴胺溶液，最后將光纖在60 ℃下真空干燥12 h。由此可通過(guò)多巴胺的自聚合效應(yīng)在光纖表面形成厚約100 nm的聚多巴胺薄膜涂層。

5) 將步驟4)獲得具有聚多巴胺涂層的光纖區(qū)域，加入濃度為10 mmol/L的氯鈀酸溶液，并將溶液的溫度升溫至60 ℃，3 h后將氯鈀酸溶液全部排出，并重新注入濃度為10 mmol/L的NaBH4水溶液，繼續(xù)還原聚多巴胺涂層表面氯鈀離子[18-19]。由此可在光纖表面生長(zhǎng)出一層均勻致密的、厚10 μm的氫敏鈀膜，重復(fù)50次實(shí)驗(yàn)后鈀膜表明形貌如圖3所示。

圖3 重復(fù)50次實(shí)驗(yàn)后鈀膜結(jié)構(gòu)掃描電鏡圖

6) 排出氯鈀酸溶液，并向4個(gè)鈀膜鍍液池中加入無(wú)水乙醇溶解其石蠟。將光纖從容器中取出，即獲得氫敏分布式光纖傳感器。

為了增強(qiáng)氫敏分布式光纖傳感器的防水防污、耐鹽、耐酸堿、防結(jié)冰、防鈀膜脫落的性能，從而提高傳感器的使用壽命，在生長(zhǎng)好鈀膜的光纖表面涂覆一層厚為5 μm的超疏水透氣聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜材料。鈀膜表面PVDF涂覆層制備步驟如下：

1) 將2.0 g的PVDF粉體溶解于50 mL的二甲基甲酰胺有機(jī)溶劑中，待PVDF粉體溶解完全后，即獲得PVDF溶膠。

2) 將光纖浸入PVDF溶膠中，保持10 min后取出，在60 ℃下干燥6 h，即獲得PVDF涂覆氫敏分布式光纖傳感器。最后，為了增強(qiáng)PVDF涂覆氫敏分布式光纖傳感器的機(jī)械性能，將傳感器封裝在聚四氟乙烯凹槽中，傳感器結(jié)構(gòu)及封裝示意圖，如圖4、5所示。

圖4 傳感器結(jié)構(gòu)示意圖

圖5 傳感器封裝示意圖

2.2 Φ-OTDR氫敏準(zhǔn)分布式光纖測(cè)量系統(tǒng)

基于Φ-OTDR的氫敏準(zhǔn)分布式測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置示意圖如圖6所示。圖中，氫敏區(qū)從上至下依次標(biāo)記為氫敏區(qū)I、氫敏區(qū)II、氫敏區(qū)III和氫敏區(qū)IV。

圖6 Φ-OTDR檢測(cè)系統(tǒng)原理圖

系統(tǒng)中激光光源的線寬為100 Hz，輸出波長(zhǎng)為1 550 nm。超窄激光經(jīng)200 MHz聲光調(diào)制器和摻鉺光纖放大器后，得到峰值功率約為25 dBm的脈沖光，并由1 550 nm環(huán)形器直接注入到氫敏準(zhǔn)分布式傳感光纖。脈沖光在光纖內(nèi)部沿著光纖向前傳輸，由于氫氣泄漏點(diǎn)處光纖表面鈀膜膨脹引起光纖折射率發(fā)生變化，導(dǎo)致瑞利散射光散射特性發(fā)生變化，從而導(dǎo)致光相位發(fā)生變化；然后通過(guò)環(huán)形器進(jìn)入帶寬為20 GHz的光電探測(cè)器，并由數(shù)據(jù)處理單元對(duì)獲得的光頻率漂移進(jìn)行信息提取等處理，即實(shí)現(xiàn)對(duì)氫泄漏點(diǎn)的位置和濃度的測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中氫敏區(qū)I、II、III和IV所在的位置點(diǎn)分別為800 000 mm、800 150 mm、800 300 mm、800 450 mm。

實(shí)驗(yàn)測(cè)試過(guò)程中，當(dāng)氣密室中充滿空氣時(shí)，將其作為參考；隨后抽空氣密室，并充滿不同氫濃度的氣體，用于測(cè)量準(zhǔn)分布式光纖傳感器對(duì)氫氣的響應(yīng)特性。為了避免氫敏鈀膜中的Pd納米顆粒發(fā)生相變，室溫下將使用的氫濃度保持在20 000×10-6以下。

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 Φ-OTDR傳感系統(tǒng)對(duì)氫泄漏定位

為了表征基于Φ-OTDR的光纖測(cè)量系統(tǒng)能對(duì)氫泄漏位置進(jìn)行準(zhǔn)確定位，監(jiān)測(cè)了不同位置點(diǎn)處頻率的變化信息，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。

圖7 準(zhǔn)分布式光纖氫傳感器對(duì)氫氣響應(yīng)特性

由圖7可見(jiàn)，當(dāng)向圖6中的氣密室中通入氫氣60 s時(shí)，光纖的4個(gè)氫敏位置呈現(xiàn)出清晰的反射峰，且頻移漂移隨時(shí)間的增加而增強(qiáng)，其原因是鈀膜能快速地吸附氫氣并發(fā)生膨脹[10]，從而對(duì)光纖產(chǎn)生局部應(yīng)變，進(jìn)而改變光纖折射率，引起光相位發(fā)生變化。當(dāng)采樣時(shí)間間隔從480 s增至600 s時(shí)，傳感器輸出頻率漂移量變化變慢，其原因是鈀膜吸氫逐漸趨于飽和，導(dǎo)致光纖折射率變化趨于穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，基于Φ-OTDR的氫敏光纖準(zhǔn)分布式傳感系統(tǒng)能快速(響應(yīng)時(shí)間小于60 s)、準(zhǔn)確地定位氫泄漏點(diǎn)，其位置分辨率達(dá)到50 mm。

此外，對(duì)比圖7(a)、(b)可知，氫濃度越高，Φ-OTDR系統(tǒng)輸出頻率漂移量越大。因此，采用本文研制的準(zhǔn)分布式氫敏光纖傳感器的Φ-OTDR測(cè)量系統(tǒng)能對(duì)氫濃度進(jìn)行檢測(cè)。

3.2 Φ-OTDR傳感系統(tǒng)對(duì)氫泄漏連續(xù)監(jiān)測(cè)

為了驗(yàn)證基于Φ-OTDR的氫敏準(zhǔn)分布式測(cè)量系統(tǒng)能準(zhǔn)確、連續(xù)、重復(fù)地監(jiān)測(cè)氫濃度變化信息，實(shí)驗(yàn)研究了變氫濃度下(氫濃度變化順序：0→1 000×10-6→6 000×10-6→0→10 000×10-6)的傳感系統(tǒng)輸出信號(hào)，如圖8所示。

圖8 光纖氫敏傳感器在240 min內(nèi)對(duì)氫氣的連續(xù)響應(yīng)特性

由圖8可看出，當(dāng)氫濃度變化時(shí)，4個(gè)氫敏感點(diǎn)的頻率漂移均發(fā)生明顯變化。當(dāng)氫濃度從0增加到1 000×10-6。4個(gè)傳感器的頻率漂移均隨著氫濃度的增大而增加，且在濃度升高的瞬間，頻率漂移也急劇加劇，這表明傳感器系統(tǒng)對(duì)氫濃度的檢測(cè)下限達(dá)到1 000×10-6。當(dāng)氫濃度從6 000×10-6降至0時(shí)，4個(gè)氫敏感點(diǎn)的頻率漂移迅速回到0，其原因在于氫敏鈀膜具有快速解吸附氫氣的功能[10]。當(dāng)鈀膜中的氫氣完全釋放完時(shí)，光纖的折射率回到初始值，從而導(dǎo)致光相位差回到0。隨后，當(dāng)氫濃度從0增至10 000×10-6時(shí)，傳感器的頻率漂移量又迅速增大。研究結(jié)果表明，基于Φ-OTDR的氫敏準(zhǔn)分布式測(cè)量系統(tǒng)能準(zhǔn)確、連續(xù)、重復(fù)地監(jiān)測(cè)氫濃度變化信息。

4 結(jié)束語(yǔ)

為了有效監(jiān)測(cè)氫氣管道氫泄漏信息，首先采用化學(xué)鍍膜在單模光纖表面間隔生長(zhǎng)了一層氫敏鈀膜用于實(shí)現(xiàn)氫敏準(zhǔn)分布式測(cè)量。其次，為了增強(qiáng)氫敏光纖傳感器的使用壽命和機(jī)械性能，在鈀膜表面涂覆了一層PVDF疏水溶膠，并將涂覆了PVDF疏水溶膠的光纖傳感器封裝在聚四氟乙烯凹槽中。最后建立了基于Φ-OTDR的分布式氫泄漏實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)測(cè)試了準(zhǔn)分布式氫敏光纖傳感器對(duì)氫氣的響應(yīng)特性。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用本文研制的準(zhǔn)分布式氫敏光纖傳感器的Φ-OTDR測(cè)量系統(tǒng)能準(zhǔn)確、快速地定位和測(cè)量氫氣濃度變化信息，其位置分辨率達(dá)到50 mm，氫氣濃度檢測(cè)下限達(dá)到1 000×10-6。該系統(tǒng)能對(duì)長(zhǎng)距離、大范圍內(nèi)的氫泄漏或氫濃度進(jìn)行準(zhǔn)確檢測(cè)。