光纖管道傳感檢測系統(tǒng).doc

泉州市科技局公開征集產(chǎn)業(yè)重大關(guān)鍵技術(shù)解決方案撰寫提綱方案名稱：光纖管道傳感檢測系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域：光學(xué)與光纖傳感材料、器件及技術(shù)產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域：科學(xué)研究和技術(shù)服務(wù)和地質(zhì)勘查業(yè)方案申請單位（蓋章）：廈門大學(xué)方案負(fù)責(zé)人：李森森單位法人代表：朱崇實通訊地址：廈門大學(xué)海韻園區(qū)聯(lián)系電話13950006177推薦部門：廈門大學(xué)科技處起止時間：2015年06月至2018年06月一、方案概述（簡要說明方案立項的必要性、方案目標(biāo)、研究內(nèi)容、技術(shù)方案、籌資方案、組織方式、相關(guān)基礎(chǔ)條件等）本方案將研制采用新型光纖及器件的管道壓力、溫度、流速/流量、應(yīng)變等多參數(shù)傳感器，及其在線監(jiān)測系統(tǒng)，解決當(dāng)前管網(wǎng)系統(tǒng)運行參數(shù)難以實現(xiàn)分布式、多點、多參數(shù)在線監(jiān)測和信號傳輸與融合問題，為管網(wǎng)系統(tǒng)的安全、高效、合理調(diào)度和運行提供保障。研究內(nèi)容主要包括：用于傳感的新型光纖和器件；基于光纖光柵和光纖干涉原理的壓力、溫度、流速、應(yīng)變傳感器及結(jié)構(gòu)設(shè)計；傳感器的制作工藝和封裝技術(shù)；傳感器信號檢測和處理技術(shù)；傳感系統(tǒng)的組網(wǎng)和通信、顯示技術(shù)。廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在光纖傳感技術(shù)方面有20多年的研究基礎(chǔ)和較強的產(chǎn)品開發(fā)實力，在本方案的關(guān)鍵技術(shù)上有許多獨到的技術(shù)和優(yōu)勢，已在新型光纖與器件、光纖傳感技術(shù)方面申請和獲得了10多項專利，發(fā)表了100多篇論文，完成了10多項的科研項目。合作單位泉州日新流量儀器儀表有限公司在管道傳感器和檢測儀表方面有多年的開發(fā)經(jīng)驗和應(yīng)用歷史，有雄厚的產(chǎn)品開發(fā)實力和條件，建有全省技術(shù)領(lǐng)先的氣體和液體流量檢定裝置和系統(tǒng)，經(jīng)常受省相關(guān)部門委托為其它企業(yè)的產(chǎn)品提供檢定服務(wù)。前期雙方已經(jīng)在光纖壓力、溫度和流速傳感器的研制方面進行了緊密合作，加工試制了初步的樣品，為本方案的實施提供了堅實的基礎(chǔ)。二、方案立項必要性分析2.1國內(nèi)外相關(guān)發(fā)展?fàn)顩r及方案需求分析 在工業(yè)生產(chǎn)和民用領(lǐng)域，各種管道是維持和維護生產(chǎn)和生活過程正常進行的關(guān)鍵和重要基礎(chǔ)設(shè)施，對生產(chǎn)和生活正常進行起到非常重要的作用。本方案主要針對供水和供氣管道當(dāng)前在壓力、溫度、應(yīng)變、流速/流量等多個參數(shù)實時在線監(jiān)測的需要，以及在實施管道參數(shù)的多點、分布、長距離監(jiān)測和信號傳輸方面遇到的難題，提出研制采用新型光纖和器件的多參數(shù)光纖傳感器和在線監(jiān)測系統(tǒng)，克服當(dāng)前采用傳統(tǒng)電子式傳感器件在實際應(yīng)用中的瓶頸和大規(guī)模應(yīng)用遇到的問題，為管網(wǎng)系統(tǒng)的參數(shù)監(jiān)測提供新的途徑，具有較大的創(chuàng)新意義和應(yīng)用價值。由于管道系統(tǒng)應(yīng)用的領(lǐng)域較多，下面我們以城市供水管道為例（供氣管道情況相似），具體闡述管網(wǎng)系統(tǒng)參數(shù)監(jiān)測的意義和作用。 近年來隨著城鎮(zhèn)建設(shè)速度的加快，自來水供水管網(wǎng)越來越龐大且分散。目前在國內(nèi)各地的管網(wǎng)中，壓力、流量和溫度傳感器的數(shù)量存在著很大的不足，在一些三線城市管網(wǎng)中甚至沒有安裝相應(yīng)的檢測儀器，無法進行管網(wǎng)系統(tǒng)的在線監(jiān)測、調(diào)度和預(yù)警。各地每年都會因管網(wǎng)壓力不當(dāng)或其它因素引起漏損，造成巨大的水資源浪費和經(jīng)濟損失，有的地區(qū)漏損率甚至達到3040%。在管網(wǎng)系統(tǒng)中，壓力、溫度和流速/流量是管網(wǎng)運行的關(guān)鍵參數(shù)，特別是通過壓力參數(shù)可以對管道及設(shè)備運行狀況進行動態(tài)監(jiān)測，實現(xiàn)自動化的信息管理。如果能將管網(wǎng)各監(jiān)測點的多種信息實時感測記錄并直觀顯示，對了解管網(wǎng)當(dāng)前運行狀況，合理調(diào)度與決策，保障自來水供水管網(wǎng)經(jīng)濟、可靠運行將起到十分重要的作用。因此，開發(fā)能檢測管道內(nèi)流體壓力、溫度、流速/流量，以及管道應(yīng)變、振動（與管道泄漏有關(guān)）的傳感器，對建立起一套管網(wǎng)狀態(tài)參數(shù)實時監(jiān)測系統(tǒng)，建設(shè)節(jié)約型、智能和信息化城市，保護環(huán)境和保障生產(chǎn)生活正常進行，都具有非常重要的意義。2.2預(yù)期解決的重大問題 在現(xiàn)有城鎮(zhèn)供水調(diào)度監(jiān)控系統(tǒng)中，由于各管網(wǎng)監(jiān)測點分布范圍廣、數(shù)量多、距離遠(yuǎn)，個別還地處偏僻，采用傳統(tǒng)電信號傳感和傳輸?shù)谋O(jiān)測系統(tǒng)存在電纜鋪設(shè)難度大、運行費用高、監(jiān)測點需要供電、各種傳感器集成和融合困難、不便于大規(guī)模使用等實際中難以解決的問題。為解決這一難題，近年來也有不少廠家開始研究如何將現(xiàn)有的電傳感器在供水管網(wǎng)中應(yīng)用，以及如何將多個參量的傳感器集成在一個裝置上。但由于不同參量的傳感器檢測原理通常都截然不同，還存在相互干擾的問題，集成難度很大；另外，這些基于電信號的傳感器在檢測和傳輸時極易受到環(huán)境電磁場和氣候情況的干擾，同時，傳感器的遠(yuǎn)距離供電和信號傳輸困難，多個傳感器集成時裝置的功耗太大也導(dǎo)致較嚴(yán)重的問題。目前，這些難題在實際中還未得到根本性地解決，阻礙了管網(wǎng)系統(tǒng)智能化、信息化的進程。 光纖技術(shù)在通信和其它傳感應(yīng)用領(lǐng)域已取得了很大的進展，采用光纖的傳感和傳輸方案與上述基于電信號的傳感、傳輸技術(shù)相比具有明顯的優(yōu)勢。光纖傳感器是基于光波信號工作的，傳感頭無需供電。同時，光纖的傳輸損耗又非常小（0.2dB/km），因此可以方便地實現(xiàn)遠(yuǎn)距離信號傳感和信號傳輸，可以把傳感和傳輸融合在一根光纖上實現(xiàn)。采用光纖光柵設(shè)計的的壓力、溫度、流速/流量、應(yīng)變傳感器可以非常方便地集成，通過一根光纖將各傳感器串接成一個傳感網(wǎng)絡(luò)，具有系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、無需供電、運行維護方便、穩(wěn)定性好等優(yōu)點。另外，光纖傳感器在供水和其它易燃易爆管道的行業(yè)應(yīng)用具有天然的優(yōu)勢，因為光纖傳感器在工作時不帶電，有很高的安全性，耐腐蝕，和水的兼容性好，可以簡化傳感器的結(jié)構(gòu)和設(shè)計，使成本降低。目前，光纖傳感器已廣泛應(yīng)用于土木工程、橋梁隧道、煤炭石化、航天航空、電力等行業(yè)，是新一代的傳感技術(shù)有良好的發(fā)展趨勢。供水管網(wǎng)作為城市極為重要的基礎(chǔ)設(shè)施，與城鄉(xiāng)民生、經(jīng)濟和社會發(fā)展密切相關(guān)。國內(nèi)市場的廣闊需求以及現(xiàn)有合用傳感器的不足，給光纖傳感器及監(jiān)測系統(tǒng)在供水及其它管網(wǎng)方面應(yīng)用提供了很大的發(fā)展空間，具有廣闊的市場前景。2.3 對我市和區(qū)域經(jīng)濟的作用廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在光纖傳感技術(shù)方面有20多年的研究基礎(chǔ)和較強的產(chǎn)品開發(fā)實力，在本方案的關(guān)鍵技術(shù)上有許多獨到的技術(shù)和優(yōu)勢，已在新型光纖與器件、光纖傳感技術(shù)方面申請和獲得了10多項專利，發(fā)表了100多篇論文，完成了10多項的科研項目。合作單位泉州日新流量儀器儀表有限公司在管道傳感器和檢測儀表方面有多年的開發(fā)經(jīng)驗和應(yīng)用歷史，有雄厚的產(chǎn)品開發(fā)實力和條件，建有全省技術(shù)領(lǐng)先的氣體和液體流量檢定裝置和系統(tǒng)，經(jīng)常受省相關(guān)部門委托為其它企業(yè)的產(chǎn)品提供檢定服務(wù)。公司自主研發(fā)了一系列的管道測試儀表，如UNKT型動差智能流量計已申請國家發(fā)明專利。公司產(chǎn)品已形成4大類、8個系列、300多種規(guī)格，在石油、化工、燃?xì)?、制造、食品、?biāo)準(zhǔn)計量及筑路機械等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，可為本方案研發(fā)的新型光纖傳感器提供產(chǎn)業(yè)化方面的強力支持。本方案對我市乃至我省在管道監(jiān)測技術(shù)方面走在國內(nèi)前列、保障生產(chǎn)和生活設(shè)施正常安全運行、建設(shè)信息化、智能化、科學(xué)化管理和調(diào)度的管網(wǎng)系統(tǒng)都具有重要意義。三、方案目標(biāo)和任務(wù)3.1總體目標(biāo)、研究內(nèi)容及考核指標(biāo)（技術(shù)和經(jīng)濟效益指標(biāo)，示范基地、中試線、試驗平臺和基地、生產(chǎn)線及其規(guī)模等相關(guān)產(chǎn)業(yè)化指標(biāo)）1、總體目標(biāo) 研制采用新型光纖及器件的管道壓力、溫度、流速/流量、應(yīng)變等多參數(shù)傳感器，及其在線監(jiān)測系統(tǒng)，解決當(dāng)前管網(wǎng)系統(tǒng)運行參數(shù)難以實現(xiàn)分布式、多點、多參數(shù)在線監(jiān)測和信號傳輸與融合問題，為管網(wǎng)系統(tǒng)的安全、高效、合理調(diào)度和運行提供保障。2、研究內(nèi)容（1）用于傳感的新型光纖和器件 研究截面非圓對稱光纖或多芯光纖及其光纖光柵器件，制作基于彎曲導(dǎo)致纖芯應(yīng)變從而使光纖光柵中心波長變化的光纖壓力和 流速傳感器。（2）基于光纖光柵和光纖干涉原理的壓力、溫度、流速、應(yīng)變傳感器及結(jié)構(gòu)設(shè)計 研究如何將測量壓力的彈性膜片與光纖光柵組合構(gòu)成傳感測量元件；研究如何采用懸臂梁結(jié)構(gòu)、或彎曲敏感的非圓對稱或多芯 光纖光柵實現(xiàn)流速測量；研究如何通過多根光纖光柵的組合實現(xiàn)壓力、流速、應(yīng)變和溫度的同時測量；研究采用光纖斐索干涉儀實現(xiàn)彈性膜片與光纖端面距離的絕對測量，單獨或校正基于光纖光柵的壓力傳感器。（3）傳感器的制作工藝和封裝技術(shù) 研究光纖傳感器的全金屬化封裝方法，克服采用膠水存在的蠕變和長期穩(wěn)定性問題；研究光纖傳感器傳感頭的結(jié)構(gòu)設(shè)計和密封 技術(shù)，使之適用于液體和腐蝕氣體環(huán)境下的測量，提高其長期可靠性和穩(wěn)定性。（4）傳感器信號檢測和處理技術(shù) 研究如何從噪聲中提取微弱的傳感信號，研究采用新的頻域信號處理技術(shù)提高傳感器的靈敏度。（5）傳感系統(tǒng)的組網(wǎng)和通信、顯示技術(shù) 研究如何結(jié)合波分復(fù)用、空分復(fù)用、和時分復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)多傳感器的組網(wǎng)，以及傳感信號的光纖遠(yuǎn)距離傳輸技術(shù)；研究如何通過 有線和無線網(wǎng)絡(luò)（移動通信或wifi網(wǎng)絡(luò)）實現(xiàn)傳感器表頭數(shù)據(jù)的回傳和顯示。擬重點解決的關(guān)鍵技術(shù)問題（1）新型光纖設(shè)計及器件的特性分析；（2）采用光纖光柵傳感器存在的應(yīng)變與溫度交叉敏感問題；（3）傳感器的制作工藝和封裝；（4）傳感器微弱信號的檢測技術(shù)；（5）多傳感器的融合與遠(yuǎn)距離信號傳輸，傳感器表頭數(shù)據(jù)的回傳技術(shù)3、主要技術(shù)指標(biāo)壓力傳感器：量程可根據(jù)需要分段設(shè)定，總測量范圍070 Mpa；精度：1/10002.5/1000 （滿量程）；溫度傳感器：-20150 oC，精度:0.2 oC；流速傳感器：035m/s，精度：優(yōu)于1% （滿量程）；應(yīng)變傳感器：05000 ue(微應(yīng)變），精度：優(yōu)于1/1000；傳感頭無需供電，可遠(yuǎn)距離（5 Km）工作；除了在系統(tǒng)的集中控制機房集中顯示各傳感頭的信息，還提供移動式顯示表頭，顯示各傳感器對應(yīng)的測量結(jié)果和數(shù)據(jù)；監(jiān)測系統(tǒng)傳感器個數(shù)：504、擬達到經(jīng)濟效益指標(biāo)新增產(chǎn)值：300萬元新增利潤：30萬元新增稅金：30萬元3.2年度計劃及其考核指標(biāo)2015年06月-2015年11月 調(diào)研和分析管網(wǎng)系統(tǒng)對壓力、溫度、流速/流量、應(yīng)變傳感器的技術(shù)和應(yīng)用需求，現(xiàn)有傳感器的特性和指標(biāo)，設(shè)計和制作新型的光纖傳感器。2015年12月-2016年05月 對光纖傳感器的制作工藝和特性進行細(xì)致的研究和分析，尋找最佳的材料和設(shè)計制作方案。完成光纖壓力、應(yīng)變、流速、溫度傳感器的初步制作和測量。2016年06月-2016年11月 結(jié)合實際應(yīng)用的特點，研究傳感器在實際應(yīng)用中的安裝方式和信號傳輸方式，考慮解決各種復(fù)雜環(huán)境因素，尤其是溫度變化對傳感器性能的影響問題。2016年12月-2017年05月 進一步完善壓力、應(yīng)變、流速/流量與溫度傳感器的材料和結(jié)構(gòu)設(shè)計與封裝，研究傳感器的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)，制作出性能指標(biāo)達到要求的光纖傳感器；同時研究傳感測量結(jié)果有線與無線回傳的方法，研制相關(guān)的系統(tǒng)軟件，實現(xiàn)移動表頭的數(shù)據(jù)顯示。2017年06月-2017年11月 研究和改善傳感器制作和封裝工藝，解決產(chǎn)品可靠性和一致性問題；完善系統(tǒng)軟件和移動表頭信號回傳的通信方式，實現(xiàn)移動式的數(shù)據(jù)顯示終端。研究產(chǎn)品性能的標(biāo)定方式和規(guī)范制作程序，完成相關(guān)產(chǎn)品的檢驗和證書。2017年12月-2018年05月 總結(jié)研發(fā)成果，申請相關(guān)專利，撰寫研究論文，提交項目結(jié)題和驗收的材料和報告，準(zhǔn)備驗收工作。2018年06月 項目驗收。3.3 聯(lián)合單位任務(wù)分工情況廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院：負(fù)責(zé)管道參數(shù)光纖傳感器及系統(tǒng)的研制和應(yīng)用技術(shù)的開發(fā)。泉州日新流量儀器儀表有限公司：負(fù)責(zé)提供實驗場所和協(xié)助廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院進行相關(guān)產(chǎn)品的研制及性能檢定，產(chǎn)品的推廣應(yīng)用。四、方案技術(shù)方案4.1技術(shù)路線、技術(shù)方案及其先進性和可行性分析（說明其主要技術(shù)創(chuàng)新點）1、技術(shù)路線和技術(shù)方案（1）為使光纖Bragg光柵（FBG）的中心波長對彎曲敏感，以便用于設(shè)計制作一體化的壓力和流速傳感器，必須將圓形的光纖截面改造為非圓對稱形狀，或者使用雙芯和多芯的光纖。我們是國內(nèi)最早開始進行非圓對稱光纖光柵和雙芯/多芯光纖光柵的研究單位，在非圓對稱光纖（如D型光纖）和雙芯/多芯光纖及器件的制作方面做了大量的理論分和實驗研究，取得了一系列的研究成果。已經(jīng)研制出多種D型光纖、雙芯光纖、以及采用多芯光纖的傳感器，在彎曲、位移、加速度、振動、流速、溫度傳感器方面已取得初步的實驗測量結(jié)果。這些工作為本項目的研究和應(yīng)用打下了堅實基礎(chǔ)。（2）對于采用光纖光柵的壓力傳感器，我們將設(shè)計一種新穎的結(jié)構(gòu)，使彈性膜片受壓力影響中心點產(chǎn)生位移時，帶動附著其上的FBG受力應(yīng)變導(dǎo)致其中心波長發(fā)生變化。溫度對FBG中心波長的影響可以通過與其串聯(lián)的另一根不受膜片影響的FBG測量。（3）對于采用斐索干涉儀的壓力測量方案，我們擬將光纖端面鍍膜提高其反射率，并在彈性膜片對應(yīng)位置粘貼高反射率鏡，提高干涉儀的精細(xì)度。同時，為了克服光纖斐索干涉儀偏置點漂移對靈敏度的影響，提出用兩根端面與外反射鏡距離不同的緊靠光纖構(gòu)成兩個斐索干涉儀，同時測量彈性膜片在壓力影響下的變化。只要合理設(shè)置兩根光纖端面到反射面的距離，就可以從兩個干涉儀的輸出信號獲得不受偏置點漂移影響的結(jié)果。（4）管道的應(yīng)變和振動可以通過緊貼其內(nèi)或外表面的光纖應(yīng)變傳感器測量。我們設(shè)計了一種一體化的光纖應(yīng)變和溫度傳感器，通過玻璃纖維材料將兩個FBG嵌入其中，但兩個FBG不在同一個平面上，是一種“Z”字型結(jié)構(gòu)。這樣當(dāng)其中一個FBG所在的面與管壁粘貼時，另一個FBG處于不受管壁應(yīng)變干擾的狀態(tài)。這樣當(dāng)其中一個FBG檢測管壁應(yīng)變時，另一個FBG起到檢測溫度及補償作用。（5）對于采用FBG的流速傳感器，我們將采用兩種方案。第一種方案是基于懸臂梁結(jié)構(gòu)的靶式流速流量傳感器，將兩個FBG分別貼在懸臂梁的上下（或前后）兩面，當(dāng)氣體或液體流動引起懸臂梁應(yīng)變時，F(xiàn)BG的中心波長就會發(fā)生變化。這種方案實際應(yīng)用時須解決FBG應(yīng)變和溫度交叉敏感、以及兩個FBG應(yīng)變和溫度系數(shù)不一致的問題。我們將FBG的應(yīng)變系數(shù)看作溫度和應(yīng)變的函數(shù)，提高補償?shù)臏?zhǔn)確度。第二種光纖流速傳感器方案將采用彎曲敏感的雙芯和多芯光纖FBG。我們首先在雙芯和多芯光纖的各芯子里通過紫外激光在同一個位置寫入FBG。由于雙芯或多芯光纖中的各FBG在光纖受到彎曲時感受到的應(yīng)變并不相同，則可通過各FBG的變化判斷光纖所受的彎曲大小和方向。同時，溫度對各FBG的影響又是相同的，這樣通過各FBG波長差可以消除環(huán)境溫度對結(jié)果的影響。如果光纖的彎曲與管道內(nèi)流體的流速成正比，則只用一根光纖就可以實現(xiàn)流速的測量。由于光纖具有良好的柔韌性，可以測量較大范圍的流速。無膠的傳感器設(shè)計又使這種傳感器沒有長期蠕變等問題，具有良好的可靠和穩(wěn)定性。（6）光纖光柵中心波長的變化可以通過掃描濾波法（如采用電壓控制的光纖可調(diào)F-P干涉儀）或掃描激光法測量，已有多家公司的產(chǎn)品可以實現(xiàn)這一目的。測量快速變化的壓力或應(yīng)變可以采用邊沿解調(diào)法實現(xiàn)。（7）對已獲得的傳感器微弱信號，可以采用時域多次平均疊加法提高信噪比。我們早期在微弱氣體傳感中采用這一方法，已取得良好的測量結(jié)果。對于以一定頻率變化的壓力或振動，可通過快速傅里葉變換，在頻域?qū)π盘栠M行處理。初步實驗已取得良好的結(jié)果。（8）對于多點、多參數(shù)及多個傳感器的組合和融合問題，我們將結(jié)合波分復(fù)用、空分復(fù)用和時分復(fù)用技術(shù)實現(xiàn)。例如，將各傳感器中的光纖光柵中心波長設(shè)置為不同數(shù)值進行復(fù)用，或通過光纖分路器將不同傳感器進行空分復(fù)用，或?qū)⒐庠凑{(diào)制對各傳感器實現(xiàn)時分復(fù)用。由于光纖的傳輸損耗極低，分布在長途管線的各傳感器可以通過光纖連接，將信號送到集中的信號處理中心，實現(xiàn)集中的信號處理和控制。（9）如果需要在檢測點現(xiàn)場顯示數(shù)據(jù)或讀數(shù)，可以從集中的信號處理中心通過同一根或另一根光纖將信號回傳。由于這種集中處理、信號回傳模式工作的系統(tǒng)不需要在檢測點單獨安裝功能比較復(fù)雜的電路模塊、處理器及其它元器件，可以大大簡化檢測裝置的結(jié)構(gòu)和設(shè)計，提高系統(tǒng)的可靠性。本項目還將采用一種創(chuàng)新的顯示方案，利用目前比較普及和成本低廉的移動通信終端作為傳感器的顯示表頭，將信號處理中心獲得的數(shù)據(jù)通過移動網(wǎng)絡(luò)或wifi發(fā)送到移動終端顯示，進一步提高顯示的靈活性。2、主要技術(shù)創(chuàng)新點（1）首次將非圓對稱光纖和多芯光纖光柵傳感器應(yīng)用于管道壓力和流速測量，并提出采用光纖光柵同時檢測壓力與溫度、流速與溫度的方案；（2）通過對光纖光柵應(yīng)變系數(shù)、溫度系數(shù)的深入研究和分析，解決光纖光柵應(yīng)變與溫度交叉敏感的問題。將新的算法應(yīng)用于基于 懸臂梁結(jié)構(gòu)的靶式流速傳感器，提高傳感器的檢測精度；（3）將一種新的雙光纖斐索干涉儀應(yīng)用于壓力傳感器，克服偏置點漂移對傳感器靈敏度影響的難題；（4）提出一種新的傳感器信號頻域處理方法，提高系統(tǒng)對傳感器微弱信號的提取能力。經(jīng)初步實驗，采用新的方法可以將傳感器輸出信號的信噪比提高10倍以上；（5）通過新的設(shè)計和結(jié)構(gòu)，將壓力、應(yīng)變、流速、溫度傳感器信號融合在一根光纖，實現(xiàn)管網(wǎng)系統(tǒng)多參數(shù)、多點、多傳感器同時測量；（6）在傳感器測量結(jié)果的顯示和傳輸方式上，提出一種創(chuàng)新的“移動表頭”顯示方式和概念。與傳統(tǒng)的表頭與傳感器集成一體的不同， 本方案用于顯示測量結(jié)果的表頭和傳感器可以是分離的，對應(yīng)各傳感器的顯示數(shù)據(jù)可以通過監(jiān)測系統(tǒng)中心通過無線的移動通信方式（如3G或wifi網(wǎng)絡(luò)）發(fā)送到常規(guī)或特制的移動顯示終端，檢查人員可以在各監(jiān)測點通過移動終端實時獲得各傳感器的信息。這種新的方案特別適合光纖傳感系統(tǒng)的信號處理特點，具有較大的實際意義。4.2知識產(chǎn)權(quán)分析與對策（含國際競爭力分析）廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院在光纖傳感技術(shù)方面有20多年的研究基礎(chǔ)和較強的產(chǎn)品開發(fā)實力，在本項目的關(guān)鍵技術(shù)上有許多獨到的技術(shù)和優(yōu)勢，已在新型光纖與器件、光纖傳感技術(shù)方面申請和獲得了10多項專利，發(fā)表了100多篇論文，完成了10多項的科研項目；本方案開發(fā)的產(chǎn)品和技術(shù)在管道參數(shù)監(jiān)測領(lǐng)域具有較大的創(chuàng)新性，與本方案有關(guān)的幾項專利正在申請中。合作單位泉州日新流量儀器儀表有限公司在管道傳感器和檢測儀表方面有多年的開發(fā)經(jīng)驗和應(yīng)用歷史，有雄厚的產(chǎn)品開發(fā)實力和條件，建有全省技術(shù)領(lǐng)先的氣體和液體流量檢定裝置和系統(tǒng)，經(jīng)常受省相關(guān)部門委托為其它企業(yè)的產(chǎn)品提供檢定服務(wù)。公司自主研發(fā)了一系列的管道測試儀表，如UNKT型動差智能流量計已申請國家發(fā)明專利。公司產(chǎn)品已形成4大類、8個系列、300多種規(guī)格，在石油、化工、燃?xì)?、制造、食品、?biāo)準(zhǔn)計量及筑路機械等系統(tǒng)中得到廣泛應(yīng)用，可為本項目研發(fā)的新型光纖傳感器提供產(chǎn)業(yè)化方面的強力支持。4.3預(yù)期產(chǎn)品的市場分析或技術(shù)成果應(yīng)用分析本方案的產(chǎn)業(yè)化和推廣應(yīng)用，將為供水、供送氣領(lǐng)域的儀器儀表和監(jiān)測系統(tǒng)帶來產(chǎn)業(yè)升級、信息化、智能化等一系列改變，產(chǎn)生良好的社會和經(jīng)濟效益，如有效的減少了城市自來水供水管網(wǎng)因壓力不當(dāng)或其他因素引起漏損造成巨大的資源浪費。當(dāng)產(chǎn)品成熟并推向市場后，其潛在的經(jīng)濟效益可達1000萬/年以上。五、基礎(chǔ)條件和優(yōu)勢5.1方案申報單位和合作單位的基本情況（包括與方案實施相關(guān)的實力和基礎(chǔ)，以往的業(yè)績和成就，承擔(dān)相關(guān)方案情況）廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院光波技術(shù)研究所在光纖技術(shù)與應(yīng)用方面，對多種光纖通信器件與光纖傳感器作了長期和系統(tǒng)、深入地研究。如對光纖光柵的理論與特性做了深入細(xì)致的研究，研制了新的光纖光柵壓力、溫度、流速、應(yīng)變、彎曲、位移、加速度等傳感器；共發(fā)表各類學(xué)術(shù)論文100多篇，申請和獲得專利10多項。主持包括國家自然科學(xué)基金、省部級基金、企事業(yè)單位委托項目等共10多項研究和開發(fā)項目。研究所儀器設(shè)備包括多種可進行光波導(dǎo)、光纖光學(xué)、微波與射頻技術(shù)研究和實驗的關(guān)鍵設(shè)備，如：高精度光譜分析儀（ANDO AQ6317B）、1500nm1640nm高波長精度可調(diào)激光光源、光時域反射OTDR (EXFO FTB7300D)，光偏振分析儀(Thorlabs, USA)、Ocean Optics紫外可見光譜分析儀(USB2000)，小型光纖拉絲機、光纖拉錐系統(tǒng)，光纖熔接機，磁控濺射儀，高功率CO2激光器，980nm大功率激光光源，光纖放大器，寬帶示波器、頻譜測量儀， AV3619型矢網(wǎng)儀、TU-1901型分光光度計、KW型勻膠機，以及其它相關(guān)的各種波長半導(dǎo)體激光器、固體激光器、寬帶光源、光功率計、光學(xué)元器件等。合作單位泉州日新流量儀器儀表有限公司是一家在管道流量、壓力檢測儀器儀表領(lǐng)域有較大規(guī)模和實力的企業(yè)，是集研制、開發(fā)、生產(chǎn)一身的專業(yè)科技公司，公司占地13000多平方米，建筑面積10000多平方米，年生產(chǎn)能力達8000臺套以上，產(chǎn)值400多萬。公司擁有一批高、中級工程技術(shù)人員和經(jīng)驗豐富的技術(shù)工人，具有相當(dāng)?shù)难兄?、開發(fā)能力。公司經(jīng)過多年研制、開發(fā)的UNKT型動差智能流量計是一種全新概念的流量計，已申請國家發(fā)明專利。產(chǎn)品已形成4大類、8個系列、300多種規(guī)格，因其十分突出的優(yōu)越性而廣泛應(yīng)用于石油、化工、燃?xì)狻⒅圃?、食品、環(huán)境保護、標(biāo)準(zhǔn)計量及筑路機械等系統(tǒng)中。公司已通過ISO9001:2008質(zhì)量管理體系。建立了科學(xué)、合理、有效的管理機制。以質(zhì)優(yōu)為本，誠諾是信 為宗旨，以最優(yōu)秀的產(chǎn)品，最完善的服務(wù)，為經(jīng)濟的發(fā)展奉獻薄力。 公司擁有良好的企業(yè)管理體系、生產(chǎn)條件及技術(shù)人才隊伍，多年積累的相關(guān)流量計的技術(shù)設(shè)計、研制開發(fā)經(jīng)驗，及現(xiàn)有研究工作基礎(chǔ)，可以為本項目提供良好的技術(shù)基礎(chǔ)和實驗條件。5.2 方案申報單位和合作單位與國內(nèi)外同類機構(gòu)的優(yōu)勢比較分析（完成方案預(yù)期目標(biāo)的技術(shù)、人才、機制、設(shè)施設(shè)備優(yōu)勢等）廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院光波技術(shù)研究所系統(tǒng)地分析了偏振光在光纖中的傳輸特性，提出了用于電力系統(tǒng)大電流測量的光纖電流傳感系統(tǒng)和相關(guān)器件的設(shè)計；首次將摻稀土元素光纖光源應(yīng)用于甲烷氣體檢測，深入開展了多種氣體的傳感研究；提出一種新的多波長光纖激光器方案，有關(guān)工作在國際上被大量引用；在國內(nèi)率先開展雙包層光纖激光與光子晶體光纖的研究，并提出新型可調(diào)相移光纖光柵及單頻光纖激光器方案等。已開展的研究和開發(fā)項目包括：光纖光柵壓力、溫度、應(yīng)變、振動傳感器；光纖干涉式壓力、位移傳感器；光纖氣體傳感器；光纖電流傳感器等。部分比較具體的工作如下：（1）光纖光柵壓力與溫度傳感器 基于光纖Bragg光柵(FBG)的多參數(shù)集成傳感器工作的基本原理如圖1所示，其中待測的物理量可以是壓力、溫度或流速等。光纖光柵的中心波長可由式(1)表示： （1）當(dāng)被測物理量引起FBG中心波長變化時，波長變化量可寫為： （2）其中Ke, KT分別是FBG的應(yīng)變和溫度系數(shù)。由于FBG在測量壓力、流速或其它物理量時會同時受到溫度的影響，因此如何消除溫度對測量結(jié)果的干擾就是這類傳感器要解決的關(guān)鍵問題。圖1 FBG應(yīng)變和溫度傳感系統(tǒng)框圖 我們研發(fā)的基于懸臂梁的光纖壓力、流速和振動傳感器的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，其中兩只中心波長不同的FBG分別貼在懸臂梁的上下兩面，這樣當(dāng)懸臂梁受到被測物理量影響而發(fā)生彎曲時，兩只傳感器的波長朝相反方向變化，但溫度對兩只FBG波長的影響是同向的，因此兩只FBG中心波長相加可得到溫度的信息，而相減可以消除溫度對傳感器輸出的影響而保留其它物理量的信息。但這種簡單差分式測量原理遇到的難題是兩只FBG在實際測量條件下的溫度系數(shù)可能不完全一致，這樣溫度對傳感器輸出的影響不能完全消除，造成測量系統(tǒng)的誤差。我們在對不同條件下FBG溫度和應(yīng)變系數(shù)的特性充分了解和研究的基礎(chǔ)上，提出了一種創(chuàng)新的同時考慮溫度和應(yīng)變的基于懸臂梁的雙光纖光柵的信號解調(diào)和處理方案，有效解決了溫度對傳感器輸出信號干擾和測量精度不高的問題。圖3是采用我們新的信號處理技術(shù)后傳感系統(tǒng)輸出精度與常規(guī)僅用差分法測得的輸出信號對比曲線?？梢姴捎眯碌奶幚矸椒ê鬁y量精度可提高一個數(shù)量級左右。圖3 信號處理前后傳感器輸出信號的對比，其中a為修正系數(shù)圖2 懸臂梁上下表面粘貼兩只FBG的傳感示意圖壓力或其它物理量FBG1FBG2（2） 采用特殊光纖的流速傳感器我們對D形、雙芯光纖、特殊封裝光纖器件的特性和傳感應(yīng)用做了大量的研究和分析，自行設(shè)計和研制了各種特殊光纖和傳感頭。例如圖4是我們研制的D形和雙芯光纖，以及它們在位移、加速度、流速測量等方面應(yīng)用的例子和實驗測量曲線。采用非圓對稱截面或纖芯結(jié)構(gòu)光纖及FBG傳感器測量的基本原理是這種FBG對光纖的彎曲十分敏感，因此如果傳感頭受氣體或液體流動的影響而發(fā)生彎曲，F(xiàn)BG的中心波長將發(fā)生變化。我們將采用這種創(chuàng)新設(shè)計的傳感頭測量流速的大小，同時還能測量流體的方向，這樣可以實現(xiàn)一種矢量的測量，在實際中對消除干擾具有重要的意義。 (a) (b) (c) (d) (e) (f)圖4 D形光纖及其FBG在位移和加速度傳感方面的實測曲線和應(yīng)用。(a) D形光纖截面圖；(b) 采用D形光纖的FBG (D-FBG)反射譜隨彎曲大小的變化；(c) D-FBG中心波長隨位移的變化；(d) 采用D-FBG的加速度傳感器結(jié)構(gòu)設(shè)計；(e) 加速度傳感器輸出信號隨加速度大小的變化；(f) FBG流速傳感器輸出信號隨流速變化的實測曲線。 廈門大學(xué)光波所部分已制作的光纖傳感器照片：圖5 廈門大學(xué)光波技術(shù)研究所制作的各種光纖傳感器。（a）光纖壓力傳感器；（b）光纖流速傳感器；(c)光纖應(yīng)變-溫度傳感器。 圖6 廈門大學(xué)光波技術(shù)研究所制作的光纖應(yīng)變-溫度傳感器在香港水務(wù)署輸水管道應(yīng)變溫度監(jiān)測項目中的現(xiàn)場安裝照片及獲得的應(yīng)變信號。（3） 傳感器微弱信號的檢測技術(shù) 我們針對光纖光柵在檢測微弱聲波/振動信號時所具有的特點，提出并驗證了一種有效的時域頻域信號處理方法。采用FBG對微弱的聲波振動信號進行檢測和信號處理，實驗結(jié)果經(jīng)分析表明，當(dāng)信噪比低于10dB時系統(tǒng)仍可檢測低頻振動信號；圖5顯示采用新的信號處理技術(shù)可以有效提取淹沒在噪聲中的振動信號，提高光纖傳感系統(tǒng)檢測微弱振動和壓力的能力。 (a) (b)圖 7 采用時域頻域信號處理技術(shù)對低信噪比傳感系統(tǒng)輸出信號的提取。(a) 淹沒在噪聲中的傳感器輸出信號；(b) 經(jīng)信號處理后提取的30Hz振動信號合作單位泉州日新流量儀器儀表有限公司現(xiàn)有的氣體和液體流量檢定場所和裝置是省內(nèi)技術(shù)領(lǐng)先、功能齊全、規(guī)模最大的技術(shù)平臺和檢定基地，經(jīng)常受相關(guān)技術(shù)監(jiān)督部門委托為其它企業(yè)的相關(guān)產(chǎn)品進行檢定，是泉州市科技局和技術(shù)監(jiān)督部門授牌認(rèn)可的計量檢定單位。公司現(xiàn)有的產(chǎn)品和先進設(shè)備如下：前期雙方已經(jīng)在光纖壓力、溫度和流速傳感器的研制方面進行了緊密合作，加工試制了初步的樣品。公司針對大口徑城市管網(wǎng)水道的測量要求，特別籌建了管徑1000mm的測量裝置 ，前期已投入經(jīng)費25萬用于修建500 m3的水池，用于傳感器與系統(tǒng)的測試。5.3方案負(fù)責(zé)人及主要骨干人員的情況(從事過的主要相關(guān)研究及所負(fù)責(zé)任和作用，相關(guān)研究和產(chǎn)業(yè)化成果、發(fā)明專利和獲獎情況，在國內(nèi)外主要刊物上發(fā)表論文情況，特別是與本方案相關(guān)的研究成果情況等)方案負(fù)責(zé)人李森森助理教授長期從事全息光柵、全息透鏡等全息光學(xué)元件的特性分析、制備技術(shù)及相關(guān)應(yīng)用等方面的研究，目前側(cè)重于新型光纖光柵結(jié)構(gòu)的探索與應(yīng)用。先后參與并完成了包括福建省科技計劃重點項目（國際合作）“微型全息光學(xué)元件制作技術(shù)及應(yīng)用研究”、廈門市科技計劃重點項目“費涅耳全息型密集光波分復(fù)用器的制作技術(shù)”、 福建省自然科學(xué)基金計劃項目“全息技術(shù)實現(xiàn)光子晶體制作及在LED上的應(yīng)用研究”、國家自然科學(xué)基金青年項目“基于波導(dǎo)分布反饋技術(shù)的固態(tài)染料隨機激光介質(zhì)研究”、國家自然科學(xué)基金面上項目“新型相移光纖光柵及單頻可調(diào)光纖激光器的研究”等多個項目的研究工作。相關(guān)論文和專利：1、S. S. Li*, L. J. Chen, X. P. Dong, X. C. Ren, X. S. Zhang, and S. Liu, Spatial frequency doubling with two-step technique, Opt. Lett., 39(7): 2024-2027, 20142、L. J. Chen*, Z. Liu, K. J. Che, Y. K. Bu, S. S. Li*, Q. Zhou, H. Y. Xu, and Z. P. Cai, Thermo-switchable multi-wavelength laser emission from a dye-doped nematic liquid-crystal device, Thin Solid Films, 520: 29712975, 20123、Q. Zhou, S. S. Li, C. H. Huang, L. J. Chen*, H. Y. Xu, and S. Liu, Two-dimensional DFB laser fabricated on dye-doped hybrid zirconia film by soft lithography. Chin, Opt. Lett. , 10(5): 051401-1- 051401-4, 20124、S. S. Li*, S. Liu, X. S. Zhang, and X. C. Ren，Demultiplexer based on an off-axis holographic lens with low monochromatic aberrations，Chin, Opt. Lett., 9(9), 090603-1- 090603-3, 20115、L. J. Chen*, F. Y. Gao, C. Liu, Q. Zhou, S. S. Li*, Y. K. Bu, and Z. P. Cai, Distributed feedback leaky laser emission from dye doped gel-glass dispersed liquid crystal thin film patterned by soft lithography, Optical Materials, 34: 189-193, 20116、李森森，陳鷺劍，董小鵬，任雪暢，劉守. 一種倍頻光柵空間頻率的方法，2013.08.14，中國，申請公布號：CN 103245991 A.7、李森森，董小鵬. 基于菲涅爾全息型波分復(fù)用器的光纖光柵波長解調(diào)裝置，2012.05.02，中國，申請公布號：CN 102435213 A.方案主要骨干人員董小鵬教授一直從事光纖技術(shù)及相關(guān)產(chǎn)品的研發(fā)和應(yīng)用工作，是廈門大學(xué)信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院光波技術(shù)研究所所長，博士生導(dǎo)師，“通信與信息系統(tǒng)”博士點“光纖通信與光纖傳感”方向?qū)W術(shù)帶頭人。工作中特別重視實際應(yīng)用領(lǐng)域提出的需求和采用光纖技術(shù)為實際應(yīng)用領(lǐng)域解決技術(shù)難題。例如，協(xié)助多家企業(yè)研發(fā)了光纖電流傳感器、高穩(wěn)定度光纖光源、光纖溫度、壓力、應(yīng)變傳感器，以及幫助某知名國際跨國電氣企業(yè)解決了一款電氣產(chǎn)品的測試難題。具有強烈的創(chuàng)新和開拓意識，對國際上相關(guān)領(lǐng)域的技術(shù)進展以及在各行業(yè)的可能應(yīng)用十分關(guān)注，已申請十幾項專利，發(fā)表100多篇學(xué)術(shù)論文，多次擔(dān)任國內(nèi)、國際學(xué)術(shù)會議技術(shù)委員會委員和做特邀報告，在光纖通信與傳感領(lǐng)域有較高知名度。已發(fā)表的部分有關(guān)論文如下：1. Y. Zou, Xiaopeng Dong, Wide Range FBG Displacement Sensor Based on Twin-core Fiber Filter,Journal of Lightwave Technology, 30(3): 337-343, 20122. W. Chen, Xiaopeng Dong, Stress Analysis and Detection of Composite Electrical Insulators with Embedded Fiber Bragg Grating Sensors, Sensor Letters, 10(11): 14, 20123. Y. Zou, Xiaopeng Dong, Demodulation of the FBG temperature sensor with the tunable twin-core fiber, Microwave and Optical Technology Letters, 53(1): 81-84, 2011已獲得的部分專利：1. 董小鵬等，可調(diào)諧相移光纖布喇格光柵，發(fā)明專利（專利號：200810071199.1），2010.62. 董小鵬等，一種采用LED熒光粉的光纖溫度傳感器，實用新型，（專利號：ZL201220401911.1）, 2013.43. 吳兆喜，董小鵬等，一種光纖光柵溫度傳感器，實用新型（專利號：201220026498.5）六、方案組織方式及管理機制6.1方案的組織管理（組織方式和機制、產(chǎn)學(xué)研用結(jié)合、創(chuàng)新人才隊伍的凝聚和培養(yǎng)等）6.2與其他（國家和省部級）項目（方案）的銜接方案（包括技術(shù)和產(chǎn)品研發(fā)鏈、產(chǎn)業(yè)化鏈、基礎(chǔ)設(shè)施共享共用等方面）七、方案預(yù)算及籌資方案7.1預(yù)算表 單位：萬元總投資175申請資