综述：用于碳储存监测的多参数光纤传感器：二氧化碳、湿度、温度和压力传感技术的综述

《Optics & Laser Technology》：Multi-parameter fibre optic sensors for carbon storage monitoring: A review of carbon dioxide, humidity, temperature and pressure sensing

碳捕获与封存（CCS）中多参数光纤传感技术综述及其应用前景。

　　

A.R. Azmi|R.S.Q. Iman|A.M. Aizzuddin|E. Vorathin|I. Veza

马来西亚霹雳州Seri Iskandar 32610，PETRONAS理工大学机械工程系

摘要

碳捕获与封存（CCS）是通过减少大气中的二氧化碳（CO₂）排放来缓解气候变化的关键技术。然而，维持CO₂储层的长期完整性需要持续监测关键参数，这些参数包括CO₂浓度、湿度、温度和压力。由于光纤传感器（FOSs）在爆炸性环境中具有固有的安全性，因此成为这一应用的有希望的候选者。本文全面回顾了基于不同传感原理的多参数FOSs，包括基于染料的、衰减波的、干涉式的、非分散红外（NDIR）和基于光栅的传感方法。最后，本文概述了同时测量多个参数的策略，并讨论了FOSs在CCS应用中的未来前景。

引言

二氧化碳（CO₂）排放已成为一个重大的环境问题，因为它对气候变化和全球变暖有影响。根据美国国家海洋和大气管理局（NOAA）在夏威夷莫纳罗亚天文台的测量数据，从1959年到2024年，全球大气中的CO₂浓度增加了约35%[1]（见图1）。1959年，CO₂浓度约为316 ppm，到2024年上升到了约425 ppm。这种增长引起了全球的关注，因为当前的浓度超过了350 ppm的安全阈值[2]、[3]、[4]，超出了20%。为此，国际社会发起了到2050年实现净零排放的目标，这是政府间气候变化专门委员会（IPCC）所推荐的[5]、[6]。支持这一目标的关键策略之一是实施碳捕获与封存（CCS）技术[7]、[8]。该方法涉及在源头捕获CO₂，将其压缩并注入深层地质构造中，如枯竭的石油和天然气（O&G）储层或咸水层。尽管CCS显示出巨大的潜力，但其成功在很大程度上取决于储层的长期完整性。大量CO₂的地下注入可能会导致压力、温度和岩石-流体化学相互作用的变化[9]、[10]。如果管理不当，这些变化可能导致机械应力、地面变形或泄漏。因此，持续监测CO₂浓度、湿度、温度和压力等关键参数是必不可少的。

CO₂浓度监测有助于验证注入的CO₂是否被限制在储层内，防止其泄漏到周围环境中。如果发生泄漏，CO₂可能会与周围地质构造中的流体或气体混合，导致浓度降低[11]。通常，从大气中捕获的CO₂会经过分离过程，以去除氮气、水蒸气和其他微量气体。注入地下储层后的CO₂浓度非常高，纯度超过95%[12]、[13]。湿度监测同样重要。当CO₂与地层水相互作用时，可能会腐蚀CCS基础设施，如管道、储罐和井筒[14]、[15]。建议相对湿度（RH）限制在60%以下，因为超过这个阈值会显著增加金属部件的腐蚀速率[16]。最后，CO₂理想情况下应在其超临界状态下储存，储层深度应大于800米[17]。超临界CO₂比其气态形式更密集，可以在相同的体积内储存更多的CO₂，从而提高储存容量[18]。增加的密度还降低了向上迁移的风险[19]。这增强了密封性，有助于确保CO₂被封存在不透水的盖层下。当CO₂的温度超过30°C、压力超过7380 kPa时，就会达到超临界状态[20]、[21]。此外，压力监测在检测异常情况（如意外压力下降）方面起着至关重要的作用，这可能表明发生了泄漏。

这些参数通常使用传统的电气传感器进行监测，例如基于微机电系统（MEMS）的金属氧化物半导体气体传感器、电容式湿度传感器、基于蓝宝石的双压力和温度传感器以及井下振动线压力计[22]、[23]、[24]。然而，电气传感器在危险环境中存在安全风险[5]、[6]。虽然CO₂本身不易燃，但地下储层可能含有残留的碳氢化合物、甲烷（CH₄）、挥发性有机化合物和硫化氢[25]。这些物质具有潜在的爆炸性。此外，大多数传统传感器仅设计用于测量单个参数。同时监测多个参数通常需要集成不同的传感器技术，这会增加系统的复杂性和总体成本[26]。为了解决这些限制，人们广泛探索了光纤传感技术。光纤传感器（FOSs）使用光信号而不是电信号与物理参数交互。这一工作原理使它们在危险环境中具有固有的安全性[5]。它们还对电磁干扰（EMI）免疫，并且可以通过复用技术在单根光纤上测量多个参数[6]。尽管有这些优点，但裸硅玻璃FOSs对化学分析物和湿度本质上不敏感。它们还对压力和温度表现出交叉敏感性。因此，本文旨在回顾用于监测CO₂浓度、湿度、温度和压力的各种类型FOSs的最新进展。使用Google Scholar数据库识别了相关出版物。搜索使用了关键词“fibre optic CO₂ sensor”、“fibre optic humidity sensor”、“fibre optic temperature sensor”和“fibre optic pressure sensor”。对于CO₂浓度传感，没有时间限制，因为只有少数研究关注与其他参数的同时检测。相比之下，关于湿度、温度和压力传感的研究较多。因此，只选择了2020年至2025年间发表的论文。本文还仅关注同时测量湿度和温度以及压力和温度。这种关注是有道理的，因为单参数和多参数传感器的工作原理相似，以避免重复。尽管本文的目的是识别合适的多参数FOSs，但它主要关注单参数和双参数传感研究。这是因为多参数传感系统通常是通过组合多个单参数或双参数传感功能开发的。因此，本文首先探讨了如何感知各个参数，如CO₂浓度、湿度、温度和压力。这种理解为开发可靠且完全集成的多参数FOSs提供了明确的基础。本文首先讨论了基于光纤布拉格光栅（FBG）的光学传感器用于同时多参数测量的应用。然后，根据它们的工作原理，对各种类型的FOSs进行了全面回顾。最后，本文总结了所有报道的FOSs及其在CCS应用中的未来前景。

章节摘录

用于同时多参数测量的FBG

FBG传感器是用于监测环境参数的最广泛报道的FOSs之一。这种传感器是通过在光纤的核心区域刻制布拉格光栅制成的，如图2所示。光栅的形成增加了光纤内的反射光，其原理由布拉格条件控制，表达为[27]：${\lambda }_B=2{\eta }_e\Lambda$${\lambda }_B$是布拉格波长。${\eta }_{\mathrm{eff}}$是光纤的有效折射率（RI），为1.46。$\Lambda$是光栅周期，它决定了

使用基于染料的传感方法检测CO₂浓度

CO₂是一种非极性气体，这意味着其分子中的电荷分布均匀[29]。因此，它没有明显的正端或负端，与其他物质的相互作用较少。另一方面，硅玻璃光纤由紧密排列的原子组成，形成了一个刚性的玻璃结构。这种结构缺乏CO₂分子结合或相互作用的活性位点[30]。因此，CO₂不会发生表面吸附、膨胀或扩散

使用衰减波传感同时测量湿度和温度

衰减波传感也被用于同时检测湿度和温度。与CO₂检测类似，FOSs对湿度不敏感，需要涂覆一层薄金属膜以激发SPR现象。Teng等人[93]使用磁控溅射设备在HCF的两侧和端面涂覆了金（Au）。端面的涂层使传感器能够基于反射原理工作。涂有Au的HCF的一部分进一步

使用衰减波传感同时测量压力和温度

使用衰减波传感器也实现了同时测量压力和温度。Wu等人[120]通过用CO₂激光对锥形硅毛细管进行加压和加热，制造了一个直径为84 μm、壁厚为2 μm的空心微泡。一根直径为1.7 μm的锥形光纤被对准以实现衰减耦合，从而获得了高达1.4 × 10^{7的高Q因子。这个Q因子远高于}

总结与展望

本文全面回顾了用于检测CO₂浓度、湿度、温度和压力的多参数FOSs。重点关注它们在碳储存监测中的潜在应用。部署时的一个关键考虑因素是单个传感机制同时测量多个参数的能力。这可以通过集成多功能传感器头或多路复用FOS阵列来实现。对这些传感机制的比较至关重要

CRediT作者贡献声明

A.R. Azmi：撰写——原始草稿，可视化。R.S.Q. Iman：撰写——原始草稿，可视化。A.M. Aizzuddin：撰写——原始草稿，可视化。E. Vorathin：。I. Veza：撰写——审阅与编辑，概念化。

利益冲突声明

作者声明他们没有已知的可能会影响本文所述工作的竞争性财务利益或个人关系。

致谢

本工作得到了Yayasan UTP基础研究基金（YUTP-FRG）的支持，该基金分配在成本中心015LC0-542下。作者还要感谢PETRONAS理工大学（UTP）、运输基础设施研究所（ITI）和智能基础设施建模与监测中心（SIMM）对这项研究的支持。