基于分布式振动光纤传感的管道泄漏监测研究

发布时间：2020-09-22 21:22

　　 供水管道是城市供水系统的不可或缺的重要部分,同时它也是城市建设的基础设施,更是国民生活的重要保障。因此,输水管道在运营过程的当中出现问题,将会带来经济效益和社会利益的双重损失。目前用于管道的检测方法有应力波法、负压波法、地面检测法、流量平衡法以及分布式光纤检测法等,而分布式光纤检测法的传感部分结构简单,光纤既是传感介质又是传输介质,该方法使用方便,性价比高,可以实现长距离的连续测量。在分布式光纤检测法中,Φ-OTDR振动传感系统对物体振动的敏感性更高,所以本论文将Φ-OTDR检测技术用于压力输水管道的泄漏检测,本论文的主要研究内容有:(1)第二章对Φ-OTDR的分布式光纤传感系统的原理进行了分析,逐次介绍了瑞利散射、光纤中的瑞利后向散射的原理,并对传统的OTDR技术、目前的Φ-OTDR的检测原理进行了分析,介绍了目前Φ-OTDR最为成熟、方便的数据处理方法—移动平均差分法。(2)第三章基于流场有限元的分析方法对压力输水管道的泄漏进行了简要的数值模拟,分析了两种泄漏孔尺寸所带来的流场影响,随后介绍了本论文的试验平台,并基于流场数值模拟的结果分析,将分布式光纤传感器置于压力输水管道中,利用第二章的仪器与Φ-OTDR的数据处理方法,对压力输水管道进行了一系列的试验,试验的变量有泄漏孔尺寸的大小,泄漏孔尺寸的形状、输水管道的压力、管壁材质,以该试验方法来定性的验证基于Φ-OTDR的分布式光纤传感是否可以检测出管道的泄漏。(3)为避免管道内部流场的影响,第四章的试验同样基于第二章的试验仪器与数据处理方法,不同的是将分布式光纤传感器粘贴于管道的外壁,对压力输水管道进行了一系列的试验,试验的变量有泄漏孔尺寸的大小,泄漏孔尺寸的形状、输水管道的压力、管壁材质、光纤的粘贴位置,以该试验方法来定性的验证基于Φ-OTDR的分布式光纤传感是否可以检测出管道的泄漏,最后又利用光纤光栅传感器、声发射技术、加速度传感器,在论文主试验方法的相同的几个工况下,进行了试验研究,以此与Φ-OTDR技术进行对比分析,研究Φ-OTDR技术的优劣性。
【学位单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TU991.36
【部分图文】：

图 1-1 宝鸡输水管道爆管图在分布式光纤传感系统当中，Φ-OTDR 系统具有传感距离长、空无盲点、成本低、稳定性高等优点。它通过对重要场所周边入侵内部结构的应变、损破裂、振动等健康状况的长期在线实时监测周边入侵情况进行监测定位，从而防止非法入侵、消除隐患，避故的发生。Φ-OTDR 系统以其独特的优势，在边界安全和结构健有广阔的应用前景[1]。内外管道泄漏检测技术研究现状国外研究现状nsson 于 1970年用水输送用长管道中的压力瞬变以此来分析液压通过数值模拟研究了泄漏对瞬态的影响[2]。atsumoto、Shimauchi 和 Gotoh 等人于 1977 年提出了一种新的供检测方法。实验的结果表明，这种新方法具有实用价值[3]。

（2）散射波与入射波具有相同的频率（或波长）。 4I k （2-1）公式 2-1 即为瑞利定律，其应用条件为散射体（粒子）的尺寸小于光波的波长。瑞利认为，在计算散射光的强度时，因为散射体发出的二次波是不相干的，所以不必计算次波振幅的叠加，而应叠加每个次波的强度。2.2.2 光纤中的瑞利后向散射完全均匀的材料只能产生前向散射光，而当材料介质的任何光学性质发生波动时，光在介质中的传播都会产生前向散射以外的光散射现象。在光纤的拉制过程中，芯材的不均匀分布是不可避免的，并且由于光在传播时产生的电致伸缩效应的影响也会引起芯材的波动，所以光纤中存在着多种散射现象。根据入射光频率与散射光频率的关系，一般将散射现象分为两类：散射光频率与入射光频率相同的线性散射为瑞利散射；散射光频率与入射光频率不同的非线性散射有拉曼散射、布里渊散射，它们之间的光学频率关系可用下图所示。

域反射（OTDR）和偏振光时域反射（POTDR）技术。2.3 Φ-OTDR 的基本理论2.3.1 传统 OTDR 技术1976 年，由 Barnoski M. K.和 Jensen S. M 首次提出并使用 OTDR 技术测量了多模光纤的损耗特性。在这之前，测量光纤损耗的唯一方法是切断光纤，但这将对会光纤造成不可逆转的损伤。通过向光纤中注入检测光脉冲，并分析瑞利散射光的强度和相位等信息，OTDR 技术可以在不损坏光纤的情况下，定位光纤段中是否存在熔接缺陷、断点、弯曲等。它不仅可以用来监测光纤的状态，诊断其它光纤系统在运输、铺设和安装过程中的故障，还可以用来实现温度、应变等环境因素的分布式传感。OTDR 系统具有结构简单、信噪比高、数据处理方便快捷、测量实时等优点。它已成为光纤传感领域的研究热点。传统的光时域反射（OTDR）技术已经非常成熟，广泛应用于光纤传感等领域。

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本文编号：2824936