基于分布式光纤传感技术的管道监测与评估
发布时间：2021-10-21 11:25
分布式光纤传感技术是近年来的研究热点,光纤作为传感器相比传统点式传感器具有分布式测量、抗电磁干扰、信号实效性好等多种优点,本论文将分布式光纤传感技术应用到管道监测中,主要进行了管道沉降和管道第三方入侵破坏识别研究,具体研究工作如下:在管道沉降监测方面:首先进行了布里渊光时域分析技术相关原理以及布里渊光时域光纤解调仪的学习;其次,研究了光纤“应变—管道沉降位移”算法,提出了一种新的利用分布式光纤进行管道沉降间接监测的方法。同时,对管道沉降研究中的光纤植入方式进行研究,确定了“土工布+光纤”的植入方式;随后,将“应变—管道沉降位移”算法程序化,并通过构造的复杂沉降曲线验证算法;最后,通过设计管道沉降模拟试验,进行试验,分析、处理采集到的数据,验证了本文所提出的新型管道沉降间接测量方法。在管道第三方入侵破坏识别研究上:首先进行了Φ-OTDR相位敏感型光纤相关传感原理和Φ-OTDR光纤解调仪的学习;其次,在实验室内搭建Φ-OTDR振动测试系统,利用励磁式振动台作为入侵装置,研究外界振动与瑞利散射光强之间的关系以及Φ-OTDR光纤解调仪的仪器参数特征;随后,通过室外埋设传感光纤,模拟实际管道工程...
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
006年-2015年我国石油管道失效事件统计
哈尔滨工业大学硕士学位论文-11-和应变分布。1.3.2管道第三方入侵破坏监测相关传感原理（Φ-OTDR）Φ-OTDR是由光纤中的瑞利散射发展而来的传感技术，其原理如下：图1-3后向瑞利散射光光程差与相位差的关系如图1-3所示，假设光在光纤内传播，iz，jz是第i个和第j个散射中心，由光程差与相位差的关系推导出的瑞利散射相变与应变的关系如下：()4ijijnCzεπελ=+(1-3)式中：n为光纤折射率；Cε为折射率应变系数，ij为i与j的相位差。干涉光强与相位的关系如下：122200111(z)2cos()MMMkijijkijkIEaEaa===+=+∑∑∑(1-4)式中：ia是指散射区域中第i个散射中心处后向瑞利散射光的散射系数；0E入射光场的初始振幅。干涉光强差与相位差的关系如下：120112[cos()cos()]MMijjijijijiIEaa==+=∑∑+(1-5)小变形条件下：120112sin()MMijijijijiIEaa==+≈∑∑(1-6)120112sin()MMijijijiIEaaε==+∝∑∑(1-7)根据以上推导可以得出后向瑞利散射干涉光强变化与光纤相位变化的关系，因此可以根据该原理，进行入侵扰动的定位与识别[29]。
哈尔滨工业大学硕士学位论文-12-具体公式推导如图2-1～2-3[25]：图2-1单元转角变形图图2-2相邻单元转角示意图图2-3n个单元挠度计算变形图如图所示，单个单元的转角可以由上下表面应变计算得出:tanclXXhεεθθ+≈=(2-1)根据上式可以得到各个单元之间的转角，则各单元的竖向位移可以由以下公式得出：
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于小波变换的干涉光谱信号检测与校正方法[J]. 孟鑫,刘磊,江升,张冰,李志增. 光学学报. 2019(09)
[2]基于小波变换的数据分析方法研究[J]. 任俊杰. 科学技术创新. 2019(16)
[3]2017年中国油气管道行业发展及展望[J]. 高鹏,高振宇,杜东,刘广仁. 国际石油经济. 2018(03)
[4]基于准分布式FBG传感技术的梁式桥挠度间接推算方法研究[J]. 江飞飞,陈伟. 中外公路. 2017(04)
[5]基于Φ-OTDR的铁轨异物入侵监测方法[J]. 曲俊蓉,丁宁. 工业控制计算机. 2017(06)
[6]基于SVM算法的φ-OTDR分布式光纤扰动传感系统模式识别研究[J]. 张俊楠,娄淑琴,梁生. 红外与激光工程. 2017(04)
[7]基于BOTDR的光纤应变与顶板沉降变形关系的模型构建与试验研究[J]. 侯公羽,谢冰冰,江玉生,殷姝雅,韩育琛. 岩土力学. 2017(05)
[8]Brillouin optical time-domain analysis for geotechnical monitoring[J]. L.Zeni,L.Picarelli,B.Avolio,A.Coscetta,R.Papa,G.Zeni,C.Di Maio,R.Vassallo,A.Minardo. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2015(04)
[9]相位敏感光时域反射计识别入侵事件算法[J]. 郑印,段发阶,涂勤昌,韦波. 光子学报. 2015(01)
[10]基于后向相干瑞利散射的分布式光纤传感在管道安全实时监测中的应用研究[J]. 严冰,董凤忠,张晓磊,陈学义,李俊,涂郭结,陈雪军,CULSHAW Brian. 量子电子学报. 2013(03)
硕士论文
[1]CD输气管道第三方破坏光纤预警系统设计及实现[D]. 王晓刚.西南石油大学 2017
[2]基于Φ-OTDR的动态纳应变定量测量技术研究[D]. 陈曦.哈尔滨工业大学 2017
[3]分布式光纤传感系统的信号处理技术研究[D]. 徐铖晋.浙江大学 2017
[4]适用于路基监测的分布式光纤传感器应用研究[D]. 姜臻.大连理工大学 2016
[5]SVM参数寻优及其在分类中的应用[D]. 徐晓明.大连海事大学 2014
[6]基于分布式光纤传感技术的新旧路基沉降变形监测研究[D]. 刘玉涛.南京航空航天大学 2014
[7]基于布里渊光时域分析的长输油气管线传感检测技术研究[D]. 张嘉庆.西安石油大学 2013
本文编号：3448881
【文章来源】：哈尔滨工业大学黑龙江省 211工程院校 985工程院校
【文章页数】：105 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
006年-2015年我国石油管道失效事件统计
哈尔滨工业大学硕士学位论文-11-和应变分布。1.3.2管道第三方入侵破坏监测相关传感原理（Φ-OTDR）Φ-OTDR是由光纤中的瑞利散射发展而来的传感技术，其原理如下：图1-3后向瑞利散射光光程差与相位差的关系如图1-3所示，假设光在光纤内传播，iz，jz是第i个和第j个散射中心，由光程差与相位差的关系推导出的瑞利散射相变与应变的关系如下：()4ijijnCzεπελ=+(1-3)式中：n为光纤折射率；Cε为折射率应变系数，ij为i与j的相位差。干涉光强与相位的关系如下：122200111(z)2cos()MMMkijijkijkIEaEaa===+=+∑∑∑(1-4)式中：ia是指散射区域中第i个散射中心处后向瑞利散射光的散射系数；0E入射光场的初始振幅。干涉光强差与相位差的关系如下：120112[cos()cos()]MMijjijijijiIEaa==+=∑∑+(1-5)小变形条件下：120112sin()MMijijijijiIEaa==+≈∑∑(1-6)120112sin()MMijijijiIEaaε==+∝∑∑(1-7)根据以上推导可以得出后向瑞利散射干涉光强变化与光纤相位变化的关系，因此可以根据该原理，进行入侵扰动的定位与识别[29]。
哈尔滨工业大学硕士学位论文-12-具体公式推导如图2-1～2-3[25]：图2-1单元转角变形图图2-2相邻单元转角示意图图2-3n个单元挠度计算变形图如图所示，单个单元的转角可以由上下表面应变计算得出:tanclXXhεεθθ+≈=(2-1)根据上式可以得到各个单元之间的转角，则各单元的竖向位移可以由以下公式得出：
【参考文献】：
期刊论文
[1]基于小波变换的干涉光谱信号检测与校正方法[J]. 孟鑫,刘磊,江升,张冰,李志增. 光学学报. 2019(09)
[2]基于小波变换的数据分析方法研究[J]. 任俊杰. 科学技术创新. 2019(16)
[3]2017年中国油气管道行业发展及展望[J]. 高鹏,高振宇,杜东,刘广仁. 国际石油经济. 2018(03)
[4]基于准分布式FBG传感技术的梁式桥挠度间接推算方法研究[J]. 江飞飞,陈伟. 中外公路. 2017(04)
[5]基于Φ-OTDR的铁轨异物入侵监测方法[J]. 曲俊蓉,丁宁. 工业控制计算机. 2017(06)
[6]基于SVM算法的φ-OTDR分布式光纤扰动传感系统模式识别研究[J]. 张俊楠,娄淑琴,梁生. 红外与激光工程. 2017(04)
[7]基于BOTDR的光纤应变与顶板沉降变形关系的模型构建与试验研究[J]. 侯公羽,谢冰冰,江玉生,殷姝雅,韩育琛. 岩土力学. 2017(05)
[8]Brillouin optical time-domain analysis for geotechnical monitoring[J]. L.Zeni,L.Picarelli,B.Avolio,A.Coscetta,R.Papa,G.Zeni,C.Di Maio,R.Vassallo,A.Minardo. Journal of Rock Mechanics and Geotechnical Engineering. 2015(04)
[9]相位敏感光时域反射计识别入侵事件算法[J]. 郑印,段发阶,涂勤昌,韦波. 光子学报. 2015(01)
[10]基于后向相干瑞利散射的分布式光纤传感在管道安全实时监测中的应用研究[J]. 严冰,董凤忠,张晓磊,陈学义,李俊,涂郭结,陈雪军,CULSHAW Brian. 量子电子学报. 2013(03)
硕士论文
[1]CD输气管道第三方破坏光纤预警系统设计及实现[D]. 王晓刚.西南石油大学 2017
[2]基于Φ-OTDR的动态纳应变定量测量技术研究[D]. 陈曦.哈尔滨工业大学 2017
[3]分布式光纤传感系统的信号处理技术研究[D]. 徐铖晋.浙江大学 2017
[4]适用于路基监测的分布式光纤传感器应用研究[D]. 姜臻.大连理工大学 2016
[5]SVM参数寻优及其在分类中的应用[D]. 徐晓明.大连海事大学 2014
[6]基于分布式光纤传感技术的新旧路基沉降变形监测研究[D]. 刘玉涛.南京航空航天大学 2014
[7]基于布里渊光时域分析的长输油气管线传感检测技术研究[D]. 张嘉庆.西安石油大学 2013
本文编号：3448881
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