新型分布式光纤管道泄漏检测技术及定位方法研究概要Word文件下载.docx

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ｏｆＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＢｅＵｉｎｇ

Ａｂｓｔｒａｃｔ

Ａｎｉｎ．１ｉｎｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｔ

ｓｅｎｓｏｒ

ａｒｒａｙｂａｓｅｄＯｉｌＳａｇｎａｃｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒｉＳｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ａｎｄｉｔｉｓｕｓｅｄ

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Ｋｅｙｗｏｒｄｓ

ｆｉｂｅｒｏｐｔｉｃｓ；

Ｓａｇｎａｃｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ；

ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒ

ｌｅａｋａｇｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎ｝ｐｉｐｅｌｉｎｅ

１

引言

管道传输具有经济、高效、安全、稳定等诸多优点，因此被广泛应用于石油、天然气、水等流体的运输。

但管道常年埋于地下，容易发生腐蚀、疲劳破损，或泄漏，这不仅带来重大的经济损失而且污染环境，因此研究有效的管道泄漏检测技术，对于保证管

道安全运输极为重要。

分布式光纤传感技术是近年来发展起来的新技术［１￣４］，具有耐腐蚀、灵敏度高、动态范围大［５］，可长距离连续监测的特点。

这类传感器只需一个光源和一条传感线路，集传感和传输于一体，可对沿光纤传输路径上长达数千米甚至数十千米的信息进行测

收稿日期：

２００７－０３－０７；

收到修改藕日期：

２００７—０６－２２基金项目：

国家自然科学基金（１０５７２００９）资助课题。

作者简介：

杭利军（１９７９一），男，蒙古族，内蒙古赤峰市人，博士研究生，主要从事光纤传感技术、现代测控技术与方法、无损检测与健康评价、智能仪器与虚拟仪器技术等方面的研究。

Ｅ－ｍａｉｌ：

ｈｌｊ＠ｅｍａｉｌｓ．ｂｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

导师简介：

何存富（１９５８一），男，山西大同人，教授，博士生导师，主要从事现代测控技术与方法、无损检测与健康评价、智能仪器与虚拟仪器技术等方面的研究。

ｈｅｃｕｎｆｕ＠ｂｊｕｔ．ｅｄｕ．ｃｎ

学学报２８卷

量。

因此适合于长输管道的泄漏监测。

２管道泄漏检测原理

图１是将传统的萨尼亚克（Ｓａｇｎａｃ）干涉仪应用于管道泄漏检测［６］，由于系统是环形对称结构，则传感系统会以对称形式感受到物理场，顺时针和逆时针传输的光受到相同的相位调制，导致信号相互抵消，产生互易效应，无干涉信号输出。

因此需要将环状结构的一半光纤设计为非传感光纤与声场隔离（图１中的参考光纤与声场隔离），以避免干涉仪的互易效应。

在工程应用中，此种传感结构将有一半光纤与声场隔离，施工难度和传感器成本都难以接受。

鉴于这种情况，我国台湾学者Ｗｕｔｌ－ＷｅｎＬｉｎｒ７１提出了基于萨尼亚克干涉仪的直线形分布式管道泄漏监测系统，但这种直线形结构也有其不足，由于灵敏度的限制，其监测的管道长度受到一定限制，因此有待进一步改进。

Ｒｅｆｅｒｅｎｅｅｆｉｂｅｒ

图１萨尼亚克干涉型管道泄漏检测系统

Ｆｉｇ．１

Ｐｉｐｅｌｉｎｅｌｅａｋａｇｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄ

Ｓａｇｎａｃｉｎｔｅｒｆｅｒｏｍｅｔｅｒ

本文研究的基于萨尼亚克干涉仪的直线型分布式光纤传感器，它可以实现管道泄漏监测与泄漏点定位。

如图２所示，此分布式光纤传感器有两个传感光纤，它们分别与法拉第旋转镜ＦＲＭｌ和ＦＲＭ２组合，将传统的环形萨尼亚克干涉仪转换成两个直线形萨尼亚克干涉仪，适于复杂管道布放，且保持了传统萨尼亚克干涉仪的零光程差特点。

传感光纤末端的法拉第旋转镜（ＦＲＭ）不但具有将光按原路反射形成萨尼亚克环的功能，而且可以补偿由于传感光纤双折射引起的“偏振诱导信号衰落阳”’。

相位调制器用来产生高频载波，光电转换器（ＰＤｌ、ＰＤ２）将光信号转换为电信号。

耦合器（图２中１～９）用作分光器，延迟线圈用来调节萨尼亚克干涉仪中顺逆两束光的相位差，避免干涉仪的互易效应。

其中延

迟线圈和相位调制器被两个传感光纤构成的干涉仪共享。

图２直线型分布式光纤管道泄漏监测系统

Ｆｉｇ．２

Ｉｎ－ｌｉｎｅｄｉｓｔｒｉｂｕｔｅｄｏｐｔｉｃａｌｆｉｂｅｒｓｅｎｓｉｎｇｓｙｓｔｅｍ

ｆｏｒｐｉｐｅｌｉｎｅｌｅａｋａｇｅｄｅｃｔｅｃｔｉｏｎ

光源发出的低相于宽带光，在耦合器１中被分成两束，分别进入耦合器２和耦合器３，耦合器２中输出光的传播路径分别是

１）Ａ—Ｂ—Ｃ—ＦＲＭｌ一Ｃ—Ｈ—Ｇ—Ａ２）Ａ—Ｇ—Ｈ—Ｃ—ＦＲＭｌ一Ｃ—Ｂ—Ａ

由于存在延迟线圈，这两条路径传播的光经过泄漏点的时间不同，但在光路中传播经过的路径长度却是相同的，符合萨尼亚克干涉仪零光程差特点，因此形成一萨尼亚克干涉仪。

耦合器３中输出光的传播路径分别是：

３）Ｄ—Ｅ—Ｆ—ＦＲＭ２一Ｆ—Ｈ—Ｇ—Ｄ４）Ｄ—Ｇ—Ｈ—Ｆ—ＦＲＭ２一Ｆ—Ｅ—Ｄ

同样，这两条路径传播的光也符合零光程差特

点，形成萨尼亚克干涉仪。

除了上面提到的两组干涉光外，还有其它光束，但它们都不满足萨尼亚克干涉仪零光程差的特点，因此不会发生干涉。

因此，该分布式光纤管道泄漏监测系统可形成两个独立的萨尼亚克干涉仪，将两条传感光纤沿管道两侧布放，可监测的管道长度为两条传感光纤长度之和。

利用此系统进行管道泄漏检测的原理是，当流体泄漏后，流体与漏孔壁会产生摩擦，从而在管壁激发出应力波（即泄漏声发射信号），使管道振动，同时会有部分声波在空气中传播，这两部分信号作用到光纤上，使光纤的长度和折射率都发生变化，导致光纤中传播的导光相位被调制，其表达式为

△乒＝ｆｌａＬ＋Ｌａｇ，

（１）

式中△声为光波的相位变化幅值，口为光波在光纤中的传播常量，Ｌ为受到管道泄漏噪音作用的光纤长度。

１期杭利军等：

１２５

泄漏信号是宽频信号［９］，其作用到传感光纤上，对光纤中传播的光相位调制，光波经泄漏信号调制的相位变化表达式可写为哺ｊ

乒＝乒。

ｓｉｎ∞。

ｔ，

（２）

庐。

为光波被调制后相位变化的幅值，叫。

为泄漏信号的角频率。

由于传感光纤形成的两个萨尼亚克干涉仪具有相同的传感原理，因此这里仅分析由路径１和路径２形成的萨尼亚克干涉仪进行管道泄漏监测的原理。

传感光纤ｌ组成的干涉仪中路径１和路径２传输光经泄漏信号调制后的电场表达式分别为

Ｅ１＝Ｅｌｏｅｘｐ｛ｊＥｃｏ。

ｔ＋庐。

ｓｉｎ（ｃ，；

（￡一ｒ１）＋

声。

ｓｉｎｃｃＪ；

（ｚ—ｒ２）＋妒１］），

（３）

Ｅ２一Ｅ２０ｅｘｐ｛ｊ［ｃ￡，。

ｔ＋≯。

ｓｉｎ叫。

（ｆ—ｒ３）＋

ｊ＆。

ｓｉｎ（ｃＪ。

（￡一“）＋钆］），

（４）

式中Ｅ，。

和Ｅ。

。

分别为两束光的振幅（由于所用耦合器均为３ｄＢ耦合器，故Ｅ。

＝Ｅ。

）；

垆。

，伫分别为两束光的初相位；

甜。

为光的频率；

式中ｒ。

为光从Ａ点经Ｂ、Ｃ第一次传播到泄漏点的时间，ｒｚ为光从Ａ点经Ｂ、Ｃ传播到法拉第旋转镜ｌ，又经法拉第旋转镜１反射后，传播到泄漏点的时间，功为光从Ａ点经Ｇ、Ｈ、Ｃ第一次传播到泄漏点的时间，ｒ。

光从Ａ点经Ｇ、Ｈ、Ｃ传播到法拉第旋转镜ｌ，又经法拉第旋转镜１反射后，传播到泄漏点的时间。

两束光输出的光强为

Ｊ＝（Ｅｌ＋Ｅ２）・（Ｅ１＋Ｅ２）’，

（５）

其中干涉项为

Ｊ１２一Ｒｅ（ＥｌＥ２＂）＝

２Ｅ２０ｃｏｓＦ拳。

（ｆ—ｒ１）＋≠。

（ｆ—ｒ２）一

拳。

ｓｉｎＣＯ。

（ｚ一功）一声。

ｓｉｎ０９。

（￡一／＇４）＋（卯一妒２）］，

（６）

令ｒｄ＝Ｅ（ｒ。

＋ｒ。

）一（ｒ。

）］／２为光传播经过延迟光纤所用时间。

玩一［（ｒ。

一功）＋（ｒ２一ｒ１）］／４＝掰／ｃ为光从泄漏点传播到法拉第旋转镜ＦＲＭｌ所需时间（ｓ为泄漏点距法拉第旋转镜的距离，ｆ为光在空气中的传播速度，行为光纤的折射率）。

ｒＴ＝ｒ２＋ｒ。

＝ｒ，＋ｒ４为光传播经过整个萨尼亚克环所用的时间。

由于耦合器均为３ｄＢ耦合器，故９。

一妒ｚ＝０，因此（６）式可表示为

Ｊ１２—２Ｅ扎ｃｏｓｒ４庐。

ＣＯＳ∞。

（ｆ—ｒＴ／ｚ）×

ｓｉｎ甜。

（ｒｄ／ｚ）ｃｏｓ（ｃｏ。

矗）］．

（７）

通过信号解调技术［１０’¨

］可将相位差４≠。

（￡一ｒＴ／２）ｓｉｎ叫。

（ｒｄ／２）ｃｏｓ（ｗ＾）从干涉信

号中解调出来。

（７）式中，ｓｉｎｃｃ，，（动／２）项将影响传感器的信噪

比，如果ｓｉｎｃｃ，。

（ｒｄ／２）值较小，相位差也较小，即信号较弱，容易淹没于噪音中。

因此研制传感器时，要选择合适的延迟光纤长度，使ｓｉｎ∞。

（动／２）在泄漏信号的宽频范围内保持较大值，可提高系统的信噪比。

３

定位方法

对泄漏信号引起的相位差进行频域分析，当泄

漏发生后，在泄漏信号的宽频范围内会出现某些频率使ｃｏｓＧｏ。

瓦）一０称为零点频率），即

∞。

ｒ。

＝Ｎ兀／２，

（８）

式中Ｎ为奇数。

对于确定的ｒ。

将有一个或多个０．１。

使（ｔＪ。

．＝Ｎ，ｒ／２，取Ｎ＝１。

由（８）式求得Ｌ后，再根据Ｌ＝ｎｓ／ｃ可得

Ｓ＝生＝击，

（９）

，２

４ｎＪ

，ｓ为泄漏信号频率，计算出泄漏位置到法拉第旋转镜的距离Ｓ，即确定泄漏位置。

４

灵敏度

根据灵敏度的定义，系统输出变化量与输入增

量之间的比值即为灵敏度。

本系统的灵敏度是指泄漏位置变化Ａｓ引起零点频率发生相应的变化△厂。

对（９）式取距离的微分，可以得到下式：

ｄｆ击＝赤．（１０）击

４珊２。

…７

从（１０）式可知，系统的灵敏度是泄漏位置ｓ的函数，并非定值．随着泄漏位置５的增大，ｄｆ／ｄｓ迅速减小。

以泄漏位置ｓ为２．５ｋｍ和２５ｋｍ为例，其对应的灵敏度分别为ｄｆ／ｄｓ＝８Ｈｚ／ｍ和ｄｆ／ｄｓ一

０．０８

Ｈｚ／ｍ，泄漏位置Ｓ从２．５ｋｍ增大到２５

ｋｍ，

灵敏度减小１００倍。

随着灵敏度的降低，系统定位误差也会相应增大，为了保证此系统的灵敏度能满足实际要求，则监测距离不能无限长，因此监测距离与系统灵敏度是一对矛盾体。

本文设计的传感器由于同时使用两条传感光纤，而每条传感光纤可单独形成一个传感器，因此在与文献ｒ７－］灵敏度相同的情况下，可实现管道监测距离增加一倍。

５

实验研究

．

在实验室条件下进行了管道泄漏实验。

实验装置如图３所示。

管道长７００ｍｍ，外径７４ｍｍ，壁厚

６

ｍｎｌ，管道上开有一直径为２．５ｍｍ的泄漏孔，通

过水泵给管道加入一定压力的水。

使用康宁

（Ｃｏｒｎｉｎｇ）单模光纤作为传感光纤，纤芯折射率以一１．５。

传感器中的两个传感光纤均布放于管道外壁，传感光纤１中泄漏点距法拉第旋转镜１的距离为

３．９９０

ｋｍ，传感光纤２中泄漏点距法拉第旋转镜２

的距离为４。

０２４ｋｍ。

延迟线圈长４ｋｍ，施加于相位调制器的载波信号频率为９６ｋＨｚ，幅值为２．５

Ｖ。

图３管道泄漏检测装置不意图

Ｆｉｇ．３

Ｄｉａｇｒａｍｏｆｐｉｐｅｌｉｎｅｌｅａｋａｇｅｄｅｔｅｃｔｉｏｎｅｑｕｉｐｍｅｎｔ

检测系统的宽带光源中心波长１５５０Ｉ］ｍ，带宽

３０

ｎｍ，功率２０ｍＷ。

光电转换器为美国ＮＥＷ

ＦＯＣＵＳ公司的１８１１型光电转换器。

利用ＮＩ的数据采集卡和ＬａｂＶＩＥＷ软件对检测信号进行采集和分析‘１

０｜。

在管道压力为０．３ＭＰａ下，通过传感光纤１和传感光纤２测得的定位结果分别如图４和图５所示。

从图４中可以发现，在１２．５ｋＨｚ附近有明显的波谷，此波谷对应的最低点即为所求的零点频率，数值为１２．６６４ｋＨｚ。

根据（９）式，可以获得泄漏点至法拉第旋转镜１的距离为３．９４８２ｋｍ，绝对误差为

－－４１．８ｍ，相对误差为１．０５％。

图５中零点频率处

显示的数值为１２．３５９ｋＨｚ。

根据（９）式，可以获得泄漏点至法拉第旋转镜２的距离为４．４５６３ｋｍ，绝对误差为２１．６ｍ，相对误差为０．５４％。

ｌ‘

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１５

２０

２５

Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ／ｋＨｚ

图４泄漏位置为３９９０ｍ处的零点频率图

Ｆｉｇ．４

Ｎｕｌｌｓｐｅｃｔｒｕｍｗｉｔｈｌｅａｋｐｏｓｉｔｉｏｎ

ａｔ

３９９０ｍ

为了验证传感系统的稳定性，在泄漏点距法拉第旋转镜２的距离为４０２４ｍ处进行了１５次重复实验，测试数据如图６所示，从图中可以发现，１５次测得的数据都在４０２４ｍ附近，与实际泄漏位置较

吻合。

岩

重

量Ｉ

图５泄漏位置为４０２４ｍ处的零点频率图

Ｆｉｇ．５

Ｎｕｌｌｓｐｅｃｔｒｕｍｗｉｔｈｌｅａｋｐｏｓｉｔｉｏｎａｔ

４０２４ｍ

善

藿

耋

＋Ｍｅａｓｕｒｅｄ

ｌｅａｋｐｏｓｉｔｉｏｎ

－－＃－－ＡｃｔｕＭｌｅａｋｐｏｓｉｔｉｏｎ

一．八．．。

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７９

１１１３１５

Ｔｅｓｔｔｉｍｅ

图６泄漏位置为４０２４ｍ处的１５次测试数据

Ｆｉｇ．６

Ｔｅｓｔｄａｔａ

ｗｉｔｈｌｅａｋｐｏｓｉｔｉｏｎ

结论

基于萨尼亚克干涉仪原理的分布式光纤管道泄漏监测系统，能快速、有效地实现管道泄漏检测，而且在与文献［７］具有相同灵敏度的情况下，通过使用两个传感光纤使系统的监测距离提高一倍。

多次重复实验结果表明，测量的泄漏点定位结果均在实际值４０２４ｍ附近波动，且最大定位误差在百米左右，因此系统的稳定性及定位精度均可满足实际工程需

要。

但此系统也存在着不足：

实验中发现，测试信号

具有很强的背景噪音，将来可通过信号处理技术（如小波去噪），来改善零点频率的可辨识性，以便进一步提高系统的定位精度。

参

考文献

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新型分布式光纤管道泄漏检测技术及定位方法研究作者：

作者单位：

杭利军，何存富，吴斌，蔡栋生，宋晏蓉，HangLijun，HeCunfu，WuBin，CaiDongsheng，SongYanrong杭利军,何存富,吴斌,蔡栋生,HangLijun,HeCunfu,WuBin,CaiDongsheng（北京工业大学机械工程与应用电子技术学院,北京,100022，宋晏蓉,SongYanrong（北京工业大学应用数理学院,北京,100022光学学报ACTAOPTICASINICA2008，28（14次刊名：

英文刊名：

年，卷（期：

被引用次数：

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