光纤传感管网泄漏监测系统偏振控制及现场实验研究

摘要

管道作为石油、天然气、自来水等的主要运输工具，其运行安全性已受到广泛关注。管道老化或工作环境导致管道腐蚀穿孔引起的持续性小规模泄漏的及早发现与准确定位是管道运行安全的主要问题和难题。液压系统复杂管网的泄漏检测更是液压系统急需解决的重点和难点之一。其管线分布复杂，空间狭小，监测设备安装不方便；泄漏量小，传统的流量和压力法不易于检测；且邻近管路之间多有干扰。因此研究管道管网泄漏的检测理论、检测方法，实现对小泄漏的快速检测及准确定位，对于维护管道的安全运行，避免资源浪费，有着重要的理论价值和现实意义。
　　 干涉型分布式光纤传感技术具有高灵敏度、大动态范围、耐腐蚀等特点，因此在实现管线小泄漏检测方面具有极大的潜力。本文利用基于Sagnac干涉仪原理的分布式光纤传感技术结合现代信号分析处理技术，对充液管道的泄漏检测与定位问题进行了理论分析和实验研究，主要工作如下：
　　 1.对直线型分布式光纤传感管道泄漏监测系统进行了优化，分析了偏振控制的原理，利用遗传算法和模拟退火算法，结合偏振控制模块，实现了系统中光波偏振态的动态跟踪控制，提高了系统检测的灵敏度，降低了监测操作的复杂性；
　　 2.完成了光纤传感管网泄漏监测系统的设计和搭建，包括硬件性能分析和软件设计，开发并实现了基于Labview和FoxPro的泄漏监测定位程序，提出了泄漏检测定位算法，增设了数据库，实现了泄漏检测数据的实时报警、检索和存储，智能化程度较高；
　　 3.对复杂液压管网的泄漏进行了实验研究，从声发射机理的角度对管间干扰因素进行了分析和研究，定性得出了管道通径、泄漏孔径与泄漏声发射信号频带之间的关系，并进行了实验验证；
　　 4.从泄漏孔形式改变引起声发射机理变化的角度，分析了光纤传感法兰泄漏监测的原理和特点，并进行了实验验证，取得了较好的实验结果。为液压系统法兰泄漏的监测提供了新的方法和实验依据。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 课题研究背景及意义

1.2 本课题相关领域国内外研究现状

1.2.1 管道泄漏检测技术概述

1.2.2 干涉型分布式光纤传感技术研究现状

1.3 课题来源及主要研究内容

第2章 光纤传感理论和偏振控制技术研究

2.1 光纤传感管道泄漏检测技术原理

2.1.1 光相位调制原理

2.1.2 Sagnac干涉仪的结构及原理

2.1.3 信号解调技术研究

2.2 偏振控制技术研究

2.2.1 偏振态的数学表达

2.2.2 偏振控制器简介

2.2.3 偏振控制器的无端复位

2.2.4 偏振控制器的算法

2.3 本章小结

第3章 偏振控制算法设计及实现

3.1 偏振态对分布式光纤管道泄漏检测系统的影响研究

3.1.1 不同偏振态下的干涉输出

3.1.2 不同偏振态夹角的定位结果

3.2 偏振控制系统硬件架构及算法实现

3.2.1 偏振控制系统架构设计

3.2.2 偏振控制模块的控制原理

3.2.3 算法设计及实现

3.3 仿真及实验研究

3.3.1 多峰值函数寻优仿真

3.3.2 实验研究

3.4 本章小结

第4章 复杂管网管道泄漏监测系统的研制

4.1 信号检测原理

4.1.1 泄漏信号对光纤的调制原理

4.1.2 管间互扰因素分析

4.2 系统架构

4.3 复杂管网管道泄漏监测系统硬件设计

4.3.1 光源的选择

4.3.2 传感光纤的选择

4.3.3 耦合器的选择

4.3.4 分布式光纤传感系统的元器件连接

4.3.5 光电转换器的选择

4.3.6 相位调制器的选择

4.3.7 硬件保护隔音箱

4.3.8 光源及光电转换器电源盒

4.4 复杂管网管道泄漏监测系统软件设计

4.4.1 前面板功能介绍

4.4.2 程序框图

4.5 本章小结

第5章 复杂管网管道泄漏监测实验研究

5.1 传感光纤铺设方法对监测结果的影响

5.2 管道间干扰实验

5.3 法兰泄漏监测实验

5.4 最低可检测压力点测试

5.5 噪声影响测试

5.6 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的学术论文

致 谢