基于分布式光纤传感的自来水管道泄漏检测系统的研究

摘要

水是生命之源，我国水资源十分匮乏。供水管道网是输送自来水的主要方式，我国供水管网的损漏率远远高出国际水平，每年因为自来水管道泄漏浪费大量水资源。供水管道的泄漏不但会给工农业生产和居民生活造成非常大的影响，而且还会造成巨大的资源浪费和经济的损失。因此，对管道实施有效监测十分重要。
　　分布式光纤传感器具有体积小、抗电磁干扰、耐腐蚀和敷设简单等独特的优点，在传感器领域引起人们广泛的关注。本文采用分布式光纤拉曼测温系统对自来水管道泄漏进行监测。这种方法是基于拉曼散射的温度效应，通过拉曼散射光中的反斯托克斯对温度敏感，感知光纤沿线温度信息；利用斯托克斯光作为参考信号光解调测温信号；根据光时域反射原理定位管道泄漏点。分布式拉曼光纤测温系统可以实现在线实时监测自来水管道，并且能分布式、大范围的监测整条自来水管道运行状况。根据监测自来水管道泄漏的实际情况选择符合要求的元器件，使整个拉曼测温系统的主要技术指标温度分辨率为1℃和空间分辨率为1m。本文采用累加平均法采集光纤沿线温度信号可使系统信噪比提高180倍。
　　本论文通过搭建分布式光纤测温系统对自来水管道泄漏进行实时监测。得出试验结论：当泄漏的自来水与光纤周围环境的温度相差1℃及以上时，分布式光纤测温系统能够辨别是否有自来水泄漏现象并且对泄漏的位置进行定位；当同时有两处或两处以上泄漏点且两泄漏点距离1米以上时，分布式测温系统能辨别出泄漏点的数量；当泄漏自来水与传感光纤的接触长度从1m增加到2m时，测温系统探测曲线波形变宽且幅值变大。根据监测输出波形的分析，制定管道泄漏警报系统，并与拉曼测温系统配套应用到管道泄漏的监测中。得出实验结论：在功率一定的条件下，随着距离的增加，警报系统需要更大的温差才能识别出自来水管道泄漏点的位置。在同一个位置，随着光源输出平均光功率的增加，警报系统能识别出自来水管道泄漏点的位置所需要的温度降低。当自来水与传感光纤的接触长度变长，分布式光纤拉曼测温系统探测曲线的温度包幅值也随着变大，管道泄漏警报系统能够识别出水与外界介质的温度差变小。

目录

第一章 绪 论

1.1研究课题背景及意义

1.2供水管网已有检测方法

1.3分布式光纤拉曼传感系统的发展及应用

1.4温度监测供水管道泄漏的可行性

1.5本文结构与研究内容

第二章 分布式光纤拉曼测温系统的理论基础

2.1光纤中的反向散射

2.2分布式拉曼光纤测温的原理

2.3分布式光纤拉曼测温系统信号解调方法

2.4本章小结

第三章 分布式光纤拉曼测温系统主要参数与器件介绍

3.1元器件分析与选型

3.2分布式光纤拉曼测温系统主要技术指标

3.3分布式光纤拉曼测温系统信噪比改善方法

3.4本章小结

第四章 分布式光纤拉曼测温系统在水管泄漏的应用

4.1自来水管泄漏检测系统的搭建

4.2实验过程及注意事项

4.3实验结果及分析

4.4讨论

4.5本章小结

第五章 自来水泄漏检测系统警报装置的优化

5.1管道泄漏检测波形分析

5.2警报系统参数的优化

5.3警报系统软件算法流程图

5.4警报系统的应用

5.5本章小结

总结与展望

工作总结

展望

参考文献

攻读学位期间的研究成果

声明

致谢