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

摘要

分布式光纤传感器有传统传感器不具备的体积小、重量轻、抗干扰性强、灵敏度高等特点，并且可以组成二维或三维的传感网络，能够检测大规模、长距离结构的健康状况。基于布里渊光时域分析的分布式光纤传感技术拥有一般光纤传感器的一系列优点，并且可实现高精度、高空间分辩率和实时动态的分布式检测。
　　文章介绍了布里渊光时域分析(BOTDA)的国内外研究现状，分析了受激布里渊散射机理，推导了布里渊频移与温度和应变的函数关系。进行了温度和应变实验，分别得到1MHz/℃的温度灵敏度和0.03MHz/N应变灵敏度。根据大型结构全尺度分布式高精度温度测量要求，组合应用布里渊时域分析(BOTDA)技术和光纤布拉格光栅(FBG)温度传感技术，设计了一种由BOTDA分析仪、FBG解调仪、共线传感探头和光开关组成的温度传感测试系统。实验测试证明，该系统具备大范围分布式温度测量与局部高精度温度测量功能，而且实现了BOTDA测温技术与FBG温度传感技术的有效互补，解决了测量范围和测量精度的矛盾问题，并且具有良好的温度重复性，达到了预期的设计要求。根据输油管线小规模、高精度泄漏检测要求，设计了一种以原油敏感材料为基底的应变传感光缆，并建立了布里渊频移对光缆局部应变的响应模型，用于发现并定位漏油事件。通过组建的模拟实验系统，利用BOTDA对漏油导致的布里渊频移进行分布式检测，在15min内准确定位了小规模漏油，并且在1.714km的长度上实现了1m的空间分辨率和0.1m的定位误差。利用Windows平台基于MFC类库开发的工具Waveshow编写了一个预警软件，可对超出设定阈值的点进行报警，并且对故障点进行定位，达到预警的目的。

目录

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摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 光纤传感器的分类

1．2．1 光纤的结构和分类

1．2．2 光纤传感器的类型

1．3 基于布里渊散射的光纤传感技术研究现状

1．3．1 布里渊散射传感技术现状

1．3．2 布里渊散射传感技术在石油工业中的应用

1．4 本论文的研究目的及意义

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究意义

1．5 本论文的主要研究内容

第二章 光纤中的布里渊散射及传感原理

2．1 光纤中布里渊散射的基本理论

2．1．1 光纤中的自发布里渊散射

2．1．2 光纤中的受激布里渊散射

2．2 布里渊散射与温度和应变的关系

2．2．1 布里渊频移与温度的关系

2．2．2 布里渊频移与应变的关系

2．3 温度应变的区分测量

2．4 光纤中受激布里渊散射的一些重要特性和概念

2．4．1 光纤中受激布里渊散射阈值的理论

2．4．2 布里渊线宽

2．4．3 脉冲重复频率

2．5 小结

第三章 BOTDA温度和应变实验研究

3．1 基于布里渊散射的分布式传感检测技术

3．1．1 光时域反射(OTDR)技术

3．1．2 布里渊光时域反射(BOTDR)技术

3．1．3 布里渊光频域分析(BOFDA)技术

3．1．4 布里渊光时域分析(BOTDA)技术

3．2 油气管线中光纤铺设方式

3．3 基于BOTDA的温度应变传感实验

3．3．1 温度实验研究

3．3．2 应变实验研究

3．4 基于BOTDA与FBG传感的共线温度测试技术

3．4．1 光纤光栅测温原理

3．4．2 共线测试实验研究

3．5 小结

第四章 基于BOTDA的输油管线泄漏检测技术

4．1 传统输油管线泄漏检测技术

4．2 基于BOTDA的泄漏检测技术

4．2．1 基本原理

4．2．2 实验研究

4．3 小结

第五章 BOTDA预警软件设计

5．1 MFC介绍

5．2 预警软件设计

5．3 小结

第六章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文