面向长输石油管道安全监测的光纤振动传感技术研究

摘要

长输管道是石油、天然气等战略资源的主要运输方式之一，其安全运维至关重要。但是打孔盗油及管道泄漏等现象长期存在，严重危害长输管道的安全运维，一旦发生大范围泄漏或爆炸事故会造成巨大的经济损失甚至严重的环境污染，因此对于长输管道进行实时监测具有非常重要的意义。本文对长输石油管道的发展及管道安全监测的研究现状进行了综述，并对现有的管道监测技术进行了总结说明。由于管道上的打孔盗油及泄漏现象均会产生振动信号，以管道上振动信号作为检测对象，开展了基于光纤布拉格光栅(FBG)振动传感和基于光纤微悬臂梁的法布里珀罗(FP)腔振动传感两种方法的研究，分别对FBG和FP腔的振动传感原理进行了研究分析，以及对传感器的结构、信号采集与信号解调部分进行分析设计和实验验证。
　　本课题的主要研究内容包括:
　　1、开展了基于FBG振动传感的打孔盗油预警技术研究，搭建了管道振动信号实时监测系统，并在模拟的管道上进行了不同直径不同转速的现场钻孔和敲击实验，采用偏最小二乘分析判别法(PLSDA)对管道上的不同类型钻孔等振动信号进行特征识别。
　　2、设计加工了基于光纤微悬臂梁的振动传感器研究，对其可行性进行了理论分析，在实验室搭建传感系统进行了振动信号的检测，并对悬臂梁的加工、悬臂梁的振动仿真、传感头的封装、信号采集与解调等模块进行分析研究，实验结果表明该方法有望对管道上打孔盗油等环境信息进行监测。同时，搭建电子学微音器系统对管道振动信号进行检测作为对比实验，与以上两种管道振动检测方法进行了优缺点比较。
　　理论分析与实验验证结果表明:基于FBG振动传感和基于光纤微悬臂梁的FP腔振动传感方案均可对管道振动信号进行检测，相比于传统的管道振动检测方法，具有良好的灵敏度与较高的分辨率，为石油管道运输中打孔盗油等破坏性行为的监测提供了可参考的技术方案。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究背景

1．2 管道发展与安全检测的现状

1．3 振动信号的检测方法

1．3．1 传统振动检测方法

1．3．2 光学振动检测方法

第2章 光纤布拉格光栅传感器测管道振动

2．1 光纤布拉格光栅传感技术

2．2 光纤布拉格光栅传感器的研究现状

2．3 光纤布拉格光栅振动传感原理分析

2．3．1 均匀轴向应力作用下的FBG振动传感分析

2．3．2 均匀横向应力作用下的FBG振动传感分析

2．4 FBG振动传感器的力学模型

2．5 光纤光栅解调方法研究

2．6 解调仪模块的程序编写

2．7 管道中振动信号的传输

2．8 现场管道实验

2．9 信号分析与讨论

2．9．1 信号处理

2．9．2 基于PLSDA算法的模式识别

2．10 微音器系统进行对比参考实验

2．10．1 微音器振动传感原理

2．10．2 微音器检测振动信号

2．11 本章小结

第3章 光纤微悬臂梁系统振动检测

3．1 光纤微悬臂梁振动传感技术

3．2 传感头的设计

3．3 光纤微悬臂梁振动检测的理论分析

3．3．1 法布里珀罗腔干涉原理

3．3．2 表面反射率、法珀腔腔长、条纹对比度三者之间的影响

3．3．3 偏角的影响

3．3．4 悬臂梁振动模态分析

3．3．5 悬臂梁振动的理论分析

3．4 系统说明

3．4．1 光源分析

3．4．2 光纤特性分析

3．4．3 光纤环形器

3．5 程序编写与说明

3．5．1 LabVIEW程序介绍

3．5．2 FFT算法说明与改进

3．5．3 悬臂梁的加工

3．5．4 悬臂梁的固定

3．6 实验验证与讨论

3．7 本章小结

第4章 总结与展望

参考文献

致谢

在读期间发表的学术论文与取得的其他研究成果