光纤传感技术在长输管道的泄漏检测与定位中的应用

摘要

由于自然腐蚀、老化以及人为破坏等原因，长输管道泄漏时有发生，造成了巨大的经济损失、环境破坏甚至人员伤亡。因此对于管道泄漏的检测与定位技术的研究就具有重大意义。目前，分布式光纤传感器的研究是国内外无损检测领域的一个热点，但是，虽然国内外针对用于大型结构健康监测的分布式光纤温度、应变传感器进行了许多卓有成效的研究工作，但这些传感器一般用以检测静态损耗和变化缓慢扰动，不适合管道泄漏实时检测，并且对小泄漏不敏感。迄今为止，国内外还没有形成一套完善的、有效的用于长距离管道泄漏实时监测的分布式光纤传感系统。 本课题特点在于，采用基于Sagnac效应的分布式光纤声学传感器对管道泄漏进行检测和定位。 综述了管道泄漏监测的现状和使用的传统方法，以及分布式光纤传感技术的历史、现状和发展方向等内容。 理论上研究了泄漏声发射信号对光信号的相位调制机理和泄漏声信号的光学参数表征；讨论了Sagnac非互易相位调制的干涉原理，并用此原理设计了分布式光纤声学传感器；从理论上讨论了压电陶瓷(PZT)模拟声发射信号的机理，并设计了用于模拟泄漏信号的PZT相位调制器。 阐述了偏振控制器的工作原理，比较了几种常用的偏振控制器，给出了描述传输光偏振态的方法及偏振角的计算方法。 将分布式光纤声学传感器应用到管道泄漏检测系统中，首先判断是否有泄漏发生，并对泄漏点进行定位。在实验室条件下进行了实验研究。采用环形结构，当系统总长10.044km时，测量结果与实际泄漏点相对误差为0.44％；采用直线型结构，在系统总长为14.59km时，测量结果与实际泄漏点相对误差为3.8％。

目录

文摘

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声明

第1章绪论

1.1引言

1.2管道泄漏检测

1.2.1管道泄漏检测的现状

1.2.2管道泄漏检测的传统方法

1.2.3光纤传感器检测管道泄漏

1.3分布式光纤传感技术

1.3.1分布式光纤传感技术的研究历史

1.3.2全分布式光纤传感技术

1.3.3分布式光纤传感技术的发展方向

1.4本文的主要研究内容

第2章光相位调制原理

2.1引言

2.2光相位调制原理的类型

2.2.1功能型光相位调制原理

2.2.2Sagnac效应光相位调制

2.3光纤相位调制

2.3.1应力应变对光纤相位的影响

2.3.2温度应变对光纤相位的影响

2.4干涉式分布光纤传感技术

2.4.1迈克尔逊(Michlson)光纤干涉仪

2.4.2马赫-曾德(Mach-Zehnder)光纤干涉仪

2.4.3法布里-珀罗(Fabry-Perot)光纤干涉仪

2.4.4萨格纳克(Sagnac)光纤干涉仪

2.5基于Sagnac干涉仪原理的分布式光纤声学传感器

2.5.1检测原理

2.5.2泄漏信号对光信号的调制

2.5.3环形Sagnac干涉结构在光纤管道泄漏检测

2.6压电陶瓷对光纤相位的调制机理

2.6.1压电陶瓷(PZT)对光纤相位的调制原理

2.6.2 PZT相位调制器的传递函数

2.7本章小结

第3章偏振控制器及其原理

3.1引言

3.2光偏振态的数学描述

3.2.1自然光和偏振光

3.2.2椭圆偏振态的描述

3.2.3偏振态的庞加莱球表示

3.2.4偏振态的斯托克斯(Stokes)矢量描述

3.2.5偏振态的琼斯矢量描述

3.3几种偏振控制器

3.3.1波片组合偏振器控制

3.3.2挤压光纤偏振控制器

3.3.3 PZT换能器型偏振控制器

3.3.4可旋转光纤线圈

3.3.5偏振器的对比

3.4本章小结

第4章分布式光纤声学传感技术在管道泄漏检测中的应用

4.1引言

4.2基于Sagnac干涉仪原理的分布式光纤声学传感技术

4.2.1简述

4.2.2实验研究

4.3用于模拟声发射信号的PZT相位调制器的设计

4.4基于Labview平台的锁相放大器在管道泄漏检测中的应用

4.4.1锁相检测原理

4.4.2 LabVIEW平台下开发的锁相放大器

4.5偏振态对系统灵敏度的影响

4.5.1环形Sagnac干涉结构在光纤管道泄漏检测

4.5.2直线型Sagnac干涉结构在光纤管道泄漏检测

4.6本章小结

结论

参考文献

附录

攻读学位期间发表的学术论文

致谢