CN102313141A - 一种管道泄露检测用光纤振动传感系统 - Google Patents

Abstract

一种管道泄露检测用光纤振动传感系统，属于光纤传感技术领域。包括光源、3×3光纤耦合器、第一延迟光纤、第一2×2光纤耦合器、第二2×2光纤耦合器、传感光纤、第二延迟光纤、第三2×2光纤耦合器和光探测器；本发明基于Sagnac干涉原理，通过采用3×3光纤耦合器引入固定相位偏置来提高传感系统的检测灵敏度和稳定性；通过增加由2×2光纤耦合器构成的光纤环境来增强返回探测器的光功率，从而提高探测器的信噪比、增加传感距离。具有结构简单、灵敏度高、稳定性好的特点。本发明可以针对传输管道进行实时泄露检测。

Description

一种管道泄露检测用光纤振动传感系统

技术领域

本发明属于光纤传感技术领域，涉及管道泄漏检测技术，具体是指一种用于检测管道是否泄露的分布式光纤振动传感系统。

背景技术

传统的管道泄漏检测技术在实际应用中难以实现实时、精确的监测。随着光纤传感技术的发展，分布式光纤传感技术也逐步应用于管道泄漏监测领域，它具有实时、灵敏度高，易于铺设等传统的管道泄漏监测技术所不具有的特点。分布式光纤振动传感技术是近年来发展起来的新技术，它充分利用了光纤自身“传”和“感”合二为一的特点。

分布式光纤传感系统分为准分布式和完全分布式两大类：准分布式和完全分布式光纤传感系统。

准分布式光纤传感系统主要指基于光纤布拉格光栅的传感系统，中国石油大学陈志刚等及电子科技大学饶云江等提出利用光纤布拉格光栅传感器进行油气管道监测和光纤侵入系统。但因为在一根光纤上一般只能串接15只布拉格光栅，最多不能超过30只，因此对于长度达数十公里的油气管道而言检测盲点太多，不能实现分布式测量，只能称作准分布式光纤传感系统。

完全分布式光纤测量包括：光时域反射型分布式光纤传感系统和基于萨格纳克(Sagnac)干涉原理的光纤传感系统。光时域反射型分布式光纤传感器是对背向散射光进行探测，而背向散射光的强度非常微弱，这就要求光源必须是超大功率的窄脉冲光源(谢孔利，饶云江，冉曾令.基于大功率朝窄线宽单模光纤激光器的光时域反射计光纤分布式传感系统[J].光学学报，2002，28(3)：569-572.)，这无疑大大增加了整个系统的成本；光时域反射型分布式光纤传感器的探测灵敏度很低，为提高灵敏度通常需对散射光进行上万次加权平均，在加权平均过程中，光纤状态需保持不变，而破坏行为是一个时变过程，因此光时域反射型分布式光纤传感器不能用于破坏行为的探测与定位。为了克服光时域反射仪的缺点，有人提出了基于Sagnac干涉原理的光纤传感系统，基于萨格纳克干涉原理的光纤传感系统的特点在于发生干涉的两路光所走为同一光路，因此对光路的相干长度和偏振控制要求不高，光路结构简单，便于调整，在结构上有极大的优势(E.Udd，Distributed fiber optic strain sensor based on the Sagnac andMichelson interferometers[J]Smart Structures and Materials，1996：105-110.)。但是现有技术文献报道的各种Sagnac光纤传感系统中，为了提高系统的检测灵敏度，通常在光路中采用压电陶瓷(PZT)相位调制器引入相位偏置(将光纤缠绕在压电陶瓷上，通过PZT陶瓷的压电效应使光纤产生形变进而产生相移偏置)。PZT相位调制器比较容易调节，但压电陶瓷的压电系数在电压变化的过程中有微小的变化，即伸长量随电压的变化有一定的非线性，以及控制电路和光纤缠绕结构可能存在不稳定，因此，此种方法的相位控制存在一定的不稳定性。另外，由于PZT相位调制器需要电压控制，是一个有源器件，这无疑增加了系统结构的复杂性和不利于降低成本。

发明内容

本发明提供一种管道泄露检测用光纤振动传感系统，该传感系统是对现有基于Sagnac干涉原理的光纤传感系统的改进，通过采用3×3光纤耦合器引入固定相位偏置来提高传感系统的检测灵敏度和稳定性；通过增加由2×2光纤耦合器构成的光纤环境来增强返回探测器的光功率，从而提高探测器的信噪比、增加传感距离。具有结构简单、灵敏度高、稳定性好的特点。

本发明技术方案如下：

一种管道泄露检测用光纤振动传感系统，如图1所示，包括光源1、3×3光纤耦合器2、第一延迟光纤3、第一2×2光纤耦合器4、第二2×2光纤耦合器5、传感光纤6、第二延迟光纤7、第三2×2光纤耦合器8和光探测器9；3×3光纤耦合器2中，第一输入端通过第一连接光纤11与光源1的输出端相连，第三输入端通过第二连接光纤12与光探测器9的输入端相连，第一输出端通过第一延迟光纤3与第一2×2光纤耦合器4的第一输入端相连，第三输出端通过第三连接光纤13与第一2×2光纤耦合器4的第二输入端相连，第二输入端和第二输出端空置；第一2×2光纤耦合器4的第一输出端与传感光纤6的一端相连，传感光纤6的另一端与第二延迟光纤7的一端相连，第二延迟光纤7的另一端与第三2×2光纤耦合器8的第一输入端相连；第三2×2光纤耦合器8的两个输出端互连，其第二输入端空置；第二2×2光纤耦合器5中，第一输入端通过第四连接光纤14与第一2×2光纤耦合器4的第二输出端相连，两个输出端互连，第二输入端空置。

本发明的工作原理是：

如图1所示，传感系统中的传感光纤沿管道铺设于管道的外侧表面，系统工作时，系统中光的传播路径共有四条：

路径a：由光源1发出的光经第一连接光纤11、3×3光纤耦合器2后由3×3光纤耦合器2的第一输出端口输出，然后依次经第一延迟光纤3、第一2×2光纤耦合器4、传感光纤6、第二延迟光纤7后进入第三2×2光纤耦合器8，再经第三2×2光纤耦合器8返回，并依次经第二延迟光纤7、传感光纤6、第一2×2光纤耦合器4、第一延迟光纤3、3×3光纤耦合器2和第二连接光纤12，最终进入光探测器9；

路径b：由光源1发出的光经第一连接光纤11、3×3光纤耦合器2后由3×3光纤耦合器2的第一输出端口输出，然后依次经第一延迟光纤3、第一2×2光纤耦合器4、传感光纤6、第二延迟光纤7后进入第三2×2光纤耦合器8，再经第三2×2光纤耦合器8返回，并依次经第二延迟光纤7、传感光纤6、第一2×2光纤耦合器4、第三连接光纤13、3×3光纤耦合器2和第二连接光纤12，最终进入光探测器9；

路径c：由光源1发出的光经第一连接光纤11、3×3光纤耦合器2后由3×3光纤耦合器2的第三输出端口输出，然后依次经第三连接光纤13、第一2×2光纤耦合器4、传感光纤6、第二延迟光纤7后进入第三2×2光纤耦合器8，再经第三2×2光纤耦合器8返回，并依次经第二延迟光纤7、传感光纤6、第一2×2光纤耦合器4、第三连接光纤13、3×3光纤耦合器2和第二连接光纤12，最终进入光探测器9；

路径d：由光源1发出的光经第一连接光纤11、3×3光纤耦合器2后由3×3光纤耦合器2的第三输出端口输出，然后依次经第三连接光纤13、第一2×2光纤耦合器4、传感光纤6、第二延迟光纤7后进入第三2×2光纤耦合器8，再经第三2×2光纤耦合器8返回，并依次经第二延迟光纤7、传感光纤6、第一2×2光纤耦合器4、第一延迟光纤3、3×3光纤耦合器2和第二连接光纤12，最终进入光探测器9。

在路径a、b、c和d中，只有路径b和路径d的光程相同，这两路光最终在3×3光纤耦合器2处发生干涉，并由光探测器9将光信号转换为电信号，再进一步对电信号进行解调和信号变换，即可确定泄露点的位置。

具体泄漏点的检测(定位)原理可以描述为：如图1所示，设当管道10的L处发生泄漏事故时，会引起传感光纤6对应位置P处的振动，从而引起光纤中传播光的相位发生变化，虽然沿路径b和路径d传播的两路光的光程相同，但它们经过振动点P的时间不同，因此振动信号所引起的两路光的相位变化也不同，两路光之间有一定的相位差，通过实时检测两路光的干涉信号的相位变化就可以确定振动点的位置。

t时刻，沿路径b和路径d传播的两路光在3×3光纤耦合器2处发生干涉，干涉信号为：

其中：P₀为光源1所发出的探测光功率，τ为探测光经过第一延迟光纤3所需要的时间，即τ＝n_effL₂/c(n_eff为光纤的有效折射率，c为光速，L₂为第一延迟光纤3的长度)；T为光往返振动点P和传感器最右端第三2×2光纤耦合器8所需要的时间，即T＝2n_effx/c(x为振动点P到系统最右端第三2×2光纤耦合器8的距离)，2π/3为光源1所发出的探测光从3×3光纤耦合器的第一、二输出端输出的两束光的相位差(即由3×3光纤耦合器引入的相位偏置)；为由施加到传感光纤6上的振动源引起的相位变化(ω_s为振动源的频率)，在

是小信号的情况下，式(1)可化简为：

其交流分量为：

τ_T为沿路径b或路径d传播的光传播一个周期所需要的时间，当传感系统中τ(由第一延迟光纤3的长度L₂确定)确定后，τ_T为定值。交流分量的振幅为：

由于振动信号是宽频信号，必然存在一些频率分量使得输出信号的交流成分P_ωs＝0，即：

sin(ω_sτ/2)cos(ω_sT/2)＝0                          (5)

当ω_sτ/2＝Nπ或者

(N为自然数)时光强为零，此时对应的频率称为“零点频率”。由式(5)可知，“零点频率”同振动点P的位置存在着一定的对应关系，即通过寻找“零点频率”就可以确定振动点P的位置。此外，sin(ω_sτ/2)项也会影响传感系统的信噪比，如果sin(ω_sτ/2)值比较小，相位差也会较小，信号会比较弱，也就不容易提取干涉信号。因此，应该选择合适长度的L₂，使sin(ω_sτ/2)在振动信号的宽频范围内保持较大值，以提高传感器的信噪比。为了便于检测，以第一个“零点频率”来对振动点P进行定位，通过式(5)可以推算出：

$f_{\mathrm{null}}=\frac{2k-1}{2T}=\frac{(2k-1)c}{4n_{\mathrm{eff}}x},k=\mathrm{1,2},L,N---\left(6\right)$

由探测器检测到的干涉信号的第一个“零点频率”，也就是在式(6)中，当k＝1时计算出的“零点频率”，推导可得，振动点P距离传感光纤6最右端第三2×2光纤耦合器8的距离为：

$x=\frac{c}{4n_{\mathrm{eff}}{f}_{\mathrm{null}}}---\left(7\right)$

本发明的核心创造点在于：

1、3×3光纤耦合器的作用是引入固定相位偏置(3×3光纤耦合器中：第一输出端和第二输出端之间的相位差为π/3，第二输出端和第三输出端之间的相位差为π/3，第一输出端和第三输出端之间的相位差为2π/3)，从而确保传感系统具有更高的灵敏度和稳定性。

2、第二2×2光纤耦合器的两个输出端直接相连，构成一个光纤环境，可以提升返回到光探测器9的光功率，以提高传感系统的信噪比。

综上，本发明的有益效果是：本发明提供的管道泄露检测用光纤振动传感系统，通过采用3×3光纤耦合器引入固定相位偏置来提高传感系统的检测灵敏度和稳定性；通过增加由2×2光纤耦合器构成的光纤环境来增强返回探测器的光功率，从而提高探测器的信噪比、增加传感距离。具有结构简单、灵敏度高、稳定性好的特点。

附图说明

图1为本发明提供的管道泄露检测用光纤振动传感系统的结构示意图。其中1是光源、2是3×3光纤耦合器、3是第一延迟光纤、4是第一2×2光纤耦合器、5是第二2×2光纤耦合器、6是传感光纤、7是第二延迟光纤、8是第三2×2光纤耦合器、9是光探测器、10是被测对象(可以是输气、油、水等管道)、11是第一连接光纤、12是第二连接光纤、13是第三连接光纤、14是第四连接光纤。

图2为由本发明提供的管道泄露检测用光纤振动传感系统所获得的干涉信号的时域图。

图3由本发明提供的管道泄露检测用光纤振动传感系统所获得的干涉信号的频域图。

具体实施方式

如图1所示，我们用水管代替石油管道进行了实验，实验所用第一延迟光纤3的长度为3km，传感光纤6的长度为10km，水管10泄漏处L距离传感光纤6最右端第三2×2光纤耦合器8的水平距离为7km，即振动点P距离传感光纤6最右端第三2×2光纤耦合器的距离为7km，图2所示为得到的传感(干涉)信号的时域图，图3所示为图2所示传感信号经傅里叶变换，小波变换和去噪声后的频域图，可以比较清晰地看到第一个“零点频率”位于f_null＝7.158kHz附近，根据公式(7)，取c＝3.0×10⁸m/s，n_eff＝1.5，计算可得x＝6985m。绝对误差为15m，相对误差为0.2％。

Claims (1)

1.一种管道泄露检测用光纤振动传感系统，包括光源(1)、3×3光纤耦合器(2)、第一延迟光纤(3)、第一2×2光纤耦合器(4)、第二2×2光纤耦合器(5)、传感光纤(6)、第二延迟光纤(7)、第三2×2光纤耦合器(8)和光探测器(9)；3×3光纤耦合器(2)中，第一输入端通过第一连接光纤(11)与光源(1)的输出端相连，第三输入端通过第二连接光纤(12)与光探测器(9)的输入端相连，第一输出端通过第一延迟光纤(3)与第一2×2光纤耦合器(4)的第一输入端相连，第三输出端通过第三连接光纤(13)与第一2×2光纤耦合器(4)的第二输入端相连，第二输入端和第二输出端空置；第一2×2光纤耦合器(4)的第一输出端与传感光纤(6)的一端相连，传感光纤(6)的另一端与第二延迟光纤(7)的一端相连，第二延迟光纤(7)的另一端与第三2×2光纤耦合器(8)的第一输入端相连；第三2×2光纤耦合器(8)中，两个输出端互连，第二输入端空置；第二2×2光纤耦合器(5)中，第一输入端通过第四连接光纤(14)与第一2×2光纤耦合器(4)的第二输出端相连，两个输出端互连，第二输入端空置。

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