CN201539695U - 一种评价管道补强效果的监测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种评价管道补强效果的监测装置，光纤传感器的两个光纤探头通过3dB光耦合器A与便携式解调仪连接；便携式解调仪的固定长度光纤和长度可调光纤连接3dB光耦合器B；长度可调光纤与微位移调节器连接，3dB光耦合器B与光接收接口和光电检测器连接；LED发光二极管与光发送接口连接；光电检测器、前置放大器、滤波器、A/D转换器和内部数据处理器依次连接；内部数据处理器分别连接数据分析采集系统和微位移调节器；装置抗干扰能力强，对光源和解调要求低，具有结构简单，成本低廉，实用性强的优点；能实现单点长时间免维护连续测量，也能实现同时对多点进行连续测量。

Description

一种评价管道补强效果的监测装置

技术领域

本实用新型涉及天然气管道腐蚀监测技术领域和光纤传感技术领域，是一种采用低相干干涉光纤传感器技术，通过监测管道应变实现评价管道补强效果的监测装置。

背景技术

对于管道传统的电检测方法是在管道的补强部位外粘电阻应变片来测量应变。依据的原理是将应变片组成桥式结构来感应被测体应变的变化，并转换成需要的电量，以利用应变变化dε与应变片的电阻变化dR之问的关系dR＝a·dε(a为应变率)进行检测。这种测量方法是以应变-电量为基础，以电信号为转换及传输的载体，用导线传输电信号，因而使用时受到环境的限制，如环境湿度太大可能引起短路，特别是在高温和易燃、易爆环境中容易引起事故。

近年兴起的光纤传感技术具有抗电磁干扰能力强、灵敏度高、电绝缘性好、安全可靠、耐腐蚀、可构成光纤传感网等诸多优点，在工业、农业、生物医疗等领域均有广阔的应用前景，尤其在高温、易燃和易爆的环境中使用具有先天优势。目前的热点技术是光纤光栅传感器和分布式传感器，后者是以基于布里渊效应的光纤传感器为典型代表。光纤光栅传感器是典型的准分布式传感器，只能通过串联的多个光栅监测不连续的若干个点的应变，而为实现管道补强效果的监测，需要对整个补强部位的应变实现监测，因此该技术不适合补强效果的评价。分布式传感器适合长距离的连续监测，例如基于布里渊散射的分布式传感器能实现十几公里左右管道的泄漏监测。但是分布式传感器解调技术复杂，代价高昂，不适合补强效果的监测。

实用新型内容

本实用新型的目的是：设计一种空间分辨率高、成本低、适用于高温、易燃和易爆环境、能进行长时间实时测量的光纤传感器监测装置，用于管道补强段的长时间、免维护监测。

本实用新型所述的评价管道补强效果的监测装置，由光纤传感器，便携式解调仪和数据分析采集系统构成；

光纤传感器由测量光纤探头和参考光纤探头两个光纤探头组成，光纤探头采用常规通信单模光纤，光纤探头结构成盘绕状，探头的尺寸在￠25-￠200mm之间可调；预埋在补强材料内部或贴置于管道外表面，光纤探头的端部镀有高反射膜，构成镀膜反射镜；测量光纤探头和参考光纤探头通过3dB光耦合器A与便携式解调仪的光发送接口和光接收接口连接；

便携式解调仪由参考干涉仪、光源和检测解调电路构成；参考干涉仪是一个迈克尔逊干涉仪，由固定长度光纤和长度可调光纤两条光纤干涉臂连接3dB光耦合器B构成；固定长度光纤的端部镀高反射膜，形成镀膜反射镜，长度可调光纤与一个压电陶瓷PZT微位移调节器连接，3dB光耦合器B分别与光接收接口和光电检测器连接；LED发光二极管与光发送接口连接，工作波长为1.31μm，采用连续光源调制；检测解调电路由光电检测器、前置放大器、滤波器、A/D转换器和内部数据处理器依次连接构成；内部数据处理器分别连接数据分析采集系统和压电陶瓷PZT微位移调节器。

光纤传感器的两个探头经过封装后，测量光纤探头被固定在补强部位，补强材料随管壁内压、刚性的位移变化会转换为探头光纤的伸长和收缩。参考光纤探头被固定在管道上与补强部位呈90°的位置，使它与测量光纤探头处在同一温度下。因为光纤传感器只监测两根光纤的长度差，只有机械形变对结果有影响，而其它干扰，例如温度和压力变化引起的光纤折射率的变化，对两根光纤的影响是一样的，所以可以抵消掉，两根光纤探头的光程差随测量光纤探头的位移值δ呈线性变化，因此参考光纤探头可实现对温度效应的补偿。

光源LED发光二极管发出的低相干光经3dB耦合器A分束后，进入光纤传感器的两个光纤探头，经光纤探头端部的反射镜发射后，经过3dB耦合器A混合后由光纤传输到便携式解调仪，被分别送到参考干涉仪的两个干涉臂，被反射后在3dB耦合器B中混合，形成干涉信号，并由光电检测器检测接收。光电检测器、前置放大器、滤波器、A/D转换器和内部数据处理器组成的检测解调电路能实现干涉条纹包络的检测。在内部数据处理器的反馈控制下，压电陶瓷PZT微位移调节器能改变长度可调光纤的光程，跟踪光纤传感器的光程差变化，当参考干涉仪两条干涉臂的光程差等于光纤传感器两个探头的光程差时，检测解调电路能检测到干涉峰，从而实现对光纤探头位移值δ的绝对测量。便携式解调仪将测得数据δ通过串口送至数据分析采集系统。

数据分析采集系统为一便携式计算机。为将感兴趣的结构参数(如管壁厚度)和管壁内压、几何结构以及传感器测试值联系在一起，数据分析软件集成了一组公式。

管壁厚度由下式给出：

h＝0.535LpR/Eδ(泊淞比为0.3)        (1)

其中L为传感器计量长度，p为压力值，R为管道半径，δ为传感器位移值，E为杨氏模量。

预测管道的变薄情况的通用模型如下式所示：

h(t)/h_r＝1/[1+Ct]                            (2)

其中t为时间，h_r为管壁厚度参考值，C为腐蚀速率，由下式给出：

C＝[(δ_t/δ_r)-1]/Δt              (3)

其中δ_r为传感器位移值参考值。

低相干干涉测量原理：

产生低相干干涉需要两个干涉仪(参考干涉仪和传感干涉仪)，传感干涉仪将被测物理量的变化转换为光程差的变化；参考干涉仪将来自传感干涉仪的互不相干的光信号重合并产生干涉。这样，输出端就可观察到输出信号的干涉条纹：输出光强在两干涉条纹的光程差相等时有最大值，对应的条纹对比度也最大，称为中心条纹。为满足低相干度光源的获得和零级干涉条纹的检测两大问题，要求所用光源的相干长度应满足既远小于两个干涉仪的光程差，又大于两个干涉仪光程差的差值。在系统测量过程中，通过改变微位移仪，使参考干涉仪的光程差值与传感干涉仪的光程差值相等的方法，直接得到传感干涉仪光程差的变化值，从而实现对被测量的绝对测量。

本实用新型的光纤传感器构成传感干涉仪，迈克尔逊干涉仪被集成在便携式解调仪中构成参考干涉仪，压电陶瓷PZT微位移调节器构成微位移仪。在光纤传感器中，补强材料的应变转化为测量光纤探头的光纤长度位移，参考光纤探头实现温度补偿。测量光纤探头和参考光纤探头的光程差为ΔL₁，参考干涉仪两干涉臂的光程差为ΔL₂，光电检测器检测的干涉光光强为：

I＝I₁+I₂+2(I₁I₂)^1/2υ₁₁(ΔΦ)cos(ΔΦ)            (4)

ΔΦ＝2πΔLn_g/λ₀                                (5)

n_g＝n_eff+υ(dn_eff/dυ)                            (6)

ΔL＝|ΔL₁±ΔL₂|                                 (7)

n_eff是光纤的有效折射率，n_g是群折射率(在硅中比n_eff高约1％)，λ₀为光在真空中的中心波长，υ₁₁为考虑光谱发射特性的自相关函数，ΔL为两条干涉路径差。

当参考干涉仪两臂的光路径差等于传感干涉仪的路径差时，干涉条纹出现。改变ΔL₂，将通过ΔL₁＝ΔL₂或者ΔL₁＝-ΔL₂获得ΔL＝0，因此会有两条干涉条纹。当ΔL₂＝0时也会产生干涉，这个干涉条纹可以用来作为参考。这三条干涉条纹能通过锁相放大器与微位移器同步的方法获得。通过读取干涉峰产生时微位移器的读数，能测得光纤探头1的绝对位移δ。因为参考信号是分立产生，与传感信号没有恒定的相位关系，所以只有解调信号的包络有物理意义，光纤性能退化只会影响干涉条纹的分辨度而不会影响它的位置。

本实用新型基于光纤低相干干涉传感技术，与其它现有技术相比，具有以下明显的优点和特点：

1、抗电磁干扰、抗腐蚀，能在高磁场及其他恶劣的环境中正常工作，响应时间短(毫秒级)。完全的电绝缘，可以抵抗高电压和高电流的冲击。

2、光纤既可作为传感用，也能对信号进行通信传输，因此损耗低，可靠性高，适于长距离传输。

3、传感头结构简单、体积小、重量轻、外形可变，便于封装，稳定性好、重复性好。特殊设计的盘绕结构能自适应补强部位的大小，对整个补强部位的应变进行监测。

4、采用参考光纤探头，能有效补偿温度效应，减小外部干扰，增加系统工作稳定性。

5、光纤低相干干涉系统抗干扰能力强，系统分辨率与光源波长稳定性、光源功率波动、光纤的扰动等因素无关，可测量传感探头的绝对位移，测量精度仅由干涉条纹中心位置的确定精度和参考反射镜的确定精度决定。因此具有结构简单，成本低廉，实用性强的优点。

6、能实现单点长时间免维护连续测量，也能实现同时对多点进行连续测量。

附图说明

图1管道补强效果监测装置结构示意图。

图2光纤传感器光纤探头示意图。

图3光纤传感器在管体上的安装位置示意图(外表面图)。

图4光纤传感器在管体上的安装位置示意图(横截面图)。

图中，1.测量光纤探头，2.参考光纤探头，3.3dB光耦合器A，4.发光二极管(LED)，5.光电检测器(PD)，6.前置放大器，7.数滤波器，8.A/D转换器，9.长度可调光纤，10.固定长度光纤，11.微位移调节器，12.3dB光耦合器B，13.内部数据处理器，14.镀膜反射镜，15.镀膜反射镜，16.镀膜反射镜，17.光纤传感器，18.便携式解调仪，19.便携式计算机，20.光发送接口，21.光接收接口。

具体实施方式

本实用新型所述的评价管道补强效果的监测装置，由光纤传感器17，便携式解调仪18和数据分析采集系统19构成；

光纤传感器17由测量光纤探头1和参考光纤探头2两个光纤探头组成，光纤探头采用常规通信单模光纤，光纤探头结构成盘绕状，探头的尺寸在￠25-￠200mm之间可调；预埋在补强材料内部或贴置于管道外表面，光纤探头的端部镀有高反射膜，构成镀膜反射镜14、15；测量光纤探头1和参考光纤探头2通过3dB光耦合器A3与便携式解调仪的光发送接口20和光接收接口21连接；

便携式解调仪18由参考干涉仪、光源和检测解调电路构成；参考干涉仪是一个迈克尔逊干涉仪，由固定长度光纤10和长度可调光纤9两条光纤干涉臂连接3dB光耦合器B12构成；固定长度光纤10的端部镀高反射膜，形成镀膜反射镜16，长度可调光纤9与一个压电陶瓷PZT微位移调节器11连接，3dB光耦合器B12分别与光接收接口21和光电检测器(PD)5连接；LED发光二极管4与光发送接口连接，工作波长为1.31μm，采用连续光源调制(CW)；检测解调电路由光电检测器(PD)5、前置放大器6、滤波器7、A/D转换器8和内部数据处理器13依次连接构成；内部数据处理器13分别连接数据分析采集系统19和压电陶瓷(PZT)微位移调节器11。

Claims (1)

1.一种评价管道补强效果的监测装置，由光纤传感器，便携式解调仪和数据分析采集系统构成；其特征是：

光纤传感器由测量光纤探头和参考光纤探头两个光纤探头组成，光纤探头采用常规通信单模光纤，光纤探头结构成盘绕状，探头的尺寸在￠25-￠200mm之间可调；预埋在补强材料内部或贴置于管道外表面，光纤探头的端部镀有高反射膜，构成镀膜反射镜；测量光纤探头和参考光纤探头通过3dB光耦合器A与便携式解调仪的光发送接口和光接收接口连接；

便携式解调仪由参考干涉仪、光源和检测解调电路构成；参考干涉仪是一个迈克尔逊干涉仪，由固定长度光纤和长度可调光纤两条光纤干涉臂连接3dB光耦合器B构成；固定长度光纤的端部镀高反射膜，形成镀膜反射镜，长度可调光纤与一个压电陶瓷PZT微位移调节器连接，3dB光耦合器B分别与光接收接口和光电检测器连接；LED发光二极管与光发送接口连接，工作波长为1.31μm，采用连续光源调制；检测解调电路由光电检测器、前置放大器、滤波器、A/D转换器和内部数据处理器依次连接构成；内部数据处理器分别连接数据分析采集系统和压电陶瓷PZT微位移调节器。

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