新型分布式光纤管道泄漏检测技术及定位方法研究

1、第卷第期年月光学学报，文章编号：（）卜一新型分布式光纤管道泄漏检测技术及定位方法研究杭利军何存富吴斌蔡栋生宋晏蓉，北京工业大学机械工程与应用电子技术学院，北京、北京工业大学应用数理学院，北京，摘要介绍了一种基于萨尼亚克（）干涉仪的直线型分布式光纤管道泄漏监测系统，实时进行管道泄漏监测和定位。此系统有两条传感光纤，可有效提高管道监测距离。推导了泄漏信号引起的光信号相位变化表达式；分析了该干涉仪应用于泄漏检测的原理及其泄漏源定位方法，并在分别距两传感光纤末端的法拉第旋转镜为和处进行了泄漏检测实验。管道泄漏实验结果表明，该系统较准确地确定了泄漏源位置且定位误差小于关键词光纤光学；萨尼亚克干涉仪；分布

2、式光纤传感器；泄漏检测；管道中图分类号文献标识码，、，（）；引言管道传输具有经济、高效、安全、稳定等诸多优点，因此被广泛应用于石油、天然气、水等流体的运输。但管道常年埋于地下，容易发生腐蚀、疲劳破损，或泄漏，这不仅带来重大的经济损失而且污染环境，因此研究有效的管道泄漏检测技术，对于保证管道安全运输极为重要。分布式光纤传感技术是近年来发展起来的新技术，具有耐腐蚀、灵敏度高、动态范围大，可长距离连续监测的特点。这类传感器只需一个光源和一条传感线路，集传感和传输于一体，可对沿光纤传输路径上长达数千米甚至数十千米的信息进行测收稿日期：；收到修改藕日期：基金项目：国家自然科学基金（）资助课题。作者简介：

3、杭利军（一），男，蒙古族，内蒙古赤峰市人，博士研究生，主要从事光纤传感技术、现代测控技术与方法、无损检测与健康评价、智能仪器与虚拟仪器技术等方面的研究。：导师简介：何存富（一），男，山西大同人，教授，博士生导师，主要从事现代测控技术与方法、无损检测与健康评价、智能仪器与虚拟仪器技术等方面的研究。：学学报卷量。因此适合于长输管道的泄漏监测。管道泄漏检测原理图是将传统的萨尼亚克（）干涉仪应用于管道泄漏检测，由于系统是环形对称结构，则传感系统会以对称形式感受到物理场，顺时针和逆时针传输的光受到相同的相位调制，导致信号相互抵消，产生互易效应，无干涉信号输出。因此需要将环状结构的一半光纤设计为非传感光纤

4、与声场隔离（图中的参考光纤与声场隔离），以避免干涉仪的互易效应。在工程应用中，此种传感结构将有一半光纤与声场隔离，施工难度和传感器成本都难以接受。鉴于这种情况，我国台湾学者提出了基于萨尼亚克干涉仪的直线形分布式管道泄漏监测系统，但这种直线形结构也有其不足，由于灵敏度的限制，其监测的管道长度受到一定限制，因此有待进一步改进。图萨尼亚克干涉型管道泄漏检测系统本文研究的基于萨尼亚克干涉仪的直线型分布式光纤传感器，它可以实现管道泄漏监测与泄漏点定位。如图所示，此分布式光纤传感器有两个传感光纤，它们分别与法拉第旋转镜和组合，将传统的环形萨尼亚克干涉仪转换成两个直线形萨尼亚克干涉仪，适于复杂管道布放，且保

5、持了传统萨尼亚克干涉仪的零光程差特点。传感光纤末端的法拉第旋转镜（）不但具有将光按原路反射形成萨尼亚克环的功能，而且可以补偿由于传感光纤双折射引起的“偏振诱导信号衰落阳”。相位调制器用来产生高频载波，光电转换器（、）将光信号转换为电信号。耦合器（图中）用作分光器，延迟线圈用来调节萨尼亚克干涉仪中顺逆两束光的相位差，避免干涉仪的互易效应。其中延迟线圈和相位调制器被两个传感光纤构成的干涉仪共享。图直线型分布式光纤管道泄漏监测系统光源发出的低相于宽带光，在耦合器中被分成两束，分别进入耦合器和耦合器，耦合器中输出光的传播路径分别是）一）一由于存在延迟线圈，这两条路径传播的光经过泄漏点的时间不同，但在光

6、路中传播经过的路径长度却是相同的，符合萨尼亚克干涉仪零光程差特点，因此形成一萨尼亚克干涉仪。耦合器中输出光的传播路径分别是：）一）一同样，这两条路径传播的光也符合零光程差特点，形成萨尼亚克干涉仪。除了上面提到的两组干涉光外，还有其它光束，但它们都不满足萨尼亚克干涉仪零光程差的特点，因此不会发生干涉。因此，该分布式光纤管道泄漏监测系统可形成两个独立的萨尼亚克干涉仪，将两条传感光纤沿管道两侧布放，可监测的管道长度为两条传感光纤长度之和。利用此系统进行管道泄漏检测的原理是，当流体泄漏后，流体与漏孔壁会产生摩擦，从而在管壁激发出应力波（即泄漏声发射信号），使管道振动，同时会有部分声波在空气中传播，这两

7、部分信号作用到光纤上，使光纤的长度和折射率都发生变化，导致光纤中传播的导光相位被调制，其表达式为乒，（）式中声为光波的相位变化幅值，口为光波在光纤中的传播常量，为受到管道泄漏噪音作用的光纤长度。期杭利军等：新型分布式光纤管道泄漏检测技术及定位方法研究泄漏信号是宽频信号，其作用到传感光纤上，对光纤中传播的光相位调制，光波经泄漏信号调制的相位变化表达式可写为哺乒乒。，（）庐。为光波被调制后相位变化的幅值，叫。为泄漏信号的角频率。由于传感光纤形成的两个萨尼亚克干涉仪具有相同的传感原理，因此这里仅分析由路径和路径形成的萨尼亚克干涉仪进行管道泄漏监测的原理。传感光纤组成的干涉仪中路径和路径传输光经泄漏信

8、号调制后的电场表达式分别为。庐。（，；（一）声。；（）妒），（）一，。叫。（）。（。（一“）钆），（）式中，。和。分别为两束光的振幅（由于所用耦合器均为耦合器，故。）；垆。，伫分别为两束光的初相位；甜。为光的频率；式中。为光从点经、第一次传播到泄漏点的时间，为光从点经、传播到法拉第旋转镜，又经法拉第旋转镜反射后，传播到泄漏点的时间，功为光从点经、第一次传播到泄漏点的时间，。光从点经、传播到法拉第旋转镜，又经法拉第旋转镜反射后，传播到泄漏点的时间。两束光输出的光强为（）（），（）其中干涉项为一（）拳。叫。（）。叫。（）一拳。（一功）一声。（一）（卯一妒），（）令（。）一（。）为光传播经过延迟光纤

9、所用时间。玩一（。一功）（一）掰为光从泄漏点传播到法拉第旋转镜所需时间（为泄漏点距法拉第旋转镜的距离，为光在空气中的传播速度，行为光纤的折射率）。，为光传播经过整个萨尼亚克环所用的时间。由于耦合器均为耦合器，故。一妒，因此（）式可表示为扎庐。（）×甜。（）（。矗）（）通过信号解调技术¨可将相位差。（一）叫。（）（）从干涉信号中解调出来。（）式中，（动）项将影响传感器的信噪比，如果，。（）值较小，相位差也较小，即信号较弱，容易淹没于噪音中。因此研制传感器时，要选择合适的延迟光纤长度，使。（动）在泄漏信号的宽频范围内保持较大值，可提高系统的信噪比。定位方法对泄漏信号引起的相位差

10、进行频域分析，当泄漏发生后，在泄漏信号的宽频范围内会出现某些频率使。瓦）一称为零点频率），即。兀，（）式中为奇数。对于确定的。将有一个或多个。使（。，取。由（）式求得后，再根据可得生击，（），为泄漏信号频率，计算出泄漏位置到法拉第旋转镜的距离，即确定泄漏位置。灵敏度根据灵敏度的定义，系统输出变化量与输入增量之间的比值即为灵敏度。本系统的灵敏度是指泄漏位置变化引起零点频率发生相应的变化厂。对（）式取距离的微分，可以得到下式：击赤（）击珊。从（）式可知，系统的灵敏度是泄漏位置的函数，并非定值随着泄漏位置的增大，迅速减小。以泄漏位置为和为例，其对应的灵敏度分别为和一，泄漏位置从增大到，灵敏度减小倍。

11、随着灵敏度的降低，系统定位误差也会相应增大，为了保证此系统的灵敏度能满足实际要求，则监测距离不能无限长，因此监测距离与系统灵敏度是一对矛盾体。本文设计的传感器由于同时使用两条传感光纤，而每条传感光纤可单独形成一个传感器，因此在与文献灵敏度相同的情况下，可实现管道监测距离增加一倍。实验研究在实验室条件下进行了管道泄漏实验。实验装置如图所示。管道长，外径，壁厚，管道上开有一直径为的泄漏孔，通过水泵给管道加入一定压力的水。使用康宁光学学报（）单模光纤作为传感光纤，纤芯折射率以一。传感器中的两个传感光纤均布放于管道外壁，传感光纤中泄漏点距法拉第旋转镜的距离为，传感光纤中泄漏点距法拉第旋转镜的距离为。延

12、迟线圈长，施加于相位调制器的载波信号频率为，幅值为。图管道泄漏检测装置不意图检测系统的宽带光源中心波长，带宽，功率。光电转换器为美国公司的型光电转换器。利用的数据采集卡和软件对检测信号进行采集和分析。在管道压力为下，通过传感光纤和传感光纤测得的定位结果分别如图和图所示。从图中可以发现，在附近有明显的波谷，此波谷对应的最低点即为所求的零点频率，数值为。根据（）式，可以获得泄漏点至法拉第旋转镜的距离为，绝对误差为，相对误差为。图中零点频率处显示的数值为。根据（）式，可以获得泄漏点至法拉第旋转镜的距离为，绝对误差为，相对误差为。帆滁。仇。，帆”卅嘞图泄漏位置为处的零点频率图为了验证传感系统的稳定性，

13、在泄漏点距法拉第旋转镜的距离为处进行了次重复实验，测试数据如图所示，从图中可以发现，次测得的数据都在附近，与实际泄漏位置较吻合。岩重量图泄漏位置为处的零点频率图重善藿耋一八。？、一÷，声声。、图泄漏位置为处的次测试数据结论基于萨尼亚克干涉仪原理的分布式光纤管道泄漏监测系统，能快速、有效地实现管道泄漏检测，而且在与文献具有相同灵敏度的情况下，通过使用两个传感光纤使系统的监测距离提高一倍。多次重复实验结果表明，测量的泄漏点定位结果均在实际值附近波动，且最大定位误差在百米左右，因此系统的稳定性及定位精度均可满足实际工程需要。但此系统也存在着不足：实验中发现，测试信号具有很强的背景噪音，将来可通过信号处理技术（如小波去噪），来改善零点频率的可辨识性，以便进一步提高系统的定位精度。参考文献，。，（）：宋牟平赵斌，章献民基于微波电光调制的布里渊光时域分析传感器光学学报，（）：，；弓铀跚一一一一一一一杭利军等：新型分布式光纤管道泄漏检测技术及定位方法研究，（）：。，（抽，（）：孙安，陈嘉琳，李国扬等基