專利名稱：基于杜芬振子檢測分布式光纖管道的泄漏的裝置及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于流體管道泄漏檢測技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于杜芬振子(Duffing) 檢測分布式光纖管道的泄漏的裝置及方法。
背景技術(shù)：
管道運(yùn)輸作為與鐵路、公路、航空、水運(yùn)并駕齊驅(qū)的五大運(yùn)輸行業(yè)之一，在國防工業(yè)和國民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。隨著十幾年來經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，流體管道泄漏檢測技術(shù)也有長足的進(jìn)步，出現(xiàn)了多種管道泄漏檢測方法。流體輸送管道泄漏檢測以及定位的方法大致分為兩類，管外檢測法和管內(nèi)檢測法。管外檢測法直接檢測管道外部環(huán)境和管壁狀況，例如管道外部巡視檢測法、油敏線纜、 檢測光纖等。管內(nèi)檢測法也被稱為計算機(jī)管道監(jiān)控(Computational Pipeline Monitor, CPM)，它應(yīng)用儀器儀表對管道內(nèi)部運(yùn)行參數(shù)進(jìn)行檢測，然后將管道內(nèi)部運(yùn)行參數(shù)(例如壓力、流量和溫度等)作為計算機(jī)管道監(jiān)控的輸入數(shù)據(jù)，根據(jù)泄漏引起的流量、壓力等物理參數(shù)發(fā)生的變化，通過計算機(jī)推理和人工分析得出管道是否發(fā)生泄漏。近年來，隨著光纖技術(shù)的不斷發(fā)展，光纖傳感技術(shù)也開始應(yīng)用于管道泄漏檢測。分布式光纖管道檢測技術(shù)利用光纖作為傳感器檢測流體管道沿途的振動信號，不僅可以檢測出管道發(fā)生泄漏的狀況，而且可以對管道沿線發(fā)生的危害管道事件進(jìn)行預(yù)警。分布式光纖流體管道泄漏監(jiān)測技術(shù)對于檢測精度和靈敏度有很高的要求。當(dāng)背景噪聲較大而泄漏量較小時，分布式光纖流體管道泄漏監(jiān)測系統(tǒng)測得的信號表現(xiàn)為強(qiáng)噪聲背景下的微弱周期信號的檢測問題。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明提供一種基于杜芬振子(Duffing)檢測分布式光纖管道的泄漏的裝置及方法。本發(fā)明裝置包括光源模塊、光纖干涉儀模塊、光電探測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和PC 機(jī)；光源模塊光源模塊包括激光器、光源驅(qū)動電路和光源保護(hù)電路，其中光源驅(qū)動電路的輸出端接光源保護(hù)電路的輸入端，光源保護(hù)電路的輸出端作為光源模塊的輸出端。光纖干涉儀模塊光纖干涉儀模塊由激光器、光隔離器、光纖耦合器、單模光纖、引導(dǎo)光纖和光環(huán)行器組成。其中激光器是用來產(chǎn)生激光的裝置；光隔離器能夠?qū)崿F(xiàn)光信號的正向傳輸，同時抑制反向光，具有不可逆性，能夠解決光路中光反射的問題，用于保護(hù)光源； 光纖耦合器為兩個，可以把一個或多個光輸入分成兩個或多個光輸出，用于傳送和分配光信號的無源器件，其中一個光纖耦合器用作將從激光器傳播過來的激光分成兩束光的分光器，另一個光纖耦合器用來形成干涉信號并且將信號傳送給引導(dǎo)光纖；單模光纖是沿管道鋪設(shè)作為測試光纖，用于檢測管道沿途的振動信號；光環(huán)行器只允許某端口的入射光從確定端口輸入而反射光從另一端口輸出的非互易性器件，光環(huán)行器可避免經(jīng)過耦合器產(chǎn)生的損耗。其中光隔離器的輸入端作為光纖干涉儀模塊的輸入端，光隔離器的輸出端與耦合器相連接，光纖耦合器的輸出端連接兩個單模光纖的首端，兩個單模光纖并行連接，單模光纖的末端連接光纖耦合器的輸入端，另外當(dāng)測試光纖受力分別向相反方向傳播振動時，光纖耦合器為兩個，一個光纖耦合器的輸入端此時變?yōu)檩敵龆耍藭r光纖耦合器的輸出端與光環(huán)行器的輸入端連接，光環(huán)行器輸出與光電探測模塊的一路輸入連接，另一個光纖耦合器的輸出端連接引導(dǎo)光纖，引導(dǎo)光纖的末端連接光電探測模塊的另外一路輸入端；光電探測模塊，完成光轉(zhuǎn)換成電并且將電信號放大的功能，光電探測模塊包括將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件光電探測器和將電信號放大的放大電路，光電探測模塊有兩路接收信號端，其中一路接收引導(dǎo)光纖傳播過來的信號，另外一路接收光環(huán)行器傳播過來的信號。數(shù)據(jù)采集模塊，包括濾波電路和數(shù)據(jù)采集卡，濾波電路的輸入端作為數(shù)據(jù)采集模塊的輸入端，濾波電路的輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡的輸入端，數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并且輸出至PC機(jī)。該裝置中光源模塊的輸出端連接光纖干涉儀模塊的光隔離器的輸入端，光纖干涉儀模塊中引導(dǎo)光纖的輸出端連接光電探測模塊的一路輸入端，光纖干涉儀模塊中光環(huán)行器的輸出端與光電探測模塊的另外一路輸入連接，光電探測模塊的輸出端連接數(shù)據(jù)采集模塊的輸入端，數(shù)據(jù)采集模塊的輸出連接至PC機(jī)，進(jìn)行信號的測試和處理。本發(fā)明以LabVIEW作為開發(fā)平臺，完成信號向計算機(jī)的讀取，以及完成應(yīng)用 Duffing混沌理論實現(xiàn)信號的檢測，通過輸出相軌跡圖的變化判斷泄漏情況，并且實現(xiàn)定位。本發(fā)明中由單縱模窄線寬光纖激光器發(fā)出的激光經(jīng)過隔離器和光纖耦合器分成光強(qiáng)相等的兩束光波在兩條單模光纖中傳播，在光纖傳感器的末端，即光纖耦合器出形成干涉信號，兩束相干光光強(qiáng)分別為Ii、I2，AS(t)為兩束相干光波調(diào)制差，Δρ為兩束相干光
波的相位差，兩束相干光波干涉后的光強(qiáng)I為
I = Ii +L· + I^hTi COS ^(0 + Αφ](4)設(shè)Ih為輸入到兩條測試光纖中的總光強(qiáng)；λ為兩相干光的混合效率，則兩束相干光波干涉后的光強(qiáng)I (t)有
/( ) = Ih{\ + AC0S[AS(t) + Αφ]}(5)只考慮交流光強(qiáng)，并且通過光電檢測器的光信號轉(zhuǎn)換成電信號，K為光電轉(zhuǎn)換系數(shù)，λ為兩相干光的混合效率，光電流的交流量i(t)為
/( ) = ^/1008^( ) + Αφ](6)管道發(fā)生泄漏，當(dāng)測試光纜受到管道沿線振動信號作用時，光纜中的兩條測試光纖都會產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，因此兩條傳感光纖中傳播的兩束相干光會產(chǎn)生相位變化，從而影響光強(qiáng)度的變化，最終導(dǎo)致光電探測器輸出電流信號的變化。因此我們可以通過光電探測器輸出光強(qiáng)度的變化檢測出分布式光纖沿途為振動信號，從而實現(xiàn)管道泄漏實時檢測。
當(dāng)發(fā)生泄漏時，測試光纖產(chǎn)生應(yīng)力應(yīng)變，造成該處光纖相位調(diào)制，產(chǎn)生調(diào)制的信號同時向傳感器兩端傳播，一條經(jīng)過耦合器Cl、光環(huán)行器e2、光電探測器f2傳回數(shù)據(jù)采集信號處理，另外一條光路通過引導(dǎo)光纖，光電探測器fl傳送回數(shù)據(jù)采集信號處理，通過兩端振動檢測信號的時間差，可以精確的計算出泄漏發(fā)生的位置，定位公式可表示為
權(quán)利要求
1.一種基于杜芬振子檢測分布式光纖管道的泄漏的裝置，其特征在于裝置包括光源模塊、光纖干涉儀模塊、光電探測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和PC機(jī)；光源模塊包括激光器、光源驅(qū)動電路和光源保護(hù)電路；光纖干涉儀模塊包括激光器、光隔離器、光纖耦合器、單模光纖、 引導(dǎo)光纖和光環(huán)行器；光電探測模塊包括光電探測器和放大電路；數(shù)據(jù)采集模塊包括濾波電路和數(shù)據(jù)采集卡；該裝置中光源模塊的輸出端連接光纖干涉儀模塊的光隔離器的輸入端，光纖干涉儀模塊中引導(dǎo)光纖的輸出端連接光電探測模塊的一路輸入端，光纖干涉儀模塊中光環(huán)行器的輸出端與光電探測模塊的另外一路輸入連接，光電探測模塊的輸出端連接數(shù)據(jù)采集模塊的輸入端，數(shù)據(jù)采集模塊的輸出連接至PC機(jī)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于杜芬振子檢測分布式光纖管道的泄漏的裝置，其特征在于所述的光源模塊中光源驅(qū)動電路的輸出端接光源保護(hù)電路的輸入端，光源保護(hù)電路的輸出端作為光源模塊的輸出端。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于杜芬振子檢測分布式光纖管道的泄漏的裝置，其特征在于所述的光纖干涉儀模塊中光隔離器的輸入端作為光纖干涉儀模塊的輸入端，光隔離器的輸出端與耦合器相連接，光纖耦合器的輸出端連接兩個單模光纖的首端，兩個單模光纖并行連接，單模光纖的末端連接光纖耦合器的輸入端，當(dāng)測試光纖受力分別向相反方向傳播振動時，光纖耦合器為兩個，一個光纖耦合器的輸入端此時變?yōu)檩敵龆耍藭r光纖耦合器的輸出端與光環(huán)行器的輸入端連接，光環(huán)行器輸出與光電探測模塊的一路輸入連接，另一個光纖耦合器的輸出端連接引導(dǎo)光纖，引導(dǎo)光纖的末端連接光電探測模塊的另外一路輸入端。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于杜芬振子檢測分布式光纖管道的泄漏的裝置，其特征在于所述的光電探測模塊包括將光信號轉(zhuǎn)換成電信號的器件光電探測器和將電信號放大的放大電路，光電探測模塊有兩路接收信號端，其中一路接收引導(dǎo)光纖傳播過來的信號，另外一路接收光環(huán)行器傳播過來的信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于杜芬振子檢測分布式光纖管道的泄漏的裝置，其特征在于所述的數(shù)據(jù)采集模塊中濾波電路的輸入端作為數(shù)據(jù)采集模塊的輸入端，濾波電路的輸出端連接數(shù)據(jù)采集卡的輸入端，數(shù)據(jù)采集卡將數(shù)據(jù)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換并且輸出至PC機(jī)。
6.采用權(quán)利要求1所述的基于杜芬振子檢測分布式光纖管道的泄漏的裝置的方法，其特征在于步驟如下步驟1、激光器經(jīng)過光源電路的驅(qū)動，產(chǎn)生激光，通過光源保護(hù)電路傳送給光纖干涉儀模塊；步驟2、由光纖干涉儀模塊檢測管道沿途的振動信號，振動信沿相反方向傳播，一路振動信號沿光纖耦合器返回，另外一路振動信號沿引導(dǎo)光纖返回，分別送給光電探測模塊進(jìn)行光電探測；步驟3、光電探測模塊接收光纖干涉儀模塊傳送過來的光信號，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并且將光信號放大輸出；步驟4、數(shù)據(jù)采集模塊接收光電探測模塊輸出的電信號，將電信號進(jìn)行濾波處理，并且進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，最后將轉(zhuǎn)換后的信號傳送給PC機(jī)進(jìn)行處理；步驟5、PC機(jī)采用杜芬振子混沌相軌跡法對采集來的信號進(jìn)行檢測，通過相軌跡的變化，觀察泄漏狀態(tài)的發(fā)生情況，當(dāng)未發(fā)生泄漏時，相軌跡處于臨界混沌狀態(tài)，一旦發(fā)生泄漏， 相軌跡立刻躍變至大尺度周期狀態(tài)，由此可以判斷泄漏，并且通過相關(guān)的定位算法進(jìn)行定位；步驟6、此檢測為循環(huán)檢測，不斷重復(fù)步驟2-步驟5。
全文摘要
一種基于杜芬振子檢測分布式光纖管道的泄漏的裝置及方法，屬于流體管道泄漏檢測技術(shù)領(lǐng)域。裝置包括光源模塊、光纖干涉儀模塊、光電探測模塊、數(shù)據(jù)采集模塊和PC機(jī)。檢測方法，步驟如下1、產(chǎn)生激光；2、由光纖干涉儀模塊檢測管道沿途的振動信號；3、光電探測模塊接收光纖干涉儀模塊傳送過來的光信號，將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，并且將光信號放大輸出；4、數(shù)據(jù)采集模塊接收光電探測模塊輸出的電信號，將電信號進(jìn)行濾波處理，并且進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換；5、PC機(jī)檢測。本發(fā)明的優(yōu)點將混沌振子的檢測算法應(yīng)用于分布式光纖流體管道泄漏檢測裝置及方法，由于其具有極強(qiáng)的噪聲抑制能力和信號頻率選擇的特性，能顯著降低對檢測信號信噪比的要求。
文檔編號F17D1/08GK102242870SQ20111016960
公開日2011年11月16日 申請日期2011年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2011年6月22日
發(fā)明者馮健, 劉金海, 張化光, 張紅娜, 李健, 馬大中 申請人:東北大學(xué)