專利名稱：雙Sagnac管道安全監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
雙Sagnac管道安全監(jiān)測系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域
本發(fā)明設(shè)計(jì)一種基于雙Sagnac光纖干涉儀傳感器系統(tǒng),屬于光學(xué)傳感器技術(shù)領(lǐng)域，其作用是把因外界擾動(dòng)產(chǎn)生的聲信號通過對光纖中傳播的光信號進(jìn)行調(diào)制，然后對被調(diào)制的光信號進(jìn)行處理和分析，從而對所監(jiān) 測范圍內(nèi)管道沿線有無偷盜油或有無人為等破壞性擾動(dòng)行為進(jìn)行監(jiān)測，對擾動(dòng)發(fā)生地點(diǎn)進(jìn)行定位。該傳感器系統(tǒng)可以用于輸油氣管道的長距離安全監(jiān)測，實(shí)現(xiàn)有效的預(yù)警監(jiān)控。
背景技術(shù)：
當(dāng)前，對于管道沿線是否發(fā)生偷盜油或其它人為因素等威脅安全生產(chǎn)運(yùn)行的行為事件、行為發(fā)生地點(diǎn)的確定，多為人工巡查、質(zhì)量平衡法、應(yīng)力波法、聲波法等傳統(tǒng)方法，但這些方法效率低，誤判和盲點(diǎn)多，不能及時(shí)對帶來管道破壞的行為進(jìn)行監(jiān)控，因此給管道安全運(yùn)行監(jiān)測帶來了很多不便。北京工業(yè)大學(xué)的何存富、杭利軍等發(fā)明了一種用于實(shí)時(shí)管道泄漏檢測的分布式光纖傳感器系統(tǒng)，使用方便且可實(shí)時(shí)在線監(jiān)測，但該系統(tǒng)能量損耗較大， 且對管道泄漏前威脅管道安全運(yùn)行的行為還缺乏有效的預(yù)警監(jiān)控，可監(jiān)測信號幅值低、頻率高，限制了其監(jiān)測實(shí)效、空間范圍和精度。發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于解決了管道安全監(jiān)測中外界實(shí)施的擾動(dòng)所產(chǎn)生的振動(dòng)信號無法準(zhǔn)確、即時(shí)測量的缺點(diǎn)，以及擾動(dòng)信號發(fā)生位置的在線實(shí)時(shí)定位，提出了一種用于實(shí)時(shí)管道安全監(jiān)測的分布式光纖傳感器系統(tǒng)。本發(fā)明中的監(jiān)測系統(tǒng)提高了被監(jiān)測信號的幅度及信噪比，提高了定位精度，可實(shí)現(xiàn)預(yù)警監(jiān)控。
為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案
雙Sagnac管道安全監(jiān)測系統(tǒng)包括光源I、第一稱合器21、第二稱合器22、第三f禹合器23、第四耦合器24、第五耦合器25、第六耦合器26、起偏器3、第一延遲光纖41、第二延遲光纖42、第一壓電陶瓷相位調(diào)制器51、第二壓電陶瓷相位調(diào)制器52、第一保偏器61、第二保偏器62、傳感光纖7以及信號采集裝置8 ;光源I發(fā)出的激光依次通過第一耦合器21和起偏器3，再通過第二耦合器22分為兩路光，形成兩個(gè)光回路結(jié)構(gòu)；一路光回路為光在回路中依次經(jīng)過第一保偏器61，第三耦合器23、第一延遲光纖41、第四耦合器24、傳感光纖7、 第五耦合器25、第二壓電陶瓷相位調(diào)制器52、第六耦合器26、第二保偏器62，另一路光回路為光在回路中依次經(jīng)過第二保偏器62、第六耦合器26、第二壓電陶瓷相位調(diào)制器52、第五耦合器25、傳感光纖7、第四耦合器24、第一延遲光纖41、第三耦合器23及第一保偏器61， 形成正反兩個(gè)方向的傳播回路，最終兩路光均傳輸入第二耦合器22并在第二耦合器22中形成干涉光，最后由信號采集裝置8接收并進(jìn)行分析處理。
傳感光纖部分為單模光纖作為傳感器，沿被監(jiān)測管道鋪設(shè)，與非傳感部分串聯(lián)形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。壓電陶瓷相位調(diào)制器5為柱狀壓電陶瓷環(huán)，外表纏繞N圈的光纖，N為大于20 的整數(shù)，光纖需用強(qiáng)力膠固定，使光纖與壓電陶瓷環(huán)緊密成為一體。
第一壓電陶瓷相位調(diào)制器51和第二壓電陶瓷相位調(diào)制器52內(nèi)外表各引有一根導(dǎo)線，導(dǎo)線與函數(shù)發(fā)生器等標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)射裝置兩級相連，為第一壓電陶瓷相位調(diào)制器51和第二壓電陶瓷相位調(diào)制器52提供恒定的電壓和調(diào)制頻率；第一壓電陶瓷相位調(diào)制器51和第二壓電陶瓷相位調(diào)制器52所纏繞的光纖圈數(shù)越多，所需外加電壓幅值越低。
本發(fā)明采用了以上的技術(shù)方案，使監(jiān)測系統(tǒng)所接收到的擾動(dòng)信號幅度有較大的提高，信號的信噪比得到比較明顯的改善，進(jìn)而增加了管道安全監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)時(shí)監(jiān)控和有效監(jiān)測范圍，并提高了監(jiān)測精度。


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圖I本發(fā)明系統(tǒng)整體示意圖；2第一壓電陶瓷相位調(diào)制器51 3調(diào)制頻率84kHz，擾動(dòng)頻率為 4調(diào)制頻率93kHz，擾動(dòng)頻率為 5調(diào)制頻率84kHz，擾動(dòng)頻率為 6調(diào)制頻率93kHz，擾動(dòng)頻率為 7調(diào)制頻率84kHz，擾動(dòng)頻率為 8調(diào)制頻率93kHz，擾動(dòng)頻率為 9擾動(dòng)位置4009m的定位結(jié)果和第二壓電陶瓷相位調(diào)制器52示意圖； 500Hz的信號頻譜圖；500Hz的信號頻譜圖；IOOOHz的信號頻譜圖 IOOOHz的信號頻譜圖 2000Hz的信號頻譜圖 2000Hz的信號頻譜圖10擾動(dòng)位置11719m的定位結(jié)果；中，I、光源，21、第一耦合器，22、第二耦合器，23、第三耦合器，24、第四耦合器， 25、第五稱合器,26、第六稱合器,3、起偏器,41、第一延遲光纖,42、第二延遲光纖,51、第一壓電陶瓷相位調(diào)制器，52、第二壓電陶瓷相位調(diào)制器，6、保偏器，7、單模光纖。
具體實(shí)施方式
結(jié)合本發(fā)明方法的內(nèi)容提供以下實(shí)施例
本實(shí)施例的結(jié)構(gòu)如圖I所示，包括光源I、第一耦合器21、第二耦合器22、第三耦合器23、第四耦合器24、第五耦合器25、第六耦合器26、起偏器3、第一延遲光纖41、第二延遲光纖42、第一壓電陶瓷相位調(diào)制器51、第二壓電陶瓷相位調(diào)制器52、第一保偏器61、第二保偏器62、傳感光纖7以及信號米集裝置8。光源I發(fā)出的激光先后通過2X I第一f禹合器 21、起偏器3和第二耦合器22，輸出兩路光分別進(jìn)入第三耦合器23和第六耦合器26。兩路光各自經(jīng)過不同的回路結(jié)構(gòu)相互獨(dú)立，分別順時(shí)針傳播和逆時(shí)針傳播，順時(shí)針傳播路徑為第一保偏器61,第三稱合器23、第一延遲光纖41、第四稱合器24、傳感光纖7、第五稱合器 25、第二壓電陶瓷相位調(diào)制器52、第六耦合器26、第二保偏器62 ;逆時(shí)針方向經(jīng)由第二保偏器62、第六耦合器26、第二壓電陶瓷相位調(diào)制器52、第五耦合器25、傳感光纖7、第四耦合器 24、第一延遲光纖41、第三耦合器23及第一保偏器61。順逆光回到第二耦合器22后發(fā)生干涉，經(jīng)起偏器3和第一耦合器21，由信號采集裝置8接收并進(jìn)行信號處理和分析。
本實(shí)施例中光纖為單模光纖，光纖傳感部分長度11719m，光源波長為1550nm，光源功率19dB，光纖折射率I. 5，光波速2 X 108m/s。系統(tǒng)傳感光纖部分和非傳感部分均置于隔音層中。壓電陶瓷相位調(diào)制器外加峰值為3V，調(diào)制信號為正弦電壓，頻率為84kHz和93kHz。光信號經(jīng)起偏器后輸出的光波信號在光路中傳播。函數(shù)發(fā)生器的信號通過導(dǎo)線與第一壓電陶瓷相位調(diào)制器和第二壓電陶瓷相位調(diào)制器相連，提供設(shè)定的調(diào)制正弦電壓。經(jīng)距離長度為L的傳感光纖后，經(jīng)干涉有信號接收裝置接收信號，通過光電轉(zhuǎn)換器及端口輸入到計(jì)算機(jī)中并進(jìn)行處理分析。
首先，根據(jù)不同延遲光纖長度所對應(yīng)的壓電陶瓷相位調(diào)制器的調(diào)制頻率，再用不同頻率的信號，對光纖不同地點(diǎn)進(jìn)行擾動(dòng)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3-圖5所示，分別給出了不同調(diào)制頻率條件下，不同擾動(dòng)頻率信號的瞬態(tài)頻域波形。圖3和圖4給出了 500Hz擾動(dòng)頻率的監(jiān)測信號，圖5和圖6給出了 1000Hz擾動(dòng)頻率的監(jiān)測信號，圖7和圖8給出了 2000Hz擾動(dòng)頻率的監(jiān)測信號。通過圖3-圖8信號可以看出，隨著擾動(dòng)信號頻率的增加，所檢測到的信號幅度變大，檢測效果更好。
通過上述分析可知，監(jiān)測系統(tǒng)的擾動(dòng)監(jiān)測頻率在500Hz以上均可得到較為滿意的結(jié)果，外擾動(dòng)越強(qiáng)烈，產(chǎn)生的擾動(dòng)信號頻率越高，檢測效果越好。圖9和圖10為不同位置施加擾動(dòng)的定位結(jié)果，從圖6中可以明顯看出，通過采用雙Sagnac干涉儀的管道安全監(jiān)測系統(tǒng)可以對管道沿線的外擾動(dòng)信號進(jìn)行實(shí)時(shí)地較精確定位，定位精度達(dá)到了 94%，有效地提高了管道安全的監(jiān)測效果。
權(quán)利要求
1.一種采用Sagnac環(huán)形結(jié)構(gòu)的光纖干涉儀管道安全監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于其包括光源(I)、第一耦合器(21)、第二耦合器(22)、第三耦合器(23)、第四耦合器(24、第五耦合器(25)、第六耦合器(26)、起偏器(3)、第一延遲光纖(41)、第二延遲光纖(42)、第一壓電陶瓷相位調(diào)制器(51)、第二壓電陶瓷相位調(diào)制器(52)、第一保偏器(61)、第二保偏器(62)、傳感光纖(7)以及信號采集裝置(8);光源(I)發(fā)出的激光依次通過第一耦合器(21)和起偏器(3)，再通過第二耦合器(22)分為兩路光，形成兩個(gè)光回路結(jié)構(gòu)；一路光回路為光在回路中依次經(jīng)過第一保偏器(61)，第三耦合器(23)、第一延遲光纖(41)、第四耦合器(24)、傳感光纖(7)、第五耦合器(25)、第二壓電陶瓷相位調(diào)制器(52)、第六耦合器(26)、第二保偏器(62)，另一路光回路為光在回路中依次經(jīng)過第二保偏器(62)、第六耦合器(26)、第二壓電陶瓷相位調(diào)制器(52)、第五耦合器(25)、傳感光纖(7)、第四耦合器(24)、第一延遲光纖(41)、第三耦合器(23)及第一保偏器(61)，形成正反兩個(gè)方向的傳播回路，最終兩路光均傳輸入第二耦合器(22)并在第二耦合器(22)中形成干涉光，最后由信號采集裝置(8)接收并進(jìn)行分析處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種采用Sagnac環(huán)形結(jié)構(gòu)的光纖干涉儀管道安全監(jiān)測系統(tǒng)， 其特征在于所述的作為傳感器的傳感光纖(7)采用單模光纖，沿被監(jiān)測管道鋪設(shè)，形成環(huán)狀結(jié)構(gòu)。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種采用Sagnac環(huán)形結(jié)構(gòu)的光纖干涉儀管道安全監(jiān)測系統(tǒng)， 其特征在于第一壓電陶瓷相位調(diào)制器(51)和第二壓電陶瓷相位調(diào)制器(52)為柱狀壓電陶瓷環(huán)，外表纏繞N圈的光纖，N為大于20的整數(shù)，光纖用強(qiáng)力膠固定，使光纖與壓電陶瓷環(huán)緊密成為一體；第一壓電陶瓷相位調(diào)制器(51)和第二壓電陶瓷相位調(diào)制器(52)內(nèi)外表各引有一根導(dǎo)線，導(dǎo)線標(biāo)準(zhǔn)信號發(fā)射裝置兩級相連，為第一壓電陶瓷相位調(diào)制器(51)和第二壓電陶瓷相位調(diào)制器(52)提供恒定的電壓和調(diào)制頻率。
全文摘要
本發(fā)明是一種采用雙Sagnac環(huán)形光纖干涉儀傳感器，屬于光學(xué)傳感器技術(shù)領(lǐng)域。本發(fā)明使用在沿管道鋪設(shè)的光纜作為傳感光纖，當(dāng)管道附近發(fā)生破壞性擾動(dòng)時(shí)，會(huì)在地表產(chǎn)生振動(dòng)聲源，經(jīng)由土層作為傳播介質(zhì)，對光纜中的光纖產(chǎn)生局部的振動(dòng)作用，這種振動(dòng)會(huì)對光纖中傳播的光信號進(jìn)行調(diào)制，在光纜的終端利用光信號接收轉(zhuǎn)換裝置獲得所需要的結(jié)果，并進(jìn)行數(shù)據(jù)信號分析處理和安全性評價(jià)。光纖沿管道鋪設(shè)，位于管道下方，外部為膠層保護(hù)，在激勵(lì)端和接收端引出以串聯(lián)方式連接用于激勵(lì)和接收信號。本發(fā)明可解決其它方法不能對可能的破壞性行為進(jìn)行即時(shí)監(jiān)測，無法對被破壞或擾動(dòng)地點(diǎn)進(jìn)行即時(shí)定位的現(xiàn)狀，使監(jiān)測時(shí)間、范圍和判斷精度得到了有效的提升。
文檔編號F17D5/02GK102913761SQ20121044938
公開日2013年2月6日 申請日期2012年11月12日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月12日
發(fā)明者何存富, 阮力, 馮沛珮, 宋國榮, 吳斌 申請人:北京工業(yè)大學(xué)