CN104595727B - 基于分布式光纤光栅传感网络的管道冲击与泄漏定位方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于分布式光纤光栅传感网络的管道冲击与泄漏定位方法，属于光纤传感器的传感应用技术领域。在该方法中，以悬臂梁结构为基础，结合两个性能参数相同的FBG构建传感探头；依据探头两侧FBG所处环境温度相同、应变不同消除环境温度干扰，同时提高传感探头的灵敏性；采用聚合物与弹性塑料薄膜结合，构建泄漏检测感应层；使用光滑易弯曲的金属丝传导微小形变，解决传统FBG管道检测传感器安装位置的局限性，同时提高了传感系统的灵敏性；以探头两侧FBG波长漂移量的差值作为传感信号，通过寻找传感信号变化量最大的两个探头，并结合探头间距离实现险情点定位。

Description

基于分布式光纤光栅传感网络的管道冲击与泄漏定位方法

技术领域

本发明属于光纤传感器的传感应用技术领域，涉及一种基于分布式光纤光栅传感网络的管道冲击与泄漏定位方法。

背景技术

光纤布拉格光栅(Fiber Bragg grating,FBG)传感器具有体积小、灵敏度高、动态范围宽、抗电磁干扰、耐腐蚀、可靠性高、易串接复用和不影响宿主材料结构特性等优点，广泛应用于航空航天、舰船工业、土木工程、石化工业、核工业及医学工程等领域。

随着我国经济的发展，建立了大量的输油管道用于油气等能源的输送。由于管道老化、自然灾害和非法入侵等原因导致泄漏事件屡有发生，不仅对环境产生了重大的污染，也使人们的生命财产蒙受巨大的损失，因此，设计一种安全可靠的管道冲击及泄漏定位传感系统意义重大。

目前，国内外很多研究者开始将FBG应用于管道安全性检测，以实现对管道系统长期、分布式的实时在线监控。FBG传感器由于其特殊的物理结构使其具有对温度和应变敏感的特性，当外界应力或温度发生改变会引起FBG反射光谱中心波长的偏移，因此，通过检测其中心波长的漂移量可以获得FBG所处环境的变化。依据FBG对应变敏感的特性，针对管道泄漏检测已经出现了多种检测方法，根据其原理可分为直接检测法和间接检测法。直接检测法主要采用在FBG传感器外部涂抹与管道内输送物质发生溶胀反应的聚合物，当发生泄漏时，泄露出的物质与FBG表面聚合物发生反应引起应变，通过检测FBG反射光谱中心波长的漂移实现对泄漏点检测与定位，该方法对FBG的安放位置要求较高，一般须将其放置于管道底部，确保泄漏出的物质能与FBG表面聚合物接触，同时，为了实现监测的实时性，需要在管道沿线铺设密集的传感器，传感系统成本较高；间接检测法主要结合光纤的微弯效应在光栅间的光纤上附着对管内输送物质敏感的聚合物，当泄漏发生时，聚合物接触泄露出的物质发生膨胀反应引起光纤弯曲，导致泄漏点后面的FBG反射光强显著下降，以此来检测泄漏险情并定位泄漏点，此方法有效减少了传感器的使用数，降低了检测系统成本，但其定位精度受到了严重的影响。同时，由于FBG对温度和应变均十分敏感，现有的FBG检测方法大多没有考虑环境温度变化对检测结果的影响，导致传感系统测量精度不高，而且很难对外部冲击等因素造成的管道结构性损伤进行隐患点预警定位。因此本发明提出一种具有温度补偿功能的FBG管道冲击与泄漏定位方法。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于分布式光纤光栅传感网络的管道冲击与泄漏定位方法，可以用于检测与定位石油、天然气和液化气等输送管道的冲击及泄漏险情。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于分布式光纤光栅传感网络的管道冲击与泄漏定位方法，在该方法中，采用带温度补偿功能的高灵敏度传感探头对信号进行检测，并构建泄漏感应与传感网络，将多个传感探头串接复用实现分布式传感检测，通过检测FBG反射光谱中心波长漂移量判断险情并确定出损伤点与泄漏点的位置，以此实现险情点的检测与定位。

进一步，以弹簧薄片和支撑钢片构造的悬臂梁结构为基础构造FBG传感探头，消除环境温度干扰，提高传感系统灵敏性，具体包括以下步骤：

1)选取一块薄的弹簧片，在其两侧沿长轴方向分别对称粘贴两个钢片构成保护凹槽，用于保护FBG，同时便于传感探头的固定，以此构造悬臂梁结构；

2)使用粘合剂(如环氧树脂等)将两个传感参数相同的FBG分别粘贴于弹簧片两侧的凹槽内，构建传感探头。

进一步，在构建泄漏感应与传感网络时，采用聚合物与弹性塑料薄膜构成管道泄漏检测感应层，使用光滑易弯曲的金属丝传导微小应力。从而解决了传统FBG漏油检测传感器安放位置的局限性，减少了FBG的使用数量，为分布式FBG传感网络的构建提供了可能。

进一步，所述带温度补偿功能的传感探头由于两个FBG对称粘覆于弹簧片两侧，其所受环境温度影响相同，而当弹簧片发生弯曲时，弹簧片两侧FBG受到的应力大小相同，方向相反，依此消除温度扰动引起的测量误差，同时提高传感系统灵敏性；具体包括：

1)将传感探头固定在管道上，当弹簧片受力弯曲时，粘覆于两侧的FBG受到的大小相同，方向不同的应力ΔF作用，引起其反射光谱中心波长漂移；

2)解调获得两个FBG中心波长的漂移量Δλ_FBG1与Δλ_FBG2；

3)两个FBG所处环境温度相同，由FBG传感原理及材料力学相关公式可以推导出两个FBG波长漂移量的差值如下式所示：

Δλ_FBG1-Δλ_FBG2＝2(1-p_e)kλ₀ΔF

其中，p_e为有效弹光系数，λ₀为FBG原始中心波长，对于给定的传感探头构建材料k为常数，得出不受温度影响的中心波长漂移量差值与应力间的关系式，实现温度补偿。实现温度补偿，并最终获得波长漂移量与应力的关系，不是以传统单个FBG的波长漂移量作为传感信号，而是将两个FBG波长漂移量的差值作为传感信号，以此获得与应力变化量的线性关系。

进一步，在构建泄漏感应与传感网络，对管道泄漏进行感应与应力传导时，采用以下步骤：

1)在管道外侧均匀涂抹一层可与管内输送物质发生溶胀反应的聚合物，并在其外侧包裹一层不与管内物质反应的弹性塑料薄膜，构成管道泄漏检测感应层；

2)使用一根光滑易弯曲的金属丝均匀缠绕于感应层外侧，遇到传感探头时，金属丝只压覆于弹簧片两端，以此将微小的形变传导给弹簧片，提高传感系统的灵敏性，同时解决了传统FBG管道检测传感器安放位置的局限性。

进一步，利用传感探头上两个FBG中心波长漂移量的差值作为检测与定位险情点的传感信号，传感信号变化量最大的两个传感探头间的区域为险情区域，险情点的准确位置由下式计算获得：

$S_A=(1-\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_A}{{\mathrm{\Δ\λ}}_A+{\mathrm{\Δ\λ}}_B})L_{\mathrm{AB}}$

其中，S_A为险情点距探头A的距离，L_AB为探头A与B之间的距离，Δλ_A与Δλ_B分别为探头A与B上两个FBG中心波长漂移量的差值。

所提传感探头的结构设计及特殊的应力传导方式，可扩展应用于长周期光纤光栅、马赫泽德干涉仪等光纤传感器管道健康检测系统中，同时，通过选用不同的感应层聚合物可满足石油、天然气、液化气等不同输送管道安全性检测的要求。

本发明的有益效果在于：本发明所述方法首先以弹簧片为基础构建传感探头，在消除环境温度扰动对传感精度影响的同时提高了传感系统的灵敏性；采用特殊的感应与信号传导方式，将微小的信号集中传导于传感探头上，解决了传统FBG管道检测传感器安放时的位置局限性，同时减少了传感器的使用量，以较低的成本满足了管道冲击与泄漏定位的技术要求。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为FBG管道损伤定位与泄漏检测系统结构示意图；

图2为传感探头结构示意图；

图3为传感系统剖面示意图；

图4为泄漏检测与定位示意图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

如图1为FBG管道冲击与泄漏定位系统结构示意图，如图所示，其具体实施步骤如下：

1、制作传感探头。选取一片较薄的弹簧片，使用粘合剂(如丙烯酸酯等)在其两侧中心位置沿轴向对称粘贴两个小钢片，构成两个起保护与支撑作用的凹槽，如图2所示，选取两个传感参数相同的FBG传感器，使用粘合剂(如环氧树脂等)将两个传感器分别粘于弹簧片两侧。

2、环境温度干扰的消除。

FBG反射光谱中心波长漂移量Δλ与其所受轴向应力变化量Δε、温度变化量ΔT之间的关系如式(1)所示：

$\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{\mathrm{\λ}}=(1-p_e)\mathrm{\Δ\ϵ}+(a_f+\mathrm{\ξ})\mathrm{\ΔT}---\left(1\right)$

其中，λ为FBG原始中心波长，p_e为有效弹光系数，a_f为热膨胀系数，ξ为热光系数。

由材料力学相关知识可得传感探头所受应力F与其应变量ε之间的关系如式(2)所示：

ε＝kF (2)

其中，k为常数，由所选材料的性能参数和传感探头的结构特性决定。将式(2)代入式(1)中，并整理可得式(3)：

Δλ＝[(1-p_e)kΔF+(a_f+ξ)ΔT]λ (3)

由于传感探头中选取的两个FBG参数相同，则其原始中心波长λ相同，可由λ₀表示。两个FBG分别粘贴于弹簧片两侧，弹簧片的应变量即为FBG的应变量，当弹簧片受力弯曲，则粘覆于弹簧片正面的FBG₁被拉伸，背面FBG₂被压缩，可认为其所受的应力大小相同方向相反，且所处环境温度相同，则两个FBG波长漂移量与应力变化量、温度变化量之间的关系分别为式(4)与式(5)所示：

Δλ_FBG1＝[(1-p_e)kΔF+(a_f+ξ)ΔT]λ₀ (4)

Δλ_FBG2＝[-(1-p_e)kΔF+(a_f+ξ)ΔT]λ₀ (5)

将式(4)与式(5)相减可得式(6)：

Δλ_FBG1-Δλ_FBG2＝2(1-p_e)kλ₀ΔF (6)

由式(6)可以看出环境温度的变化与两个FBG中心波长漂移量差值之间没有关系，同时，对于同样大小的应力作用，漂移量的差值是单个FBG波长漂移量的2倍，提高了传感系统的灵敏性。可将式(6)化简为式(7)：

Δλ_FBG1-Δλ_FBG2＝cΔF (7)

其中，c＝2(1-p_e)kλ₀，对于给定的传感系统，c为常数。

3、传感系统的构建

3.1设计管道感应层。在管道外侧均匀涂抹一层可与管内物质发生溶胀反应的聚合物(如三元丙橡胶等)，并在其外层包裹不与管内物质反应的弹性塑料薄膜构成管道泄漏检测感应层。

3.2安装传感探头。在感应层上打孔使FBG传感探头一侧的钢片可与管道外侧直接接触。使用粘合剂(如丙烯酸酯等)将传感探头一侧的钢片粘贴于管道上，起到固定传感探头的作用。

3.3布置应力传导线。如图3所示，使用一根光滑易弯曲的金属丝沿管道均匀缠绕于感应层外侧，遇传感探头时，金属丝只压覆于弹簧片两端，避免其与FBG及传导光纤直接作用。

4、冲击与泄漏定位

4.1构建传感网络。选取多组中心波长不同的FBG制作多个传感探头，构成串联复用式传感网络，并将其以一定间距安装于输油管道沿线。

4.2险情检测。如图4所示，当管道发生泄漏，聚合物与泄漏出的物质接触发生溶胀反应，拉伸金属丝将感应层微小的形变传导至传感探头，引起弹簧片弯曲；若外部冲击导致管道产生结构性损伤，会拉伸金属丝引起弹簧片弯曲。弹簧片的形变对粘覆于其表面的FBG产生力的作用，则在信号检测端会检测到传感器反射光谱中心波长发生漂移，以此检测出险情。

4.3结构冲击损伤及泄漏点定位。由于起应力传导作用的金属丝为一个整体，同时作用于多个传感探头，因此当有险情发生时，会引起多个传感探头反射信号中心波长发生漂移，选出波长漂移量差值最大的两个传感探头A与B，则探头A与B之间的区域为结构冲击损伤及泄漏点定位区域，险情点的准确位置可由式(9)计算获得：

$S_A=(1-\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_A}{{\mathrm{\Δ\λ}}_A+{\mathrm{\Δ\λ}}_B})L_{\mathrm{AB}}---\left(9\right)$

其中，S_A为险情点距探头A的距离，L_AB为探头A与B之间的距离，Δλ_A与Δλ_B分别为探头A与B上两个FBG中心波长漂移量的差值。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (3)

1.一种基于分布式光纤光栅传感网络的管道冲击与泄漏定位方法，其特征在于：在该方法中，采用带温度补偿功能的高灵敏度传感探头对信号进行检测，并构建泄漏感应与传感网络，将多个传感探头串接复用实现分布式传感检测，通过检测FBG反射光谱中心波长漂移量判断险情并确定出损伤点与泄漏点的位置，以此实现险情点的检测与定位；

以弹簧薄片和支撑钢片构造的悬臂梁结构为基础构造FBG传感探头，消除环境温度干扰，提高传感系统灵敏性，具体包括以下步骤：

1)选取一块薄的弹簧片，在其两侧沿长轴方向分别对称粘贴两个钢片构成保护凹槽，用于保护FBG，同时便于传感探头的固定，以此构造悬臂梁结构；

2)使用粘合剂将两个传感参数相同的FBG分别粘贴于弹簧片两侧的凹槽内，构建传感探头；

在构建泄漏感应与传感网络时，采用聚合物与弹性塑料薄膜构成管道泄漏检测感应层，使用光滑易弯曲的金属丝传导微小应力；

所述带温度补偿功能的传感探头由于两个FBG对称粘覆于弹簧片两侧，其所受环境温度影响相同，而当弹簧片发生弯曲时，弹簧片两侧FBG受到的应力大小相同，方向相反，依此消除温度扰动引起的测量误差，同时提高传感系统灵敏性；具体包括：

1)将传感探头固定在管道上，当弹簧片受力弯曲时，粘覆于两侧的FBG受到的大小相同，方向不同的应力ΔF作用，引起其反射光谱中心波长漂移；

2)解调获得两个FBG中心波长的漂移量Δλ_FBG1与Δλ_FBG2；

3)两个FBG所处环境温度相同，由FBG传感原理及材料力学相关公式可以推导出两个FBG波长漂移量的差值如下式所示：

Δλ_FBG1-Δλ_FBG2＝2(1-p_e)kλ₀ΔF

其中，p_e为有效弹光系数，λ₀为FBG原始中心波长，对于给定的传感探头构建材料k为常数，得出不受温度影响的中心波长漂移量差值与应力间的关系式，实现温度补偿。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤光栅传感网络的管道冲击与泄漏定位方法，其特征在于：在构建泄漏感应与传感网络，对管道泄漏进行感应与应力传导时，采用以下步骤：

1)在管道外侧均匀涂抹一层可与管内输送物质发生溶胀反应的聚合物，并在其外侧包裹一层不与管内物质反应的弹性塑料薄膜，构成管道泄漏检测感应层；

2)使用一根光滑易弯曲的金属丝均匀缠绕于感应层外侧，遇到传感探头时，金属丝只压覆于弹簧片两端，以此将微小的形变传导给弹簧片，提高传感系统的灵敏性，同时解决了传统FBG管道检测传感器安放位置的局限性。

3.根据权利要求1所述的一种基于分布式光纤光栅传感网络的管道冲击与泄漏定位方法，其特征在于：利用传感探头上两个FBG中心波长漂移量的差值作为检测与定位险情点的传感信号，传感信号变化量最大的两个传感探头间的区域为险情区域，险情点的准确位置由下式计算获得：

$S_A=(1-\frac{{\mathrm{\Δ\λ}}_A}{{\mathrm{\Δ\λ}}_A+{\mathrm{\Δ\λ}}_B})L_{AB}$

其中，S_A为险情点距探头A的距离，L_AB为探头A与B之间的距离，Δλ_A与Δλ_B分别为探头A与B上两个FBG中心波长漂移量的差值。