CN108398211B - 基于外部源定位的分布式光纤漏水传感器及漏水检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于外部源定位的分布式光纤漏水传感器及漏水检测方法，该分布式光纤漏水传感器由柔性LED灯带、POF光纤以及光功率计构成，POF光纤一侧边被加工了一系列光耦合结构，每个光耦合结构对应一个LED激励光源，构成一个光纤漏水敏感探头；其中光耦合结构指外侧加工的结构缺陷、垂直耦合光栅或者长周期光纤光栅等，POF光纤左侧连接有前向光功率计，右侧连接有后向光功率计。该传感器的漏水检测方法为：两端光功率计随着LED光源的扫描按序输出一系列脉冲，当出现漏水事件时，测漏点对应的脉冲会发生突变，即可判断漏水事件发生的位置。该传感器实现了漏水事件的高精度定位，实现了漏水事件的高实时性监测，且结构简单、成本也较低。

Description

基于外部源定位的分布式光纤漏水传感器及漏水检测方法
技术领域
本发明涉及漏水传感器领域，具体为一种基于外部源定位的分布式光纤漏水传感器及漏水检测方法，适用于化工液体、管道输送等的漏液传感。
背景技术
现有的光纤分布式传感技术普遍存在以下问题：1、普遍存在测量盲区；2、仅对应力和温度变化敏感，不能直接测量折射率的阶跃变化（例如漏水事件），需要依靠特殊材料耗费一定时间将漏水转化为应力或者温度变化，极大的影响测量的实时性；3、数据分析处理机制复杂，同样影响测量实时性。此外，现有的液漏传感器定位精度普遍大于±0.5m，并且受限于各种约束条件，在原有技术框架内，很难实现大幅度的提升。因而，本发明的目的，即是在实时监测折射率变化的同时，大幅度提升漏水传感器的定位精度。
发明内容
本发明为了解决现有的漏液传感器定位精度低，实时性差的问题，提供了一种基于外部源定位的分布式光纤漏水传感器及漏水检测方法。
本发明是通过如下技术方案来实现的：一种基于外部源定位的分布式光纤漏水传感器，包括柔性LED灯带和POF光纤，所述POF光纤的一侧边设置有一系列光耦合结构，并且每个光耦合结构处对应一个LED激励光源，每个光耦合结构和对应的一个LED激励光源形成一个光纤漏水敏感探头；所述POF光纤左侧连接有前向光功率计，右侧连接有后向光功率计。
本发明的分布式光纤漏水传感器由柔性LED灯带、POF光纤以及光功率计构成，POF光纤一侧边被加工了一系列光耦合结构，每个光耦合结构对应一个LED激励光源，构成一个光纤漏水敏感探头；这些光耦合结构可以改变外部光源在POF光纤中的传播路径，使一部分光从直接透射改变为沿光纤两侧传播，这部分耦合进来的光受光源与光纤之间环境介质的折射率调制。在POF光纤的两侧分别设有前向光功率计和后向光功率计，光传播到两个光功率计，观察光功率计的脉冲是否突变，来检测各个漏水点的漏水响应。
一种基于外部源定位的分布式光纤漏水传感器的漏水检测方法，具体操作为：使分布式光纤漏水传感器的光纤漏水敏感探头与所测液体承载物件紧密接触，当柔性LED灯带从左到右按序扫描时，我们规定左边的光功率计为前向光功率计，右边的光功率计为后向光功率计；两端光功率计随着LED光源的扫描按序输出一系列脉冲，每个脉冲代表一个测漏点；当出现漏水事件时，测漏点感应到水后，其对应的脉冲会发生突变，而由脉冲所处位置可判断漏水事件发生的位置，这就是该分布式漏水传感器的定位原理。
优选的，光耦合结构一般指缺陷结构、垂直耦合光栅或者长周期光纤光栅，但是并不限于此三种结构。
优选的，所述POF光纤侧边的光耦合结构为非对称性光耦合结构，通过实验我们发现对于对称性光耦合结构，前向光功率计与后向光功率计遇水两端输出均下降，而非对称性光耦合结构，遇水则前向光功率计输出上升、后向光功率计输出下降。由于可见光等干扰会使两端光功率计的输出同时上升或下降，因此我们可以选择非对称性光耦合结构来消除可见光干扰。
优选的，所述POF光纤的另一侧边位于光耦合结构的背面涂覆有反光材料，可以实现类似高反膜的功能，提高了侧边耦合率，即两端光功率计输出脉冲的强度，例如硅胶。
优选的，所述光耦合结构处填充有可逆性吸湿材料，所述可逆性吸湿材料折射率随着温度的增加而上升，可以进一步提高光纤漏水敏感探头的漏水敏感度，例如琼脂糖。
与现有技术相比本发明具有以下有益效果：首次提出一种基于柔性LED灯带的外部源耦合的分布式光纤漏水传感方法，POF光纤上每个测漏点（光耦合结构）对应一个LED光源，柔性LED灯带以一定时序重复扫描，通过监测POF两端的功率输出可发现每个测漏点对应一个输出脉冲，当测漏点遇水时，测漏点处环境折射率发生变化，耦合率随之变化，则脉冲强度突变，而由脉冲位置可直接得到测漏点的具体位置。该方法既可以实时监测折射率的变化（漏水事件），又可以以一种低成本、结构简单的方法实现高精度漏水定位。利用该新型结构，不仅使整个传感系统具备抗电磁干扰，成本低、非电测量等普通光纤传感器的优点，更可以满足在复杂空间结构内任意布置的检测需求。未来可以应用于通讯、邮电、金融系统及图书馆、博物馆、档案馆、机场、油库以及石油、石化、药业等行业的漏水检测。
附图说明
图1为本发明的结构正视图。
图2为本发明的结构俯视图。
图3为本发明的光纤漏水敏感探头结构示意图。
图4为本发明具体实施例前向光功率计的漏水响应图。
图5为本发明具体实施例后向光功率计的漏水响应图。
图6为本发明具体实施例前向功率计各测漏点的漏水响应图。
图7为本发明具体实施例后向功率计各测漏点的漏水响应图。
图中标记如下：
1-柔性LED灯带，2-POF光纤，3-前向光功率计，4-后向光功率计，5-硅胶。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种基于外部源定位的分布式光纤漏水传感器，如图1、图2和图3所示：包括柔性LED灯带1和POF光纤2，所述POF光纤2的一侧边设置有一系列光耦合结构，并且每个光耦合结构处对应一个LED激励光源，每个光耦合结构和对应的一个LED激励光源形成一个光纤漏水敏感探头；所述POF光纤2左侧连接有前向光功率计3，右侧连接有后向光功率计4。
基于外部源定位的分布式光纤漏水传感器的漏水检测方法，包括如下步骤：
（1）使分布式光纤漏水传感器的光纤漏水敏感探头与所测液体承载物件紧密接触，使柔性LED灯带1从左到右按序扫描，即从左到右按序发亮；
（2）观测POF光纤2左侧的前向光功率计3和后向光功率计4，同时结合LED扫描时序，进行分析：当出现漏水事件，水流到光纤漏水敏感探头上时，柔性LED灯带扫描到漏水点，该点的脉冲输出发生突变，实现实时测量，即前向光功率计3和后向光功率计4的响应发生突变；再结合柔性LED灯带的扫描时序，确定具体的第几个脉冲发生突变，即可得知漏水事件的发生与发生的精确位置。
所述光耦合结构为缺陷结构、垂直耦合光栅或者长周期光纤光栅。本实施例选用了优选方案，POF光纤2侧边的光耦合结构为非对称性光耦合结构，具体为非对称性结构缺陷；POF光纤2的另一侧边位于光耦合结构的背面涂覆有反光材料，本实施例中的反光材料选用了硅胶；光耦合结构处填充有可逆性吸湿材料，本实施例中的可逆性吸湿材料为琼脂糖。
本实施例通过监测传感带两端光功率计的输出，再结合LED扫描时序，我们可监测漏水事件的发生以及精确的漏水位置。假设我们需要监测1m长范围内的漏水事件，定位精度为±20cm，可选1.4m长POF光纤的中间段1m长为敏感区域，每隔20cm设置一个测漏点，共六个测漏点，从左到右依次为1号测漏点、2号测漏点、……、6号测漏点。如图4和图5所示，当柔性LED灯带1按序扫描时，传感带两端的光功率计在每个测漏点处都会有固定输出脉冲，即脉冲位置与测漏点一一对应。若出现漏水事件，当柔性LED灯带1扫描到漏水点时，该点的脉冲输出就会发生突变，从而实现漏水事件的实时测量，再结合LED灯带扫描时序，就可以确定具体的漏点位置。图4和图5为6号测漏点的漏水响应输出，前向光功率计3遇水输出上升，后向光功率计4遇水输出下降，再结合扫描时序确定脉冲的位置为第六个脉冲，则可获知漏水事件的发生与精确位置。
图6和图7为1m长传感带各测漏点的漏水响应，通过在POF光纤2的另一侧边位于非对称性结构缺陷的背面涂覆硅胶5以及缺陷处填充可逆性吸湿材料琼脂糖，经过对比，发现填充了琼脂糖后，光纤敏感结构的侧边耦合率与漏水响应敏感度均大幅提升。
本发明要求保护的范围不限于以上具体实施方式，对于本领域技术人员而言，本发明可以有多种变形和更改，凡在本发明的构思与原则之内所作的任何修改、改进和等同替换都应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种基于外部源定位的分布式光纤漏水传感器的漏水检测方法，其特征在于：包括柔性LED灯带（1）和POF光纤（2），所述POF光纤（2）的一侧边设置有一系列光耦合结构，并且每个光耦合结构处对应一个LED激励光源，每个光耦合结构和对应的一个LED激励光源形成一个光纤漏水敏感探头，所述光耦合结构为缺陷结构、垂直耦合光栅、长周期光纤光栅或者非对称性的光耦合结构；所述POF光纤（2）左侧连接有前向光功率计（3），右侧连接有后向光功率计（4）；
所述分布式光纤漏水传感器的漏水检测方法，包括如下步骤：
（1）POF光纤（2）的一侧边设置有一系列光耦合结构，并且每个光耦合结构处对应一个LED激励光源，每个光耦合结构和对应的一个LED激励光源形成一个光纤漏水敏感探头；使分布式光纤漏水传感器的光纤漏水敏感探头与所测液体承载物件紧密接触，使柔性LED灯带（1）从左到右按序扫描，即从左到右按序发亮；
（2）观测POF光纤（2）左侧的前向光功率计（3）和后向光功率计（4），同时结合LED扫描时序，进行分析：当出现漏水事件，水流到光纤漏水敏感探头上时，柔性LED灯带扫描到漏水点，该点的脉冲输出发生突变，实现实时测量，即前向光功率计（3）和后向光功率计（4）的响应发生突变；再结合柔性LED灯带的扫描时序，确定具体的第几个脉冲发生突变，即可得知漏水事件的发生与发生的精确位置。
2.根据权利要求1所述的基于外部源定位的分布式光纤漏水传感器的漏水检测方法，其特征在于：所述POF光纤（2）的另一侧边位于光耦合结构的背面涂覆有反光材料。
3.根据权利要求2所述的基于外部源定位的分布式光纤漏水传感器的漏水检测方法，其特征在于：所述反光材料为硅胶（5）。
4.根据权利要求1所述的基于外部源定位的分布式光纤漏水传感器的漏水检测方法，其特征在于：所述光耦合结构处填充有可逆性吸湿材料。
5.根据权利要求4所述的基于外部源定位的分布式光纤漏水传感器的漏水检测方法，其特征在于：所述可逆性吸湿材料为琼脂糖。
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