CN108489376B - 一种基于分布式同轴电缆电栅应变传感器的管道监测预警系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于分布式同轴电缆电栅应变传感器的管道监测预警系统，涉及应力应变监测及管道变形监测系统技术领域，包括分布式同轴电缆电栅应变传感器、分布式解调仪、监测系统分站、云端服务器及远程监测中心工作站，所述分布式解调仪与分布式同轴电缆电栅应变传感器数据连接，所述监测系统分站与分布式解调仪数据连接，所述监测系统分站通过GPRS传输模块将数据传输至云端服务器，所述远程监测中心工作站与云端服务器通过互联网数据连接。所述管道监测预警系统实现了真正意义上的大量程、全覆盖、低成本的实时管道监测预警，避免管道因地质灾害引发的大规模破坏和次生灾害的发生，实用性高。

Description

一种基于分布式同轴电缆电栅应变传感器的管道监测预警 系统

技术领域：

本发明涉及一种基于分布式同轴电缆电栅应变传感器的管道监测预警系统，涉及应力应变监测及管道变形监测系统技术领域。

背景技术：

长输管道运营距离长，不可避免需要穿越地质灾害分布密集的区域，所面临的管道滑坡等地质灾害问题十分严峻。特别是长距离在山区敷设的管道，管道滑坡灾害问题迅速凸现，日益严重，地质灾害已经成为管道安全运营的主要风险源之一。

地质灾害是指在自然或者人为因素的作用下形成的，对人类生命财产、环境造成破坏和损失的地质作用（现象）。如地震、滑坡、地面沉降、土地冻融等，地质灾害发生时管道周围岩土构造的应力状态发生变化，并作用于管道本体，使其受力发生形变，产生应力损坏，地质灾害区域管道的安全运营因此遭到严重威胁。

目前国内外管道地质灾害监测系统由管道本体监测和管道外围监测组成。管道本体监测主要是管道形变监测；管道外围监测分为管道外围土体位移监测和地震强震动监测。其中，管道本体监测是根本，能够切实反应管道当前工况。

管道本体监测是选取灾害体内管道重要管段进行管体应力应变监测，以反映管道监测截面上的应力应变状态，特别是管道轴向应变的变化。通过监测可准确掌握管道在地灾体内的真实受力及变形情况。国内外技术多选用传统电阻应变片、振弦式应变计、光纤光栅应变计等，传统应变计量程小、标距短，量程一般最大0.3%即3000µε，不能满足特殊地段大应变管道监测需要；标距一般≤200mm，为“点”应变测量或“局部”应变测量，只能监测一点应变或标距内局部一小段应变，不能反映管道整体应变情况；国内外有BOTDR分布式光纤管道应变监测的论文资料报导，但实际工程应用很少，施工存活率、实用性有待考证。

综上所述，目前国内外地质灾害管道本体监测技术主要指标及缺憾为：1）、管道形变监测的应变传感器：量程小，一般最大0.3%（3000µε），传统应变计量程较低，不能满足穿越地质灾害地区管道大应变监测需要；2）、标距短≤200mm，为点应变测量或局部应变测量，只能监测一点应变或标距内局部一小段应变，不能反映管道整体情况；3）、安装时需要破坏防腐层，工程施工成活率较低，大多监测系统因应变传感器量程不够而损坏，导致系统失效，无法正常运行。

发明内容：

本发明所要解决的技术问题是：提供一种大量程、关键管段全覆盖监测、低成本的长距离、大范围管道形变监测预警方法和系统。

为了解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于分布式同轴电缆电栅应变传感器的管道监测预警系统，包括分布式同轴电缆电栅应变传感器、分布式解调仪、监测系统分站、云端服务器及远程监测中心工作站，所述分布式解调仪与分布式同轴电缆电栅应变传感器数据连接，所述监测系统分站与分布式解调仪数据连接，所述监测系统分站通过GPRS传输模块将数据传输至云端服务器，所述远程监测中心工作站与云端服务器通过互联网数据连接。

作为优选，所述分布式同轴电缆电栅应变传感器的数量设置为多根且按间距沿管道轴向方向设置。

作为优选，所述分布式同轴电缆电栅应变传感器的数量设置为三根，且相邻的两根分布式同轴电缆电栅应变传感器与管道轴线所在的两个平面之间的夹角角度设置为90°或120°。

作为优选，所述分布式同轴电缆电栅传感器的输入端SMA接头连接分布式解调仪的输出SMA接口，分布式解调仪具有RS485接口且经RS485总线连接监测系统分站，所述监测系统分站的GPRS传输模块通过TCP/IP协议将监测数据实时传送至云端服务器，远程监测中心工作站通过互联网实时读取云端服务器的监测数据，并实时发布监测信息。

作为优选，所述分布式同轴电缆电栅传感器的基材设置为能够传输射频信号的同轴电缆或者能够传输射频信号的微带线或波导或双绞线。

作为优选，所述分布式同轴电缆电栅传感器包括传感器温补段、传感器实测段以及反射点，所述传感器温补段、传感器实测段之间通过反射点相互连接。

作为优选，所述传感器实测段预拉伸后用特种弹性耐候结构胶粘贴固化在管道外表面，所述传感器温补段紧贴管道外表面，所述传感器首段外部套接有穿线管并连接于分布式解调仪的相应端口，所述反射点两端通过固定滑块紧固于管道外表面，所述固定滑块外部通过卡箍固定于管道的外管体上。

作为优选，所述分布式同轴电缆电栅传感器设置为大标距传感器，其标距在0.5m-100m范围内可任意设置。

作为优选，所述分布式同轴电缆电栅传感器设置为大量程传感器，其应变测量量程设置为大于3%。

作为优选，所述分布式同轴电缆电栅传感器固化于管道表面的防腐层的外表面，不需要破坏防腐层。

与现有技术相比，本发明的有益之处是：所述基于分布式同轴电缆电栅应变传感器的管道监测预警系统基于光纤传感理论及光子带隙晶体理论，采用分布式同轴电缆电栅传感技术，对地质灾害影响下的管道关键段进行全覆盖实时监测，监测内容是地质灾害对管道的应力应变监测，并构建了监测系统，实现了数据的实时自动采集、远程传输和自动分析，而且能够胜任恶劣服役条件、耐久性好、寿命长，抗干扰能力强、能承受更大张力，易于实现地质灾害引起的管道应力应变的实时自动采集分析及远程监测，实现了真正意义上的大量程、全覆盖、低成本的实时管道监测预警，避免管道因地质灾害引发的大规模破坏和次生灾害的发生，实用性高。

附图说明：

下面结合附图对本发明进一步说明：

图1是本发明的整体结构示意图；

图2是本发明的分布式同轴电缆电栅应变传感器安装时的部分结构示意图；

图3是本发明的本发明的分布式同轴电缆电栅应变传感器安装时的横切面的结构示意图；

图4是本发明的流程示意图。

具体实施方式：

下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围：

如图1、图4所示的一种基于分布式同轴电缆电栅应变传感器的管道监测预警系统，包括分布式同轴电缆电栅应变传感器2、分布式解调仪6、监测系统分站7、云端服务器9及远程监测中心工作站11。

所述分布式解调仪6与分布式同轴电缆电栅应变传感器2数据连接，所述监测系统分站7与分布式解调仪6数据连接，所述监测系统分站7通过GPRS传输模块8将数据传输至云端服务器9，所述远程监测中心工作站11与云端服务器9通过互联网数据连接，在具体应用中，所述分布式同轴电缆电栅传感器2的输入端SMA接头连接分布式解调仪6的输出SMA接口，分布式解调仪6具有RS485接口且通过RS485总线连接监测系统分站7，所述监测系统分站7的GPRS传输模块8通过TCP/IP协议将监测数据实时传送至云端服务器9，远程监测中心工作站11通过互联网实时读取云端服务器9的监测数据，并实时发布监测信息。

为提高监测效果，所述分布式同轴电缆电栅应变传感器2的数量设置为多根且按间距沿管道1轴向方向设置，且所述分布式同轴电缆电栅应变传感器2的数量设置为三根，且相邻的两根分布式同轴电缆电栅应变传感器2与管道1轴线所在的两个平面之间的夹角角度设置为90°或120°，由于地质灾害无论是滑坡还是地震，多因为土体变形位移形成较宽较大范围的荷载和冲击力，导致管道受力变形，管道因受力可发生拉伸、压缩、沉降、凸起的变形，因此对管道轴向按90°或120°进行传感器的布设可以很好的判断管道的受力变形状态，提高管道监测效果。

进一步地，所述分布式同轴电缆电栅传感器2的基材设置为能够传输射频信号的同轴电缆或者能够传输射频信号的微带线或波导或双绞线。

在本实施例中，所述分布式同轴电缆电栅传感器2固化于管道表面的防腐层的外表面，且所述分布式同轴电缆电栅传感器2包括传感器首段14、传感器温补段13、传感器实测段15以及反射点3，所述传感器首段14、传感器温补段13、传感器实测段15之间通过反射点3相互连接，且作为优选实施方案，为进一步提高传感器布设固定时的稳定性，如图2、图3所示，所述传感器实测段15预拉伸后用特种弹性耐候结构胶粘贴固化在管道1外表面，所述传感器温补段13紧贴管道外表面，所述传感器首段14外部套接有穿线管并连接于分布式解调仪6的相应输出端口，所述反射点3两端通过固定滑块5紧固于管道外表面，所述固定滑块5外部通过卡箍4固定于管道1的外管体上。

另外，分布式同轴电缆电栅传感器2设置为大标距传感器，其标距大于0.5m，作为优选实施方案，在本实施例中，其标距可以在0.5m-100m范围内任意设置。

所述分布式同轴电缆电栅传感器2设置为大量程传感器，其应变测量量程设置为大于3%，作为优选实施方案，在本实施例中，其应变测量量程可以设置为3%-10%。

在实际安装过程中，沿管道轴向按90°或120°布设三根分布式同轴电缆电栅应变传感器，在布设传感器时，管道外表面要确保平滑、干净、无水，分布式同轴电缆电栅应变传感器的传感器实测段要预拉伸1%左右，紧贴管道外表面进行布设；然后用特种弹性耐候密封胶将传感器固化在管道外表面；分布式同轴电缆电栅应变传感器的传感器温补段紧贴管道外表面布设，但不需要用胶固化在管道外表面；传感器首段不固定在管道上，在其外部套接穿线管予以保护并连接于分布式解调仪相应输出端口，因而，在实际应用时，由于分布式同轴电缆电栅应变传感器实测段紧贴于管道外表面，相当于与管道是一体的，当管道因受力发生拉伸、压缩、扭曲、剪切等变形时，都会引起分布式同轴电缆电栅应变传感器实测段的形变，从而导致实测段的分布式同轴电缆电栅反射谱的改变，通过分布式解调仪对分布式同轴电缆电栅应变传感器中的实测段反射信号进行分析、识别，即可得到管道本体所在位置形变的数据。

进一步地，由于地质灾害对管道的应力应变作用力关键表现在管道的轴向上，对管道轴向的应力应变的测量就能很好的判断管道所受应力应变的状态。

所述分布式同轴电缆电栅应变传感器的应变监测原理为：一、将同轴电缆作为基本传感载体，在其绝缘层进行拓扑设计可实现同轴线阻抗不连续，从而在微波波段设计出光子带隙晶体结构，电磁波在同轴电缆内传输的信号受到周期性的阻抗不连续调制，每一处阻抗不连续都将产生一个微弱的反射信号，并在同轴电缆中传播，如所有的阻抗不连续都相同，当阻抗不连续周期满足谐振条件时，所有反射信号都同相叠加，形成某一频率的强反射信号；二、通过设计反射点的反射系数、每节传输介质的相移常数以及每节长度，可在特定频带产生带隙，在同轴电缆材料参数确定的条件下，特定极值频点随每节长度的变化而变化，因此可以建立反射系数峰值频率与每节长度的关系；三、在外部施加应力时，同轴电缆会产生应变，可通过检测带隙极值频点的偏移来实现应变量检测。

在实际应用中，如图4所示，基于上述检测方法，粘贴于管道外表面的分布式同轴电缆电栅传感器的输入端SMA接头连接分布式解调仪的输出SMA接口，分布式解调仪具有RS485接口且通过RS485总线连接监测系统分站，监测系统分站的GPRS传输模块通过TCP/IP协议将监测数据实时传送至云端服务器，远程监测中心工作站通过互联网实时读取云端服务器的监测数据，并实时发布监测信息。

所述基于分布式同轴电缆电栅应变传感器的管道监测预警系统基于光纤传感理论及光子带隙晶体理论，采用分布式同轴电缆电栅传感技术，对地质灾害影响下的管道关键段进行全覆盖实时监测，监测内容是地质灾害对管道的应力应变监测，并构建了监测系统，实现了数据的实时自动采集、远程传输和自动分析，而且能够胜任恶劣服役条件、耐久性好、寿命长，抗干扰能力强、能承受更大张力，易于实现地质灾害引起的管道应力应变的实时自动采集分析及远程监测，实现了真正意义上的大量程、全覆盖、低成本的实时管道监测预警，避免管道因地质灾害引发的大规模破坏和次生灾害的发生，实用性和市场前景高。

需要强调的是：以上仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (6)

1.一种基于分布式同轴电缆电栅应变传感器的管道监测预警系统，其特征在于：包括分布式同轴电缆电栅应变传感器（2）、分布式解调仪（6）、监测系统分站（7）、云端服务器（9）及远程监测中心工作站（11），所述分布式解调仪（6）与分布式同轴电缆电栅应变传感器（2）数据连接，所述监测系统分站（7）与分布式解调仪（6）数据连接，所述监测系统分站（7）数据连接GPRS传输模块（8），所述监测系统分站（7）通过GPRS传输模块（8）将数据传输至云端服务器（9），所述远程监测中心工作站（11）与云端服务器（9）通过互联网数据连接，所述分布式同轴电缆电栅应变传感器（2）的数量设置为多根且按间距沿管道（1）轴向方向设置，相邻的两根分布式同轴电缆电栅应变传感器（2）与管道（1）轴线所在的两个平面之间的夹角角度设置为90°或120°，所述分布式同轴电缆电栅应变传感器（2）的输入端SMA接头连接分布式解调仪（6）的输出SMA接口，分布式解调仪（6）具有RS485接口且通过RS485总线连接监测系统分站（7），所述监测系统分站（7）的GPRS传输模块（8）通过TCP/IP协议将监测数据实时传送至云端服务器（9），远程监测中心工作站（11）通过互联网实时读取云端服务器（9）的监测数据，并实时发布监测信息；

所述分布式同轴电缆电栅应变传感器（2）包括传感器温补段（13）、传感器实测段（15）以及反射点（3），所述传感器温补段（13）、传感器实测段（15）之间通过反射点（3）相互连接，所述传感器实测段（15）预拉伸后通过特种弹性耐候结构胶粘贴固化在管道（1）外表面，所述传感器温补段（13）紧贴管道外表面，传感器首段（14）外部套接有穿线管并连接于分布式解调仪（6）的相应输出端口，所述反射点（3）两端通过固定滑块（5）紧固于管道外表面，所述固定滑块（5）外部通过卡箍（4）固定于管道（1）的外管体上。

2.根据权利要求1所述的一种基于分布式同轴电缆电栅应变传感器的管道监测预警系统，其特征在于：所述分布式同轴电缆电栅应变传感器（2）的数量设置为三根。

3.根据权利要求1所述的一种基于分布式同轴电缆电栅应变传感器的管道监测预警系统，其特征在于：所述分布式同轴电缆电栅应变传感器（2）的基材设置为能够传输射频信号的同轴电缆或者能够传输射频信号的微带线或波导或双绞线。

4.根据权利要求1所述的一种基于分布式同轴电缆电栅应变传感器的管道监测预警系统，其特征在于：所述分布式同轴电缆电栅应变传感器（2）设置为大标距传感器，其标距在0.5m-100m范围内可任意设置。

5.根据权利要求1所述的一种基于分布式同轴电缆电栅应变传感器的管道监测预警系统，其特征在于：所述分布式同轴电缆电栅应变传感器（2）设置为大量程传感器，其应变测量量程设置为大于3%。

6.根据权利要求1所述的一种基于分布式同轴电缆电栅应变传感器的管道监测预警系统，其特征在于：所述分布式同轴电缆电栅应变传感器（2）固化于管道表面的防腐层的外表面，无需破坏防腐层。

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