CN110579319B - 一种基于准分布式检测液漏的光纤传感器及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于准分布式检测液漏的光纤传感器及检测方法，光纤传感器设漏液导流装置、光纤和LED灯；所述装置在光纤孔道与漏液流道交汇处的光纤壁上加工有侧向耦合结构和涂覆材料；漏液流道上端为漏液收集孔，所述装置还设有的透光孔道下端为LED灯光入射口；LED灯装在灯带上，每个LED灯对准所述LED灯光入射口。检测方法为：将传感器组装在待测管道下方,传感器组和LED灯带连接下位机；下位机对每个传感器和灯编号，上位机将每一编号编帧组合成8位地址信息码；由LED灯提供光源，对LED灯扫描，分别将扫描后测到的光强脉冲信号传到上位机处理；解码得到对应编帧位点的数据，由光折射率变化的数据判断发生液漏位点。

Description

一种基于准分布式检测液漏的光纤传感器及检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于准分布式检测液漏的光纤传感器及检测方法，具体地说是涉及一种利用漏液导流装置、光纤和可程控LED灯共同构成的光纤传感器，及应用所述光纤传感器对管道液漏事件进行检测，且具有可同时对多漏点定位的漏液检测方法。

背景技术

传统测量中光纤传感器一般只对应力、应变、温度等参数敏感，对其他物理量变化的测试需要借助外部材料实现物理量的转化，耗时费力，且不适宜实时的液漏监测；现有的光纤分布式传感技术普遍存在以下问题：

1)、仅对应力和温度变化敏感，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，这极大地影响测量的实时性；

2)、数据分析处理机制复杂，同样影响测量实时性；

3)、不能同时测量到多处漏液事件的发生，一旦发生多处液漏，只能测量最早发生事件，因此有很大的误报漏报几率；

4)、各种光解调设备价格昂贵，且使用条件苛刻，无法在复杂环境中使用。

近年，国内也对光纤传感器在液体管道泄漏检测方面作了研究，对液体管道泄漏检测方法提出了新的方法，如中国在2017年公开的“一种基于光纤拉曼温度传感器的液体管道泄漏检测方法”，专利申请号为：201710379579.0，该方法包括：第一步、将检测光纤紧贴检测管道底部；第二步、在检测光纤和检测管道的外部设置转换层，该转换层的底部为弧形反应层，该反应层的内侧不漏检测液体，外侧可以渗透检测液体；第三步、在该转换层的外部设置隔离层；第四步、通过光纤温度传感器监测检测光纤周围的温度场变化，当检测管道有泄漏时，泄漏液体与反应层发生反应，释放出热量，根据温度变化得到泄漏信息。该方法也是将液漏的检测转化为温度变化判断液漏的发生；其不足之处是对于多点同时发生漏液事件，该传感器只能检测最先发生的事件，其他点发生的事件不能检测到，因此有很大的漏报几率。为此，很有必要开发一种基于准分布式检测液漏的光纤传感器及检测方法。

发明内容

本发明的目的是要解决现有技术存在的问题，且跳出原有光纤测量传感的框架，而提供一种结构简单、适用于多种复杂场所的光纤传感器，同时提供一种漏报率低且可实现多点同时检测液漏及准确定位的检测方法，可直接通过测量折射率的改变，降低光解调的难度，提高测量的实时性，实现液漏点的定位。

为了实现上述的目的，本发明采取的措施是：提供一种基于准分布式检测液漏的光纤传感器，包括漏液导流装置、光纤和LED灯；

所述的漏液导流装置外形为矩形体，漏液导流装置中开有漏液流道、光纤孔道、透光孔道，漏液流道两端分别为漏液收集孔和透水孔，漏液收集孔孔口设在漏液导流装置的上表面，透水孔的孔口设在漏液导流装置宽度方向的一侧，漏液流道为从漏液收集孔垂直向下与光纤孔道交汇后，折向水平方向与透水孔连通，即漏液流道分为竖直漏液流道和水平漏液流道两段，且竖直漏液流道与水平漏液流道互为垂直，两段漏液流道与光纤孔道在空间上互为垂直布置，漏液流道用于疏导漏液及引导漏液填充在漏液流道中形成微光纤结构；

所述的光纤孔道为贯穿漏液导流装置长度方向两侧的直孔道，用于安装光纤；

所述的透光孔道为一条垂直于漏液导流装置上下表面的直通道，一端设在漏液导流装置的下底面，为LED灯光入射口，另一端设在漏液导流装置的上表面，为LED灯光的透光孔，透光孔道与光纤孔道在空间上也相互垂直且与水平漏液流道交汇；

所述的光纤安装在光纤孔道中，在与漏液流道内交汇处的光纤壁上加工有侧向耦合结构并涂覆遇水变透明的材料，侧向耦合结构用于将LED光线耦合进入光纤内部；

所述的LED灯装在灯带上，每个LED灯对准漏液导流装置下底的LED灯光入射口，LED灯用于提供扫描光源。

所述的光纤传感器中的漏液导流装置采用铝合金制成，铝合金的材质不透光且壁面对光的散射性良好。

所述的在光纤壁上涂覆遇水变透明的材料为遇水变透明的油墨。

所述的n个光纤传感器通过串接构成光纤传感器组，或根据需要取一定长度的光纤，在所述的光纤上间隔地加工有n个侧向耦合结构并涂覆遇水变透明的材料，其中n为正整数；将所述的光纤一端穿过n个漏液导流装置的光纤孔道，在每个涂覆遇水变透明的材料处固定好一个漏液导流装置；在所述的光纤两端分别安装一个光功率计，同时用一条相应长度的LED灯带安装n个LED灯，LED灯带安装在漏液导流装置下方，使在LED灯带上的LED灯与漏液导流装置的LED灯光的入射口一一对准；所述的n个漏液导流装置、光纤、LED灯组成准分布式光纤传感器组。

所述的灯带上的LED灯为可程控LED灯。

本发明还提供一种基于准分布式检测液漏的光纤传感器的检测方法，检测步骤为：

步骤1、将n个基于准分布式检测液漏的光纤传感器串接构成的光纤传感器组安装在待检测液漏管道的下方,n为正整数；光纤传感器组的两端分别接光功率计A和光功率计B，把光纤传感器组两端的光功率计A、光功率计B和LED灯带分别与下位机连接；

步骤2、由光纤传感器组中LED灯带上的LED灯光提供扫描光源，下位机对每个光纤传感器检测位点、对应位点采集值，以及LED灯的顺序进行编号传给上位机，上位机将光纤传感器组中的每一处光纤传感器位点和对应的LED灯的编号编帧组合成8位地址信息码；

步骤3、通过上位机发送地址指令，下位机收到指令，下位机通过所设的控制程序对每个光纤传感器及对应的LED灯采用顺序扫描模式或寻址扫描模式进行扫描；

步骤4、通过下位机控制LED灯扫描之后，光功率计A和光功率计B采集传感器光强脉冲，经过编帧，将有序光强脉冲信号传输到上位机主程序进行处理；上位机将编帧的信号一同进行解码，得到对应编帧位点的数据，从而判断哪一个位点传感器处的管道发生液漏信息；即：在没有液漏事件发生的情况下，光纤传感器探测到的有序光强脉冲无法达到触发阈值，主程序判定未发生液漏事件；当发生液漏事件时，液漏位点对应的光强脉冲会发生剧烈变化，在超出触发阈值的情况下，主程序会发出液漏报警信号。

本发明步骤3中下位机通过所设控制程序对每个光纤传感器及对应的LED灯采用顺序扫描模式，为按顺序对光纤传感器及对应的LED灯进行顺序扫描形成一系列的递增数。

本发明步骤3中下位机对每个光纤传感器及对应的LED灯采用寻址扫描模式进行扫描，为通过控制程序指定任意某处的LED灯亮再进行定点扫描，检查被点亮的LED灯处的输出光强脉冲是否发生突变。

所述的顺序扫描模式或寻址扫描模式中，传感器的数据发送快慢取决于对LED灯扫描频率，扫描频率越快，获取液漏信号的时间越短。

本发明的光纤传感器对光纤的安装位置与结构进行了创新设计，其一是LED光源并不是直接入射进入光纤，而是采用与光纤有一个错位，体现在漏液导流装置的结构上；其二是在光纤耦合的结构上涂覆一层薄的遇水变透明材料。正常情况下涂覆的材料不透明，且由于错位关系，外部光源只有极少部分能入射进光纤，发生漏液事件后，涂覆的材料变透明，折射率改变，大大提高传感器的灵敏度，使大部分入射光耦合进入光纤，输出光强的突变会更加明显，由此可以容易的区分漏液和没有漏液两种情况。

本发明中的光纤传感器基于光学测量，集测试与传感为一体，是一种利用折射式液漏检测方式结合光纤侧向耦合结构与程控LED灯寻址组成传感、检测、定位的传感器。本发明不同于传统光纤检测采用的端口发、收光源，而是采用由光纤侧面提供光源的方式，在光纤两端则通过光功率计接收光强，将液漏检测与定位组合为整体，当然采用本发明中的光纤传感器对管道进行检测的过程还需要一台上位机和下位机，并配备相应的控制软件。本发明的光纤传感器结构简单，便于安装，同时成本较低；采用本发明的光纤传感器及管道液漏检测方法，降低了检测中解调电路的设计难度；将漏液事件的检测转换为检测光折射率的改变，使反应时间缩短，且可实现任意节点组合，增加检测位点，提高检测反应的实时性，实现了实时液漏检测。

本发明的基于准分布式检测液漏的光纤传感器及检测方法与现有技术相比具有的有益效果是：

⑴、本发明首次提出了一种基于光纤、程控LED灯和漏液导流装置组成的液漏检测传感器设计，实现了漏水事件的高实时性监测，且通过提高对LED灯的扫描频率、扫描速度可以进一步提高检测的实时性。

⑵、本发明采用新的检测方法，将光纤传感器对漏液事件的检测转化为测量光折射率的改变，测量输出光强的突变，本检测方法不同于外部添加湿敏材料，转换物理量的方法，因此大大提高了测量的效率，缩短了反应时间，可以实现实时测量的要求。

⑶、本发明的检测方法，摒弃了光时域检测的定位精度低和光频率检测的复杂程度，采用光纤传感器通过扫描外源LED灯光源，因此光纤传感器的测量与液漏测定位是独立的，互不干扰，通过控制程序巧妙地应用组合编帧，分别实现光纤传感器测量和实现高分辨的液漏位点的定位，因此可实现同时多点位准确检测，既降低漏报率，又降低光解调电路的设计难度，经济性高，使用成本低。

⑷、本发明主要的传感材料为光纤，传感器结构简单，便于安装，使传感器可工作于高电磁干扰环境中。同时由于系统的整体结构简单，可安装在一些环境复杂的场所。因此本发明的系统可广泛应用在水下设备、石油化工，半导体厂房，智能家居，大型数据中心等场所，可对各种复杂的场所进行安装监测。

附图说明

图1为本发明的单个基于准分布式检测液漏的光纤传感器结构示意图。

图2为本发明光纤传感器的剖面结构示意图。

图3为本发明多个光纤传感器构成的光纤传感器组结构示意图。

图4为本发明的漏液导流装置内无漏液时LED光传送路线示意图。

图5为本发明的漏液导流装置内有漏液时LED光传送路线示意图。

图6为本发明光纤传感器检测到漏水时光功率计A、B分别输出光强突变的示意图。

上述图中：1—光纤；2—漏液导流装置；3—漏液收集孔；4—透光孔；5—透水孔；6—LED灯；7—LED灯带；8—透光孔道；9—漏液流道；10—遇水变透明的材料；11—侧向耦合结构；12—漏液；13—光；14—光功率计A；15—光功率计B。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明基于准分布式检测液漏的光纤传感器和检测方法作进一步说明，但本发明的实施不限于此。

实施例1：本发明提供一种基于准分布式检测液漏的光纤传感器，其结构如图1、2所示，包括漏液导流装置2、光纤1和LED灯6。

所述的漏液导流装置2外形为矩形体，本实施例漏液导流装置采用铝合金制成，铝合金的材质不透光且壁面散射性良好；在铝合金制的漏液导流装置中开有光纤孔道、漏液流道9、透光孔道8；漏液流道两端为漏液收集孔3和透水孔5。

所述的光纤孔道为贯穿漏液导流装置长度方向两侧的直孔道，用于安装光纤1；

所述的漏液收集孔3孔口设在漏液导流装置2的上表面，透水孔5的孔口设在漏液导流装置宽度方向的一侧，漏液流道9为从漏液收集孔3垂直向下与光纤孔道交汇后，折向水平方向与透水孔5连通，即漏液流道分为竖直漏液流道和水平漏液流道两段，且竖直漏液流道与水平漏液流道互为垂直，两段漏液流道与光纤孔道在空间上也都互为垂直布置，漏液流道用于疏导漏液及引导漏液填充在漏液流道中形成微光纤结构。

所述的透光孔道8为一条垂直于漏液导流装置上下表面的直通道，一端设在漏液导流装置的下底面，为LED灯光入射口，另一端设在漏液导流装置的上表面，为LED灯光的透光孔4，透光孔道与光纤孔道在空间上也相互垂直且与水平漏液流道交汇。

所述的光纤1安装在光纤孔道中，在漏液流道9内交汇处的光纤壁上加工有侧向耦合结构11并涂覆有遇水变透明的材料10，遇水变透明材料为遇水变透明的油墨；侧向耦合结构用于将LED光线耦合进入光纤内部。

所述的LED灯6接在LED灯带7上，LED灯用于提供扫描光源，LED灯对准漏液导流装置下底的LED灯光入射口。

参见图3，所述的n个光纤传感器可以通过串接构成光纤传感器组。本实施例采用取一定长度的光纤组装准分布式光纤传感器组。且取n＝10，在所取的一定长度的光纤上间隔地加工出10处侧向耦合结构11并涂覆遇水变透明的油墨，再将所述的光纤1一端穿过10个铝合金制的漏液导流装置2的光纤孔道，在每个涂覆遇水变透明的油墨处固定好漏液导流装置，在所述的光纤一端安装光功率计A14,另一端安装光功率计B15；同时用一条与所述的光纤相应长度的LED灯带7安装好10个LED灯6，把LED灯带安装在上述10个漏液导流装置下方，并使在LED灯带上的每一个LED灯与漏液导流装置的LED灯光入射口一一对准，组成准分布式光纤传感器组。

实施例2：采用本发明实施例1的基于准分布式检测液漏的光纤传感器组用于检测液漏管道，其检测方法的步骤为：

步骤1、将实施例1组装的光纤传感器组安装在待检测液漏管道的下方,将光纤传感器组两端头的光纤分别接上光功率计A14、光功率计B15，将光纤传感器组两端的光功率计A、光功率计B和LED灯带7分别与下位机连接；

步骤2、由光纤传感器组中的LED灯带上的LED灯光提供扫描光源，下位机对每个光纤传感器检测位点、对应的位点采集的电压值，以及LED灯的顺序进行编号传给上位机，上位机将光纤传感器组中的每一处光纤传感器位点和对应的LED灯的编号编帧组合成8位地址信息码；

步骤3、通过上位机发送地址指令，下位机收到指令，下位机通过所设控制程序对每个光纤传感器及对应的LED灯采用顺序扫描模式或寻址扫描模式进行扫描；这两种扫描可以单独使用，也可以配合使用。本实施例采用配合使用，即正常时采用顺序扫描模式，间隔地采用寻址扫描模式进行扫描，以及加快扫描频率，以短时间内获取液漏信号。

其中：下位机通过所设控制程序对每个光纤传感器及对应的LED灯顺序进行顺序扫描形成一系列的递增数。

下位机也间隔地采用对每个光纤传感器及对应的LED灯采用寻址扫描模式进行扫描，即通过控制程序指定任意某处的LED亮灯进行定点扫描，检查被点亮的LED灯处的输出光强脉冲是否发生突变。

在顺序扫描模式或寻址扫描模式中，传感器的数据发送快慢取决于对LED灯扫描频率，扫描频率越快，这样获取液漏信号的时间越短。

步骤4、扫描之后，光纤传感器组中各个传感器分别将检测到的有序光强脉冲经过编帧的信号传输到上位机主程序进行处理；上位机将编帧的信号一同进行解码，得到对应编帧位点的数据，从而判断哪一个位点发生液漏信息。

具体的检测过程是：下位机通过所设的控制程序对每个光纤传感器的LED灯采用顺序扫描模式进行扫描；光纤传感器会将耦合进入光纤的光强脉冲信息传输至上位机主程序进行处理。由于LED灯6位于漏液导流装置2的下部，当LED灯点亮时光13射入透光孔道8，透光孔道与漏液流道9交汇，在漏液流道内无漏液事件发生时，漏液流道内充满单一空气介质，尽管LED灯亮了，但仅有极少量光耦合进入光纤，光在射入漏液导流装置时，大部分会直接从透光孔道8中射出，如图4所示，且由于光纤壁上涂覆有遇水变透明的油墨，在没有遇水时油墨不透明。由于仅有极少量光线耦合进入光纤，传感器检测到的有序光强脉冲无法达到触发阈值，主程序判定未发生液漏事件。

当有漏液12，如水，经漏液收集孔3进入漏液流道9时，根据达西定律，漏液将会由于毛细作用在漏液流道内作短暂停留，由于漏液流道内壁较光滑，可以充当反射面，在漏液流道充满漏液12的情况下，漏液和漏液导流装置内壁部分构成微光纤结构，此时LED灯光折射率增大，漏水区域的折射率从原来空气折射率1.00突变为水的折射率1.33，且光纤壁上加工有侧向耦合结构11及涂覆有遇水变透明的油墨，油墨变透明后，LED灯发出的光经过漏液导流装置内的空气-漏液界面时，更多的光13会因为折射改变路径，照射到漏液导流装置内壁上，如图5所示，经微光纤结构反射，大量光耦合进入光纤，通过光功率计A14、光功率计B15使检测得到的光强大幅增加，当光强发生剧烈变化，如图6所示，光强很强，达到触发阈值，上位机以光强达到触发阈值作为漏液检测的依据，判定该光纤传感器位点处发生漏液事件，此时上位机主程序会发出报警信号。当漏液清理后，输出光强下降，显示本发明的光纤传感器能实时检测漏液事件。

本发明基于准分布式检测液漏的光纤传感器主要的传感材料为光纤，传感器结构简单，便于安装，使传感器可工作于高电磁干扰环境中。同时本发明的检测方法将光纤传感器对漏液事件的检测转化为测量光折射率的改变，测量输出光强的突变，因此大大提高了测量的效率，缩短了反应时间，可以实现实时测量的要求。本发明由于检测系统整体结构简单，可安装在一些环境复杂的场所，可广泛应用于水下设备、石油化工，半导体厂房，智能家居，大型数据中心等场所。

Claims (9)

1.一种基于准分布式检测液漏的光纤传感器，包括漏液导流装置、光纤和LED灯；其特征在于：所述的漏液导流装置外形为矩形体，漏液导流装置中开有漏液流道、光纤孔道、透光孔道，漏液流道两端分别为漏液收集孔和透水孔，漏液收集孔孔口设在漏液导流装置的上表面，透水孔的孔口设在漏液导流装置宽度方向的一侧，漏液流道从漏液收集孔垂直向下在光纤孔道交汇处折向水平方向与透水孔连通，即漏液流道分为竖直漏液流道和水平漏液流道两段，且竖直漏液流道与水平漏液流道互为垂直，两段漏液流道与光纤孔道在空间上互为垂直布置，漏液流道用于疏导漏液及引导漏液填充在漏液流道中形成微光纤结构；

所述的光纤孔道为贯穿漏液导流装置长度方向两侧的直孔道，用于安装光纤；

所述的透光孔道为一条垂直于漏液导流装置上下表面的直通道，一端设在漏液导流装置的下底面，为LED灯光入射口，另一端设在漏液导流装置的上表面，为LED灯光的透光孔，透光孔道与光纤孔道在空间上也相互垂直且与水平漏液流道交汇；

所述的光纤安装在光纤孔道中，在与漏液流道内交汇处的光纤壁上加工有侧向耦合结构并涂覆遇水变透明的材料，侧向耦合结构用于将LED光线耦合进入光纤内部；

所述的LED灯装在灯带上，每个LED灯对准漏液导流装置下底的LED灯光入射口，LED灯用于提供扫描光源。

2.根据权利要求1所述的基于准分布式检测液漏的光纤传感器，其特征在于：所述的光纤传感器中的漏液导流装置采用铝合金制成，铝合金的材质不透光且壁面对光的散射性良好。

3.根据权利要求1所述的基于准分布式检测液漏的光纤传感器，其特征在于：所述的在光纤壁上涂覆遇水变透明的材料为遇水变透明的油墨。

4.根据权利要求1所述的基于准分布式检测液漏的光纤传感器，其特征在于：所述的光纤传感器有n个通过串接构成光纤传感器组，或根据需要取一定长度的光纤，在所述的光纤上间隔地加工有n个侧向耦合结构并涂覆遇水变透明的材料，其中n为正整数；将所述的光纤一端穿过n个漏液导流装置的光纤孔道，在每个涂覆遇水变透明的材料处固定好一个漏液导流装置；在所述的光纤两端分别安装一个光功率计，同时用一条相应长度的LED灯带安装n个LED灯，LED灯带安装在漏液导流装置下方，使在LED灯带上的LED灯与漏液导流装置的LED灯光的入射口一一对准；所述的n个漏液导流装置、光纤、LED灯组成准分布式光纤传感器组。

5.根据权利要求1或4所述的基于准分布式检测液漏的光纤传感器，其特征在于：所述的灯带上的LED灯为可程控LED灯。

6.一种采用权利要求1所述的基于准分布式检测液漏的光纤传感器的检测方法，其特征在于：检测步骤为：

步骤1、将n个基于准分布式检测液漏的光纤传感器串接构成的光纤传感器组安装在待检测液漏管道的下方,n为正整数；光纤传感器组的两端分别接光功率计A和光功率计B，把光纤传感器组两端的光功率计A、光功率计B和LED灯带分别与下位机连接；

步骤2、由光纤传感器组中LED灯带上的LED灯光提供扫描光源，下位机对每个光纤传感器检测位点、对应位点采集值，以及LED灯的顺序进行编号传给上位机，上位机将光纤传感器组中的每一处光纤传感器位点和对应的LED灯的编号编帧组合成8位地址信息码；

步骤3、通过上位机发送地址指令，下位机收到指令，下位机通过所设的控制程序对每个光纤传感器及对应的LED灯采用顺序扫描模式或寻址扫描模式进行扫描；

步骤4、通过下位机控制LED灯扫描之后，光功率计A和光功率计B采集传感器光强脉冲，经过编帧，将有序光强脉冲信号传输到上位机主程序进行处理；上位机将编帧的信号一同进行解码，得到对应编帧位点的数据，从而判断出某个对应编帧位点的 传感器所在的管道发生液漏信息；即：在没有液漏事件发生的情况下，光纤传感器探测到的有序光强脉冲无法达到触发阈值，主程序判定未发生液漏事件；当发生液漏事件时，液漏位点对应的光强脉冲会发生剧烈变化，在超出触发阈值的情况下，主程序会发出液漏报警信号。

7.根据权利要求6所述的基于准分布式检测液漏的光纤传感器的检测方法，其特征在于：步骤3中下位机通过所设控制程序对每个光纤传感器及对应的LED灯采用顺序扫描模式，为按顺序对光纤传感器及对应的LED灯进行顺序扫描形成一系列的递增数。

8.根据权利要求6所述的基于准分布式检测液漏的光纤传感器的检测方法，其特征在于：步骤3中下位机对每个光纤传感器及对应的LED灯采用寻址扫描模式进行扫描，为通过控制程序指定任意某处的LED灯亮再进行定点扫描，检查被点亮的LED灯处的输出光强脉冲是否发生突变。

9.根据权利要求6所述的基于准分布式检测液漏的光纤传感器的检测方法，其特征在于：所述的顺序扫描模式或寻址扫描模式中，传感器的数据发送快慢取决于对LED灯扫描频率，扫描频率越快，获取液漏信号的时间越短。

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