CN115031172B - 一种基于光纤传感的管道漏失监测仪及其监测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光纤传感的管道漏失监测仪及其监测方法，属于光纤传感技术领域。包括监控平台、天线模块、主控模块、激光器、光纤干涉仪、光电探测器和信号处理模块；所述光纤干涉仪包括质量块、弹性体和敏感光纤。本发明通过光纤干涉仪的相干探测，结合授时精度可达微秒级的无线信号授时功能，实现多个监测仪的同步联合采样，从而达到对管道漏失点的精准定位；通过强磁铁吸附固定于金属管道或通过卡箍安装固定于非金属管道表面，结合光纤干涉仪的微振动信号拾取技术，实现管道沿线的快速施工，减少施工难度；通过双天线设计，拓展监测仪的使用场景；通过天线模块与监测平台的耦合，达到点式安装、施工难度低和降低施工成本的技术效果。

Description

一种基于光纤传感的管道漏失监测仪及其监测方法

技术领域

本发明涉及光纤传感技术领域，特别是一种基于光纤传感的管道漏失监测仪及其监测方法。

背景技术

光纤传感技术作为一种新兴的传感技术，相比于电学式传感器，具有灵敏度高，动态范围大，抗电磁干扰，易于组网等优点；基于光纤传感的管道漏失监测目前有基于分布式光纤传感的方案，本方案提出一种基于点式光纤干涉仪的传感器，并且通过多个点式传感器的安装可实现供水管网的区域监测。

目前基于微振动拾取的管道检漏技术手段主要是借助压电式加速度传感器来拾取管道漏失过程中产生的微振动信号，以及用压电式水听器来进行监测，前者灵敏度不够高，不能用于微小的漏失信号的监测；后者需要将传感器植入管道或者消火栓内，与水接触在一起，这在一定程度增加了管道漏失监测手段的难度；也有基于分布式光纤传感技术的管道泄漏监测技术，但是该方案需要将光纤铺设到管道沿线，施工量大，在老的供水管网上实施较困难，代价较高。

为解决传统压电式加速度管道检漏传感器中灵敏度和精确度低的技术问题，同时克服传统压电式水听器直接与管道内测量气体或液体接触带来的腐蚀以及分布式光纤传感技术方案带来的沿管道铺设连续光纤线缆，而导致的管道漏失监测和施工难度和成本大、代价高的技术问题，本发明提出一种基于光纤传感的管道漏失监测仪及其监测方法，通过引入光纤干涉技术实现管道微振动信号的高灵敏拾取；通过强磁铁吸附固定于金属管道或卡箍安装固定于非金属管道表面，并结合光纤干涉仪的微振动信号拾取，实现管道沿线的快速施工，减少施工难度，同时达到避免与管内气体或液体直接接触造成的传感器腐蚀的技术效果；通过天线模块与监测平台的耦合，可有效减少传统分布式光纤传感技术中光纤的长距离铺设和施工难度大的技术问题，达到点式安装、施工难度低和降低施工成本的技术效果。

发明内容

针对上述问题，提供一种基于光纤传感的管道漏失监测仪及其监测方法，包括监测仪，所述监测仪包括监控平台、天线模块、主控模块、激光器、光纤干涉仪、光电探测器和信号处理模块；所述光纤干涉仪包括质量块、弹性体和敏感光纤。本发明通过光纤干涉仪的相干探测，结合授时精度可达微秒级的无线信号授时功能，实现多个监测仪的同步联合采样，从而达到对管道漏失点的精准定位，其灵敏度更高；通过强磁铁吸附固定于铁磁金属管道或通过卡箍安装固定于非铁磁金属管道表面，并结合光纤干涉仪的微振动信号拾取技术，实现管道沿线的快速施工，减少施工难度，同时达到避免与管内气体或液体直接接触造成的传感器腐蚀的技术效果；通过双天线设计，无线信号频率工作在不同波段，可在广域网和局域网之间灵活使用，应用场景广阔；通过天线模块与监测平台的耦合，可有效减少传统分布式光纤传感技术中光纤的长距离铺设和施工难度大的技术问题，达到点式安装、施工难度低和降低施工成本的技术效果。

为达到上述目的，本发明所采用的技术方案是。

一种基于光纤传感的管道漏失监测仪及其监测方法，包括监测仪，所述监测仪包括监控平台、天线模块、主控模块、激光器、光纤干涉仪、光电探测器和信号处理模块；所述监测仪采用一体化设计；所述光纤干涉仪包括质量块、弹性体和敏感光纤；所述敏感光纤一段缠绕至弹性体上，另一段缠绕至质量块上；管道漏失产生的振动信号经管道传输至监测仪，引起所述质量块振动，所述质量块带动弹性体和缠绕在弹性体上的敏感光纤发生形变，形变的敏感光纤与另一段敏感光纤形成相干探测，用以检测管道漏失产生的振动信号。

优选的，所述激光器产生的激光，经所述光纤干涉仪检测后形成含有振动信号的光信号，经光电探测器后将所述光信号转化为电信号，并经过信号处理模块解调出所述振动信号的频率和幅值，并依次经主控模块、天线模块后，输出至监控平台。

优选的，所述主控模块通过无线信号授时和数据转发实现多个所述监测仪的同步联合采样。

优选的，所述无线信号授时精度为5-10us。

优选的，所述监控平台根据采集的所述同步联合采样的数据信息，通过边缘计算实现管道漏失的判别，通过监控平台的定位算法实现漏点的定位。

优选的，所述监测仪还包括电池、强磁铁、激光驱动模块、密封圈和底座。

优选的，所述电池为信号处理模块和激光驱动模块提供电源。

优选的，所述激光驱动模块可对所述电池输入的电源进行降噪处理，并为所述激光器提供低噪声电源和温度调控。

优选的，所述天线模块用于发射和接收信号，所述天线模块包括NB-IoT天线和LoRa天线。

优选的，所述底座用于安装固定缠绕敏感光纤的弹性体。

优选的，所述强磁铁可直接将所述监测仪固定安装于铁磁金属管道表面。

优选的，所述监测仪可通过卡箍安装于非铁磁金属管道表面。

优选的，所述密封圈采用耐腐蚀的柔性材料制成。

优选的，所述密封圈的横截面呈D型，整体呈圆形。

优选的，所述密封圈采用橡胶材料制成。

优选的，一种采用上述监测仪监测管道漏失的方法，包括以下步骤。

S1：将上述监测仪按照50-100米的间隔距离安装在管道表面，保证监测仪的底座紧贴管道表面；所述监测仪采用一体化设计；所述监测仪在管道上的安装方式可根据管道材质进行选择，当管道为铁磁金属管道时，可以直接利用监测仪底座下方设置的强磁铁予以固定连接；当管道为其他材质时，采用卡箍的方式予以安装。

S2：管道漏失产生的微振动通过管道传输至周边相邻的有限个监测仪(>2个)，并带动监测仪内部的质量块振动，所述质量块带动弹性体发生振动；所述弹性体上螺旋缠绕着一段敏感光纤，另一段敏感光纤缠绕至质量块上；所述弹性体振动带动缠绕的敏感光纤发生形变，与另一段未发生形变的敏感光纤形成相干探测，用以检测管道漏失产生的振动信号；所述质量块、弹性体和敏感光纤构成所述监测仪内部的光纤干涉仪。

S3：所述光纤干涉仪将管道漏失产生的微振动转化为含振动信号的光信号，并将所述光信号输出至光电探测器内，由所述光电探测器将所述光信号转化为电信号，并将所述电信号传输至信号处理模块，由信号处理模块将所述电信号解调出含有所述振动信号的频率和幅值，并输出至主控模块。

S4：所述主控模块通过无线信号授时和数据转发实现多个监测仪的同步联合采样，所述主控模块的无线信号授时精度为5-10us；所述主控模块将同步联合采样的数据信息经天线模块后，传输至监控平台。

S5：所述监控平台根据采集的数据信息，通过边缘计算实现管道漏失的判别，通过监控平台的定位算法实现漏点的精确定位。

由于采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果。

1.本发明通过光纤干涉仪的相干探测，结合授时精度可达微秒级的无线信号授时功能，实现多个监测仪的同步联合采样，从而达到对管道漏失点的精准定位，相对于基于压电陶瓷的技术手段来说，灵敏度更高。

2.本发明通过强磁铁吸附固定于金属管道或通过卡箍安装固定于非金属管道表面，并结合光纤干涉仪的微振动信号拾取技术，实现管道沿线的快速施工，减少施工难度，同时达到避免与管内气体或液体直接接触造成的传感器腐蚀的技术效果。

3.本发明通过双天线设计，无线信号频率工作在不同波段，可在广域网和局域网之间灵活使用，增强了本发明的使用场景。

4.通过天线模块与监测平台的耦合，可有效减少传统分布式光纤传感技术的光纤的长距离铺设和施工难度大的技术问题，达到点式安装、施工难度低和降低施工成本的技术效果。

附图说明

以下对本发明优选实施例的制作和应用进行详细讨论。但应理解的是，本发明提供了许多可应用的发明构思，其可以体现在各种特定的环境中。所讨论的具体实施例仅是为了说明制造和使用本本发明的具体方式，并不限制本发明的范围，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1是本发明的外部结构图。

图2是本发明的剖视图。

附图中，1-NB-Iot天线、2-LoRa天线、3-外壳、4-强磁铁、5-电池、6-主控模块、7-信号处理模块、8-激光驱动模块、9-光电探测器、10-密封圈、11-激光器、12-固定螺母、13-质量块、14-弹性体、15-M2固定螺丝、16-M5固定螺丝、17-敏感光纤、18-底座。

具体实施方式

以下对本发明优选实施例的制作和应用进行详细讨论。但应理解的是，本发明提供了许多可应用的发明构思，其可以体现在各种特定的环境中。所讨论的具体实施例仅是为了说明制造和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。

实施例1

一种基于光纤传感的管道漏失监测仪及其监测方法，如图2所示，包括监测仪，所述监测仪包括监控平台、天线模块、主控模块6、激光器11、光纤干涉仪、光电探测器9和信号处理模块7；所述光纤干涉仪包括质量块13、弹性体14和敏感光纤17；所述敏感光纤17一段缠绕至弹性体14上，另一段缠绕至质量块13上；管道漏失产生的振动信号经管道传输至监测仪，引起所述质量块13振动，所述质量块13带动弹性体14和缠绕在弹性体14上的敏感光纤17发生形变，形变的敏感光纤17与另一段敏感光纤17形成相干探测，用以检测管道漏失产生的振动信号。

所述激光器11产生的激光，经所述光纤干涉仪检测后形成含有振动信号的光信号，经光电探测器9后将所述光信号转化为电信号，并经过信号处理模块7解调出所述振动信号的频率和幅值，并依次经主控模块6、天线模块后，输出至监控平台。所述主控模块6通过无线信号授时和数据转发实现多个所述监测仪的同步联合采样；所述无线信号授时精度为5-10us。所述监控平台根据采集的所述同步联合采样的数据信息，通过边缘计算实现管道漏失的判别，通过监控平台的定位算法实现漏点的精确定位。

所述监测仪还包括电池5、强磁铁4、激光驱动模块8、密封圈10和底座18；所述电池5为信号处理模块7和激光驱动模块8提供电源；所述激光驱动模块8可对所述电池5输入的电源进行降噪处理，为所述激光器11提供低噪声电源和温度调控。

如图1所示，所述监测仪还包括外壳3和M2固定螺丝15；所述天线模块用于发射和接收信号，所述天线模块包括NB-IoT天线1和LoRa天线2；所述强磁铁4可直接将所述监测仪固定安装于铁磁金属管道表面；所述监测仪可通过卡箍安装于非铁磁金属管道表面，所述铁磁金属为铁、钴、镍及其合金。所述底座18用于安装固定缠绕敏感光纤17的弹性体14；所述密封圈10采用耐腐蚀的柔性材料制成；所述密封圈10的横截面呈D型，整体呈圆形；所述密封圈10采用橡胶材料制成。所述外壳3为圆柱体，所述外壳3上端和下端通过M2固定螺丝15固定，所述外壳采用防腐、耐热塑料或金属构成，如采用碳纤维、氧化铜、聚四氟乙烯、PVC、PP、PE、ABS、PTFE等材料。

所述电池5为信号处理模块7和激光驱动模块8提供电源，所述激光驱动模块8可对电池5输入的电流进行降噪处理，为激光器11提供低噪电源，保证激光器11输出低噪的激光，此外，激光驱动模块8可以通过调节激光器11内部的TEC制冷器实现对激光器11的温度调控，以保证激光器11在长期工作后不发生频漂，从而保证激光器11的工作精准度。所述激光器11采用半导体窄线宽激光器，以减小激光器11和整个监测仪的体积。

所述激光器11为光纤干涉仪提供窄线宽的激光，所述光纤干涉仪包括质量块13、敏感光纤17和弹性体14，所述质量块13通过固定螺母12固定在弹性体14的上端，所述质量块13与弹性体14通过螺母以一定的预应力拧紧固定在底座18上，使得质量块13、弹性体14与底座18压紧，从而实现质量块13与弹性体14的振动联动。所述监测仪还包括强磁铁4，所述强磁铁4通过M5固定螺丝16与底座18固定相连，安装时只需要将管道漏失监测仪吸附在管道上的任意位置，使用便捷，间隔50-100米放置一台管道漏失监测仪，便可组成区域化的监测网络，通过监测平台可实现区域化智能监测。

管道漏失产生的微振动通过管道传输至周边相邻的有限个监测仪，并带动监测仪内部的质量块13振动，所述质量块13带动弹性体14发生振动；所述弹性体14上的螺旋缠绕着一段敏感光纤17，另一段敏感光纤17缠绕至质量块13上；所述弹性体14振动带动缠绕的敏感光纤17发生形变，与另一段未发生形变的敏感光纤17形成相干探测，用以检测管道漏失产生的振动信号；所述质量块13、弹性体14和敏感光纤17构成所述监测仪内部的光纤干涉仪。

所述光纤干涉仪将管道漏失产生的微振动转化为含振动信号的光信号，并将所述光信号输出至光电探测器9内，由所述光电探测器9将所述光信号转化为电信号，并将所述电信号传输至信号处理模块7，由信号处理模块7将所述电信号解调出含有所述振动信号的频率和幅值，并输出至主控模块6。所述主控模块6通过无线信号授时和数据转发实现多个监测仪的同步联合采样，所述主控模块6的无线信号授时精度为5-10us；所述主控模块6将同步联合采样的数据信息经天线模块后，传输至监控平台。所述监控平台根据采集的数据信息，通过边缘计算实现管道漏失的判别，通过监控平台的定位算法实现漏点的精确定位。

通过上述边缘算法实现管道漏失判别的方法，具体步骤如下。

步骤1：通过小波阈值去噪算法对原始信号进行降噪增强。即先对原始信号进行小波变换，得到一组小波系数；再设定阈值处理小波系数，得到小波估计系数；同时利用小波估计系数进行小波重构，最终得到降噪后的信号。

步骤2：对降噪后的信号进行特征提取，具体特征包括：均值、方差、峰值因子、样本熵，谱矩，梅尔倒谱系数。

步骤3：将以上提取的特征输入预先训练好的机器学习模型，进行分类计算后，即可得到最终的漏失判别。

通过上述定位算法实现管道漏点精确定位的方法是：通过广义互相关算法计算出泄漏声传播到两端传感器的时间延迟τ,结合两端传感器的间距L以及泄漏声在管中的传播速度v,根据公式

即可计算出漏点位置，其中L1,L2为漏点到两端传感器的距离。

所述监测仪采集振动信号的原理为：管道漏失的漏点所产生的微振动，会沿着管道传播，并传导至漏失点两侧的多个对称的监测仪上，所述监测仪的振动会给安装在弹性体14上的质量块13一个惯性力，弹性体14受到惯性力后会产生形变压缩或者拉伸，引发缠绕在弹性体14上的光纤干涉仪上其中一路敏感光纤17的长度发生形变，管道振动越大，惯性力越大，弹性体14的形变越大，相应的光纤干涉仪上其中一路敏感光纤17长度的变化量也越大，光纤干涉仪上两路光的相位差也越大，相应地光纤干涉仪输出的光强变化也就越大，使得光电探测器9采集到的光信号越强，所述光电探测器9将光信号转换成电信号传输至信号处理模块7，由信号处理模块7将管道的振动信号的幅值和频率信息解调出来，并传输至主控模块6，由主控模块6通过天线传输至后端处理平台。

此外，所述主控模块6还可以通过天线收到工作指令或者到达预先设定的工作时间时，自动调控电池5给信号处理模块7和激光驱动模块8供电，使传感器处于工装状态，后续整个监控平台和监测仪按照上述的工作流程及步骤工作，从而实现监控平台对管道漏失的自动化监测和远程遥控。

实施例2

一种采用上述监测仪监测管道漏失的方法，包括以下步骤：

S1：将上述监测仪按照50-100米的间隔距离安装在管道表面，保证监测仪的底座18紧贴管道表面；所述监测仪在管道上的安装方式可根据管道材质进行选择，当管道为铁磁金属管道时，可以直接利用监测仪底座下方设置的强磁铁予以固定连接；当管道材质为其他材质时，采用卡箍的方式予以安装。

S2：管道漏失产生的微振动通过管道传输至周边相邻的有限个监测仪(>2个)，并带动监测仪内部的质量块13振动，所述质量块13带动弹性体14发生振动；所述弹性体14上螺旋缠绕着一段敏感光纤17，另一段敏感光纤17缠绕至质量块13上；所述弹性体14振动带动缠绕的敏感光纤17发生形变，与另一段未发生形变的敏感光纤17形成相干探测，用以检测管道漏失产生的振动信号；所述质量块13、弹性体14和敏感光纤17构成所述监测仪内部的光纤干涉仪。

S3：所述光纤干涉仪将管道漏失产生的微振动转化为含振动信号的光信号，并将所述光信号输出至光电探测器9内，由所述光电探测器9将所述光信号转化为电信号，并将所述电信号传输至信号处理模块7，由信号处理模块7将所述电信号解调出含有所述振动信号的频率和幅值，并输出至主控模块6。

S4：所述主控模块6通过无线信号授时和数据转发实现多个监测仪的同步联合采样，所述主控模块6的无线信号授时精度为5-10us；所述主控模块6将同步联合采样的数据信息经天线模块后，传输至监控平台。

S5：所述监控平台根据采集的数据信息，通过边缘计算实现管道漏失的判别，通过监控平台的定位算法实现漏点的精确定位。

尽管说明书已经作了详细描述，但是应该理解的是，在不偏离所附权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，可以做出多种改变、替换和变更。此外，所描述的具体实施例并不用于限定本发明的范围，本领域普通技术人员基于本发明能够容易理解，当前存在的或以后待开发的处理、机器、制造、物质组成、手段、方法、或者步骤可执行与本发明实施例实质相同的功能或获得实质相同的结果。因此，所附权利要求旨在将此类过程、机器、制造、物质组成、手段、方法或步骤包括在其范围内。

Claims (11)

1.一种基于光纤传感的管道漏失监测仪，其特征在于：包括监测仪，所述监测仪包括监控平台、天线模块、主控模块、激光器、光纤干涉仪、光电探测器和信号处理模块；所述监测仪采用一体化设计；所述光纤干涉仪包括质量块、弹性体和敏感光纤；所述敏感光纤一段缠绕至弹性体上，另一段缠绕至质量块上；管道漏失产生的振动信号经管道传输至监测仪，引起所述质量块振动，所述质量块带动弹性体和缠绕在弹性体上的敏感光纤发生形变，形变的敏感光纤与另一段敏感光纤形成相干探测，用以检测管道漏失产生的振动信号。

2.如权利要求1所述的一种基于光纤传感的管道漏失监测仪，其特征在于：所述激光器产生的激光，经所述光纤干涉仪检测后形成含有振动信号的光信号，经光电探测器后将所述光信号转化为电信号，并经过信号处理模块解调出所述振动信号的频率和幅值，并依次经主控模块、天线模块后，输出至监控平台。

3.如权利要求2所述的一种基于光纤传感的管道漏失监测仪，其特征在于：所述主控模块通过无线信号授时和数据转发实现多个所述监测仪的同步联合采样；所述无线信号授时精度为5-10us。

4.如权利要求3所述的一种基于光纤传感的管道漏失监测仪，其特征在于：所述监控平台根据采集的所述同步联合采样的数据信息，通过边缘计算实现管道漏失的判别，通过监控平台的定位算法实现漏点的定位。

5.如权利要求3所述的一种基于光纤传感的管道漏失监测仪，其特征在于：所述监测仪还包括电池、强磁铁、激光驱动模块、密封圈和底座。

6.如权利要求5所述的一种基于光纤传感的管道漏失监测仪，其特征在于：所述电池为信号处理模块和激光驱动模块提供电源；所述激光驱动模块可对所述电池输入的电源进行降噪处理，并为所述激光器提供低噪声电源和温度调控。

7.如权利要求5所述的一种基于光纤传感的管道漏失监测仪，其特征在于：所述天线模块用于发射和接收信号，所述天线模块包括NB-IoT天线和LoRa天线；所述底座用于安装固定缠绕敏感光纤的弹性体。

8.如权利要求5所述的一种基于光纤传感的管道漏失监测仪，其特征在于：所述强磁铁可直接将所述监测仪固定安装于铁磁金属管道表面；所述监测仪可通过卡箍安装于非铁磁金属管道表面。

9.如权利要求5所述的一种基于光纤传感的管道漏失监测仪，其特征在于：所述密封圈采用耐腐蚀的柔性材料制成；所述密封圈的横截面呈D型，整体呈圆形；所述密封圈采用橡胶材料制成。

10.一种采用权利要求1-9任一权利要求所述的监测仪监测管道漏失的方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：将上述监测仪按照50-100米的间隔距离安装在管道表面，保证监测仪的底座紧贴管道表面；所述监测仪采用一体化设计；所述监测仪在管道上的安装方式可根据管道材质进行选择，当管道为铁磁金属管道时，可以直接利用监测仪底座下方设置的强磁铁予以固定连接；当管道为其他材质时，采用卡箍的方式予以安装；

S2：管道漏失产生的微振动通过管道传输至周边相邻的有限个监测仪，并带动监测仪内部的质量块振动，所述质量块带动弹性体发生振动；所述弹性体上螺旋缠绕着一段敏感光纤，另一段敏感光纤缠绕至质量块上；所述弹性体振动带动缠绕的敏感光纤发生形变，与另一段未发生形变的敏感光纤形成相干探测，用以检测管道漏失产生的振动信号；所述质量块、弹性体和敏感光纤构成所述监测仪内部的光纤干涉仪；

S3：所述光纤干涉仪将管道漏失产生的微振动转化为含振动信号的光信号，并将所述光信号输出至光电探测器内，由所述光电探测器将所述光信号转化为电信号，并将所述电信号传输至信号处理模块，由信号处理模块将所述电信号解调出含有所述振动信号的频率和幅值，并输出至主控模块；

S4：所述主控模块通过无线信号授时和数据转发实现多个监测仪的同步联合采样，所述主控模块的无线信号授时精度为5-10us；所述主控模块将同步联合采样的数据信息经天线模块后，传输至监控平台；

S5：所述监控平台根据采集的数据信息，通过边缘计算实现管道漏失的判别，通过监控平台的定位算法实现漏点的定位。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于：所述监测仪的数量大于2个。

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