CN117307988A - 一种用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器及系统 - Google Patents

一种用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器及系统 Download PDF

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Abstract

本申请涉及管道检测技术领域，提供一种用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器及系统。传感器包括第一壳体，第一壳体的腔体通过开口与被测管道连通；压力子传感器和声波子传感器均设置在第一壳体的第一壁面，且二者并联；第二壳体设置在第一壳体的第二壁面；粗波分复用器设置在第二壳体的腔体内；压力子传感器通过第一光纤与粗波分复用器相连，声波子传感器通过第二光纤与粗波分复用器相连。大动态光纤传感器可以实现1mPa到10MPa的压力检测，动态范围可以达到200dB，可同时用于次声波、负压波法等多种管道泄漏检测，实现多类型管道的泄漏检测。且各种检测方法可以相互校准、耦合，大大降低检测系统的误报率，提高泄漏点定位精度。

Description

一种用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器及系统
技术领域
本申请涉及管道检测技术领域，尤其涉及一种用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器及系统。
背景技术
油气资源运输中，管道运输是一种有效、经济、环保的运输手段，具有独特的优势。但是油气管道泄漏事故不仅会造成巨大的生命财产损失，还会严重地污染环境，所以加强油气管道泄漏监测具有非常重要的意义。
油气管道泄漏监测主要包括流量统计法、压力梯度法、负压波法、瞬态模型法和声波法（声压法）等。其中，压力梯度法是以管道压力坡降线变化为基础，测量对象是管道运行压力绝对量，需要多点布设，其检测精度依赖传感器数量和精度，成本较高。负压波法是目前国际国内最成熟的泄漏监测方法，测量对象为管道运行压力绝对量，其细微负压波感知力较弱，只能检测突发性大泄漏，传感器灵敏度低、动态范围小。声压法是目前较为灵敏的管道泄漏检测方法，测量对象为管道运行相对量，但其耐静压能力较弱，高静压条件下传感器灵敏度降低。目前多采用压电类声波传感器，采用24位高精度采集卡，其动态范围约为90dB，传感器附近突发性大泄漏容易使系统超动态范围。以上方法中，均需要传感器与被测管道内的介质直接接触，存在检测手段较为单一、误报率较高，动态检测范围较小的缺点。且大多采用电子类传感器在易燃易爆气体环境下检测存在安全隐患。
因此亟需一种可集多种检测技术为一体，彼此相互校准、耦合，且具有较大动态测量范围和高安全性的检测方法。为了解决上述技术问题，本申请提供一种用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器，采用具有灵敏度高、本质无源安全、抗电磁干扰、长距离输出和体积小等优点的光纤传感器，能够实现多种检测技术为一体，彼此相互校准、耦合，具有较大的动态测量范围且安全性高。
发明内容
本申请提供了一种用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器及系统，以解决现有检测方法存在的检测手段单一、误报率高、动态范围小且存在安全隐患的技术问题。
本申请第一方面提供一种用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器，包括：第一壳体，第一壳体内部设有腔体，第一壳体上设有开口，第一壳体的腔体通过开口与被测管道连通；压力子传感器，设置在第一壳体的第一壁面且位于所述第一壳体的腔体内；其中，第一壁面与开口相对设置；声波子传感器，设置在第一壁面，且声波子传感器与压力子传感器并联；第二壳体，设置在第一壳体的第二壁面，其中，第一壁面与第二壁面互为背对面；且第二壳体与第一壳体的第二壁面围合形成腔体；粗波分复用器，设置在第二壳体的腔体内；压力子传感器通过第一光纤与粗波分复用器相连，声波子传感器通过第二光纤与波分复用器相连；其中，第一光纤和第二光纤均穿过第一壳体。
在一些可行的实现中，压力子传感器包括：第一连接座，一端连接在第一壁面； 第一基体，连接在第一连接座的另一端；第一管体，一端与第一基体背离第一连接座的侧面相连，另一端覆盖有第一感压膜片，其中，第一光纤通过第一毛细管穿设在第一连接座与第一基体之间，第一连接座的内径大于第一基体的内径，第一毛细管通过第一焊料连接在第一基体内，且第一毛细管的端部伸出第一基体并位于第一管体的腔体内；第一光纤伸出第一毛细管的端部；第一高反膜，位于第一管体内部，且镀设在第一感压膜片上，第一光纤伸出第一毛细管一端的端面与第一高反膜之间形成有第一法布里-珀罗谐振腔。
在一些可行的实现中，第一毛细管伸出第一基体的端部与第一光纤通过热熔的方式形成第一连接点；其中，第一光纤从第一连接点到第一光纤的端面的距离为3-5mm。
在一些可行的实现中，第一法布里-珀罗谐振腔的长度为150-350μm；第一高反膜的反射率大于90%。
在一些可行的实现中，第一连接座、第一基体、第一管体和第一感压膜片均为石英材质；第一基体的内径为0.2-0.5mm，第一毛细管的外径为0.2-0.5mm，第一毛细管的内径为0.12-0.15mm。
在一些可行的实现中，声波子传感器包括：第二连接座，一端连接在第一壁面，且与第一连接座间隔设置；第二管体，一端与第二连接座的另一端相连，另一端覆盖有第二感压膜片；其中，第二光纤通过第二毛细管穿设在第二连接座内，第二毛细管的外壁面与第二连接座之间设有第二焊料，第二毛细管伸出第二连接座并位于第二管体的腔体内，且第二光纤伸出第二毛细管背离第二连接座的端部；第二高反膜，位于第二管体内，且镀设在的第二感压膜片上，第二光纤伸出第二毛细管的端面与第二高反膜之间形成有第二法布里-珀罗谐振腔；其中，第二连接座上还设有静压平衡孔，静压平衡孔包括第一开口和第二开口，静压平衡孔通过第一开口与第二管体的内部连通；弹簧管，一端通过粘结剂连接在第二开口处，另一端朝向第一壳体的开口方向延伸，第二法布里-珀罗谐振腔通过静压平衡孔与弹簧管连通；其中，第二连接座、第二管体和第二高反膜之间，填充有平衡介质。
在一些可行的实现中，第二毛细管伸出第二连接座的部分与第二光纤通过热熔的方式形成有第二连接点和第三连接点，第二连接点靠近第二连接座与第二管体的连接面，第三连接点为第二毛细管伸出第二连接座的端部，且第三连接点背离第二连接座与第二管体的连接面；其中，第二光纤伸出第二毛细管的端部的距离为3-5mm。
在一些可行的实现中，静压平衡孔为L型孔，静压平衡孔的内径为0.5-1.5mm，弹簧管的内径为0.3-0.5mm。
在一些可行的实现中，第二法布里-珀罗谐振腔的长度为150-350μm；第二高反膜的反射率大于90%；第二连接座、第二管体和第二感压膜片均为石英材质；第二管体的内径为0.2-0.5mm，第二毛细管的外径为0.2-0.5mm，第二毛细管的内径为0.12-0.15mm。
本申请第二方面提供一种用于管道泄漏检测的大动态光纤传感系统，包括：第一方面的用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器，大动态光纤传感器的第一壳体设置在被测管道上，且第一壳体通过开口与被测管道的内部连通；光纤解调仪，通过光纤与大动态光纤传感器相连；光纤解调仪包括：扫描激光器，被配置为发射激光信号；环形器，一端通过耦合器与扫描激光器相连，另一端通过光纤与大动态光纤传感器的粗波分复用器相连，被配置为将激光信号传输至大动态光纤传感器，并接收大动态光纤传感器回传的第一光信号；第一光电转换器，与环形器相连，被配置为将第一光信号转换为第一电信号；参考器件，与耦合器相连，被配置为接收激光信号，并产生第二光信号；第二光电转换器，与参考器件相连，被配置为将第二光信号转换为第二电信号；数据采集器，分别与第一光电转换器和第二光电转换器相连，被配置为将第一电信号和第二电信号转换为数字信号；相位解调器，与数据采集器相连，被配置为解调数字信号；其中，大动态光纤传感器和光纤解调仪一一对应设置，且大动态光纤传感器和光纤解调仪的数量均为多个；其中，任意两个大动态光纤传感器按照预设距离设置在被测管道上。数据算法服务器，与光纤解调仪相连，被配置为，接收解调后的数字信号。
本申请提供的用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器，包括：第一壳体，第一壳体内部设有腔体，壳体上设有开口，第一壳体的腔体通过开口与被测管道连通；压力子传感器，设置在第一壳体的第一壁面；其中，第一壁面与开口相对设置；声波子传感器，设置在第一壁面，且声波子传感器与压力子传感器并联；第二壳体，设置在第一壳体的第二壁面，其中，第一壁面与第二壁面互为背对面；且第二壳体与第一壳体的第二壁面围合形成腔体；粗波分复用器，设置在第二壳体的腔体内；压力子传感器通过第一光纤与粗波分复用器相连，声波子传感器通过第二光纤与波分复用器相连。本申请提供的大动态光纤传感器可以实现1mPa到10MPa的压力检测，动态范围可以达到200dB，可同时用于次声波、负压波法等基多种于压力的管道泄漏检测，实现多类型管道的泄漏检测。且各种检测方法可以相互校准、耦合，大大降低检测系统的误报率，提高泄漏点定位精度。
附图说明
为了更清楚地说明本申请的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本申请实施例提供的用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器的结构示意图；
图2是本申请实施例提供的压力子传感器的结构示意图；
图3是本申请实施例提供的声波子传感器的结构示意图；
图4是本申请实施例提供的用于管道泄漏检测的大动态光纤传感系统的结构示意图；
图5是本申请实施例提供的光纤解调仪内部结构图；
图6是本申请实施例提供的声波子传感器和压力子传感器的反射光谱图。
图示标记：
100-大动态光纤传感器；10-第一壳体；101-开口；102-第一壁面；103-第二壁面；11-压力子传感器；111-第一连接座；112-第一基体；113-第一管体；114-第一感压膜片；115-第一毛细管；116-第一焊料；117-第一高反膜；118-第一法布里-珀罗谐振腔；119-第一连接点；12-声波子传感器；120-第二连接座；121-第二管体；122-第二感压膜片；123-第二焊料；124-第二高反膜；125-第二法布里-珀罗谐振腔；126-静压平衡孔；126a-第一开口；126b-第二开口；127-弹簧管；128-第二连接点；129-第三连接点；130-第二毛细管；13-第二壳体；14-粗波分复用器；15-第一光纤；16-第二光纤；200-大动态光纤传感系统；20-光纤解调仪；201-扫描激光器；202-耦合器；203-环形器；204-第一光电转换器；205-参考器件；206-第二光电转换器；207-数据采集器；208-相位解调器；21-数据算法服务器；22-监视仪。
具体实施方式
下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚地描述。显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本申请的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的其他实施例，都属于本申请的保护范围。
以下，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本申请的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。
此外，本申请中，“上”、“下”、“内”、“外”等方位术语是相对于附图中的部件示意置放的方位来定义的，应当理解到，这些方向性术语是相对的概念，它们用于相对于的描述和澄清，其可以根据附图中部件所放置的方位的变化而相应地发生变化。
图1是本申请实施例提供的用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器的结构示意图。
参见图1，本申请提供的大动态光纤传感器100安装在被测管道上，包括第一壳体10、压力子传感器11、声波子传感器12、第二壳体13和粗波分复用器14。
第一壳体10内部设有腔体，且第一壳体10包括开口101，其中，第一壳体10内部的腔体可以通过开口101与被测管道连通。也就是说，被测管道内部的介质可以通过开口101进入到第一壳体10的腔体内部。被测管道内的介质可以包括被运输的天然气、石油、水等。
压力子传感器11和声波子传感器12均设置在第一壳体10的第一壁面102，其中，第一壁面102与开口101相对设置。且声波子传感器12与压力子传感器11并联。也就是说，第一壳体10为压力子传感器11和声波子传感器12提供了安装空间。压力子传感器11可以用于检测负压波和管内绝对压力值。声波子传感器12可以用于检测声波压力。
第二壳体13设置在第一壳体10的第二壁面103，其中，第一壁面102与第二壁面103可以互为背对面，且第二壳体13与第一壳体10的第二壁面103围合形成腔体。
也就是说，第一壁面102可以为第一壳体10的内壁面，第二壁面103可以为第一壳体10的外壁面，且第一壁面102和第二壁面103是第一壳体10的同一个侧壁上相对的两个壁面。
第二壳体13内部设有粗波分复用器14，第二壳体13为粗波分复用器14提供了安装空间。
其中，压力子传感器11通过第一光纤15与粗波分复用器14相连，声波子传感器12通过第二光纤16与粗波分复用器14相连。第一光纤15和第二光纤16均穿过第一壳体10的壁面。
具体的，第一壳体10相对开口101的侧壁上可以设有两个通孔，两个通孔从第一壁面102延伸至第二壁面103，第一光纤15和第二光纤16可以分别通过与其对应的通孔进入第二壳体13内部的腔体，从而与粗波分复用器14相连。
图2是本申请实施例提供的压力子传感器的结构示意图。
参见图2，压力子传感器11包括第一连接座111、第一基体112、第一管体113和第一感压膜片114。
第一连接座111一端连接在第一壁面102。第一基体112连接在第一连接座111的另一端。第一管体113一端与第一基体112背离第一连接座111的侧面相连，另一端覆盖有第一感压膜片114。
也就是说，沿着第一壁面102到开口101的方向依次连接有第一连接座111、第一基体112、第一管体113和第一感压膜片114。
其中，第一基体112、第一管体113和第一感压膜片114可以通过高温热熔或者胶粘的方式进行耦合。
优选的，第一基体112、第一管体113和第一感压膜片114可以通过高温热熔方式耦合。
第一基体112可以为具有一定厚度、其内部具有通孔结构的圆板，可以为石英材质。中间通孔的直径可以为0.2-0.5mm。
在一个具体的实现中，第一基体112中间开直径为0.3mm的通孔。
其中，第一光纤15通过第一毛细管115穿设在第一连接座111和第一基体112之间，第一连接座111的内径大于第一基体112的内径。第一毛细管115通过第一焊料116连接在第一基体112内。第一毛细管115的端部伸出第一基体112并位于第一管体113的腔体内，且位于第一管体113内的第一光纤15伸出第一毛细管115的端部。
具体的，第一毛细管115的材质可以为石英，第一毛细管115的外径可以为0.2-0.5mm，第一毛细管115的内径为0.12-0.15mm。
在一个具体的实现中，第一毛细管115的外径可以为0.3mm，内径可以为0.13mm。
第一感压膜片114位于第一管体113一侧的表面还镀设有第一高反膜117，第一光纤15伸出第一毛细管115的一侧的端面与第一高反膜117之间形成有第一法布里-珀罗谐振腔118。其中，第一感压膜片114的材质可以为石英，第一高反膜117的反射率可以大于90%。第一管体113可以为石英材质，具体可以为厚壁石英管。
在压力子传感器11受到压力时，第一感压膜片114发生变形，第一法布里-珀罗谐振腔118的长度发生变化，可以通过该长度变化，进而反推出压力值。
具体的，第一法布里-珀罗谐振腔118的长度可以为第一光纤15的端面到第一高反膜117表面之间的直线距离。该距离可以为150-350μm。
在一个具体的实现中，该长度可以为150μm、200μm、250μm、300μm或350μm。
可以通过调整第一管体113的长度、第一毛细管115端部与第一连接点119之间的距离调节第一法布里-珀罗谐振腔118的长度。
第一毛细管115伸出第一基体112的端部与第一光纤15通过高温热熔的方式形成第一连接点119，第一连接点119到第一光纤15的端面之间的距离可以为3-5mm。
也就是说，第一光纤15伸出第一毛细管115的长度可以为3-5mm。将伸出长度设置在3-5mm范围内，可以保证第一光纤15的端面与第一高反膜117平行，避免伸出距离较短时，受热熔方式导致端面与第一高反膜117不平行，同时也避免伸出距离过长，第一光纤15由于重量原因下垂导致端面与对第一高反膜117不平行。
一个具体的实现中，该长度可以为4mm。
在压力子传感器11中，可以通过调整优化第一感压膜片114的厚度、材质和第一管体113的内径，设计不同的压力敏感度。还可以通过调整优化第一感压膜片114的厚度、材质、第一管体113的壁厚、内径，设计不同的耐压强度。这样，在保证压力子传感器11的耐压强度为10MPa时，灵敏度可达到1000nm/MPa。
在一个具体的实现中，在对压力子传感器11进行组装的过程中，可以将第一光纤15剥离一段长度的涂覆层并露出裸光纤，端面抛光处理，长度比第一毛细管115长出3-5mm，穿进石英材质的第一毛细管115内，第一光纤15的涂覆层端面与第一毛细管115端面贴合，通过高温热熔的方式将第一毛细管115和第一光纤15可靠耦合，形成第一连接点119。与第一光纤15组合后的第一毛细管115穿进第一基体112的中间通孔内，二者过渡配合，通过玻璃材质的第一焊料116进行耦合。
图3是本申请实施例提供的声波子传感器的结构示意图。
参见图3，声波子传感器12包括第二连接座120、第二管体121、第二高反膜124和弹簧管127。
第二连接座120一端连接在第一壁面102，且与第一连接座111间隔设置。通过间隔设置第一连接座111和第二连接座120，避免压力子传感器11与声波子传感器12在检测过程中相互影响。
第二管体121一端与第二连接座120的另一端相连，且第二管体121的另一端覆盖有第二感压膜片122。也就是说，沿着第一壁面102向开口101延伸的方向，依次设有第二连接座120、第二管体121和第二感压膜片122。
其中，第二连接座120、第二管体121和第二感压膜片122可以通过高温热熔或胶粘的方式耦合。
优选的，第二连接座120、第二管体121和第二感压膜片122可以通过高温热熔方式耦合。
第二连接座120可以为具有一定高度的圆柱体，材质可以为石英，中间通孔直径可以为0.2-05mm。第二管体121的材质可以为石英，具体可以为厚壁石英管。第二感压膜片122可以为石英材质的薄圆片。
在一个具体的实现中，第二管体中间开直径为0.3mm的通孔。
其中，第二光纤16通过第二毛细管130穿设在第二连接座120内，第二毛细管130的外壁面与第二连接座120之间设有第二焊料123，第二毛细管130伸出第二连接座120并位于第二管体121的腔体内，且第二光纤16伸出所述第二毛细管130背离第二连接座120的端部。
也就是说，第二毛细管130伸出第二连接座120，且第二光纤16伸出第二毛细管130。
具体的，第二毛细管130的材质可以为石英，第二毛细管130的外径可以为0.2-0.5mm，内径可以为0.12-0.15mm。
在一个具体的实现中，第二毛细管130的外径可以为0.3mm，内径可以为0.13mm。
第二感压膜片122位于第二管体121内的一侧镀设有第二高反膜124，第二光纤16伸出第二毛细管130的端面与第二高反膜124之间形成有第二法布里-珀罗谐振腔125。其中，第二高反膜124的反射率可以大于90%。第二法布里-珀罗谐振腔125的长度可以为第二光纤16的端面到第二高反膜124之间的之间距离，该距离可以为150-350μm。
在一个具体的实现中，该长度可以为160μm、240μm、260μm、340μm或340μm。
可以通过调节第二管体121的长度、第二毛细管130穿出第二连接座120的距离调节第二法布里-珀罗谐振腔125的长度。
第二毛细管130伸出第二连接座120的部分与第二光纤16通过高温热熔的方式形成有第二连接点128和第三连接点129，第二连接点128靠近第二连接座120与第二管体121的连接面，第三连接点129为第二毛细管130伸出第二连接座120的端部，且第三连接点129背离第二连接座120与第二管体121的连接面。其中，第二光纤16伸出第二毛细管130的端部的距离可以为3-5mm。
也就是说，第二光纤16的端部伸出第二毛细管130的长度可以为3-5mm，也即第二光纤16的端部与第三连接点129之间的距离。将该长度设置在3-5mm，可以保证第二光纤16的端面与第二高反膜124平行，避免伸出距离较短时，受热熔方式导致端面与第二高反膜124不平行，同时也避免伸出距离过长，第二光纤16由于重量原因下垂导致端面与对第二高反膜124不平行。
一个具体的实现中，该长度可以4mm。
在一个具体的实现中，第二光纤16的安装过程可以为，将第二光纤16剥除一段距离涂覆层露出裸光纤，端面抛光处理，穿进第二毛细管130内，第二光纤16涂覆层端面与第二毛细管130端面贴合，且长度比第二毛细管130的长度长4mm。第二光纤16涂覆层端面与第二毛细管130通过高温热熔的方式可靠耦合，形成第二连接点128和第三连接点129，与第二光纤16组合后的第二毛细管130穿进第二连接座120的中间通孔内，二者过渡配合，通过第二焊料123进行耦合。
第二连接座120还设有静压平衡孔126，静压平衡孔126包括第一开口126a和第二开口126b，静压平衡孔126可以通过第一开口126a与第二管体121的内部腔体连通。
在一个具体的实现中，继续参见图3，静压平衡孔126可以为沿轴向截面为L型的通孔。直径可以为0.5-1.5mm。
在一个具体的实现中，静压平衡孔126的直径可以为1mm。
在第二开口126b处还设有弹簧管127，弹簧管127通过粘结剂连接在第二开口126b处，第二法布里-珀罗谐振腔125可以通过静压平衡孔126与弹簧管127连通，进而使得第二法布里-珀罗谐振腔125可以通过弹簧管127与外部连通。其中，第二连接座120、第二管体121和第二高反膜124之间，填充有平衡介质。其中，平衡介质可以为硅油。
具体地，弹簧管127可以为金属材质，外径可以为0.8-1.2mm，内径可以为0.3-0.5mm。
在一个具体的实现中，弹簧管127的外径可以为1mm，内径可以为0.4mm。
通过设置静压平衡孔126，使得第二管体121的内部腔体与声波子传感器12的外部导通，起到静压平衡的作用，使得本申请实施例提供的大动态光纤传感器100可以承受大于10MPa的静压。
在声波子传感器12中，可以通过调整优化第二感压膜片122的厚度、材质和第二管体121的内径尺寸设计压力子传感器11的声压灵敏度。
由于管道泄漏产生的宽频声波中，只有次声波能进行长距离传输，且被测管道内压力较大，可以达到10Mpa。静压平衡孔126在相应特征上体现为高通滤波，截止频率以下灵敏度降低，使次声波信号的探测能力不足，高通截止频率为：
；
其中，c为环境中的声速，S 孔 为静压平衡孔126的截面积，l 孔 为静压平衡孔126的长度；V 腔 为第二感压膜片122左侧的腔体体积。
由公式可知，若要降低截止频率，需要控制l 孔 增大，S 孔 减小，V 腔 增大。
为保证大动态光纤传感器100可以在Mpa级大静压下实现mPa级声压信号的检测，通过设置静压平衡孔126和弹簧管127的配合，以提高次声波信号的探测能力以及提高次声波信号的检测能力。也就是说，弹簧管127的设置使静压平衡孔126的长度增加明显，弹簧管和静压平衡孔126可以共同作为静压平衡结构。可以采用外径为1mm，内径为0.4mm的不锈钢材质的弹簧管127，一端插入第二连接座120的L型静压平衡孔126的第二开口126b处，通过胶粘固定，弹簧管127套设在第二连接座120和第二管体121的外侧。上述公式中的S 孔 由静压平衡孔126的1mm内径减小为金属弹簧管127的0.4mm内径，可以大大降低静压平衡结构的高通截止频率，更易实现低频次声波声信号的高灵敏探测。
基于上述结构，压力子传感器11可以实现MPa级大静压检测，声波子传感器12可以实现mPa级微小声压的检测，以使本申请实施例提供的大动态光纤传感器100可以实现1mPa到10MPa的压力检测，动态范围可以达到200dB，可同时用于负压波法、次声波法和压力梯度法等基于压力检测的管道泄漏检测，实现油、气、水等多类型管道的泄漏检测。同时，各种检测方法可以相互校准、耦合，可大大降低检测系统的误报率，提高泄漏点定位的精度。
图4是本申请实施例提供的用于管道泄漏检测的大动态光纤传感系统的结构示意图。
结合图1和图4，大动态光纤传感系统200包括：用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器100、光纤解调仪20、数据算法服务器21和监视仪22。
大动态光纤传感器100的一端位于被测管道内部，另一端位于被测管道外。具体的，大动态光纤传感器100的第一壳体10设置在被测管道内，第一壳体10的内部腔体通过开口101与被测管道内部连通，第二壳体13位于被测管道外。
其中，第一壳体10可以与被测管道通过螺纹连接，具体可以为NPT密封螺纹，被测管道内的介质可以通过第一壳体10的开口101进入第一壳体10内部的腔体内，与压力子传感器11和声波子传感器12接触。
大动态光纤传感器100内部的第一光纤15和第二光纤16通过粗波分复用器14后，合成为一芯光纤。大动态光纤传感器100可以通过一芯光纤与光纤解调仪20相连，并将检测到的检测数据传送至光纤解调仪20。
光纤解调仪20还可以通过光纤与数据算法服务器21连接，并将接收到的信号传送至数据算法服务器21。
监视仪22可以通过线路与数据算法服务器21相连，用于监视数据算法服务器21处理得到的所需信号。
图5是本申请实施例提供的光纤解调仪内部结构图。
图6是本申请实施例提供的声波子传感器和压力子传感器的反射光谱图。
参见图5和图6，光纤解调仪20包括扫描激光器201、耦合器202、环形器203、第一光电转换器204、参考器件205、第二光电转换器206、数据采集器207和相位解调器208。
扫描激光器201用于发射激光信号。环形器203一端通过耦合器202与扫描激光器201相连，另一端通过光纤与大动态光纤传感器100相连，用于将激光信号传输至大动态光纤传感器100，并接收大动态光纤传感器100回传的第一光信号。第一光电转换器204与环形器203相连，用于将第一光信号转换为第一电信号。参考器件205与耦合器202相连，用于接收激光信号，并产生第二光信号。其中，参考器件205可以为标准气室或具有标准距离的法布里-珀罗谐振腔。第二光电转换器206与参考器件205相连，用于将第二光信号转换为第二电信号。数据采集器207，分别与第一光电转换器204和第二光电转换器206相连，用于将第一电信号和第二电信号转换为数字信号。相位解调器208与数据采集信号相连，被配置为解调数字信号，并将解调后的数字信号通过光纤传送至数据算法服务器21。
在一个具体的实现中，光纤解调仪20工作流程可以为，扫描激光器201发出的光经耦合器202一分为二，一束光进入环形器203后通过粗波分复用器14对一芯光纤一分为二，将不同波长激光进行分区，可以将1510nm-1535nm激光分给压力子传感器11，将1535nm-1560nm波长激光分给声波子传感器12。其中，压力子传感器11和声波子传感器12的反射光谱的光谱分区如图6所示。避免了传统传感器每支子传感器需单独配置一芯光纤的弊端。这样，可以充分利用光纤解调仪20通道，实现光纤解调仪20单通道多个子传感器的解调，大大节省了成本。其中，激光分区时，还可以将1535nm-1560nm波长的激光分给声压子力传感器，将1510nm-1535nm波长的激光分给声波子传感器12，并不固定。
一分为二后的光在两支子传感器的法布里-珀罗谐振腔内发生干涉，被测管道发生泄漏时产生管内压力变化，产生负压波和声波信号，引起法布里-珀罗谐振腔的腔长变化，产生干涉光谱变化。两路反射光经粗波分复用器14进行合并，后经过环形器203进入第一光电转换器204进行光电转化。耦合器202的另一束光进入参考器件205，后进入第二光电转换器206进行光电转化。
通过数据采集器207对第一光电转换器204和第二光电转换器206的数据进行采集，后通过相位解调器208内含的算法进行解调，在扫描激光器201每个波长扫描周期中，通过参考器件205实时动态标定气体吸收峰或法布里-珀罗谐振腔的透射谱波长，对第一法布里-珀罗谐振腔118和第二法布里-珀罗谐振腔125干涉光谱进行实时补偿校准，进而高精度解调出表征压力的数字信号。其中，压力子传感器11的最大量程可到10MPa，压力分辨率可达0.0001MPa，可检测压力动态范围为100dB。声波子传感器12在静压10MPa情况下，最大可探测声压0.001MPa，声压分辨率可达10mPa，动态范围100dB。这样，大动态光纤传感器100可实现10mPa到10MPa全量程的压力检测，可检测压力动态范围达到180dB。
在一个具体实现中，大动态光纤传感器100检测压力以及管道漏点位置的工作流程可以为，在油气管道上相隔预设距离L安装两个大动态光纤传感器100，其与被测管道内介质直接接触，一般可以安装在场站或阀室的进口端或出口端，大动态光纤传感器100通过光缆与光纤解调仪20连接，光纤解调仪20安装在场站、阀室的室内。当两个大动态光纤传感器100之间的管道上有泄漏时，被测管道内介质压力平衡被打破，产生负压波和声波，负压波和声波（尤其次声波）会沿管道内流体向两侧传播，到达安装在管道两端的大动态光纤传感器100，通过光纤传给光纤解调仪20，解调出压力和声波信号，两端光纤解调仪20通过北斗系统进行授时同步，通过沿被测管道预埋的一芯通信光纤或通过5G网络传输到数据算法服务器21，利用模式识别和人工智能技术，实时甄别和分析负压波、声波信号，确定是否发生泄漏。最后根据负压波、声波信号到达两端的时间差，进一步计算出泄漏发生的具体位置，其定位公式可以为：
；
其中，X为漏点距离一个大动态光纤传感器100的距离，v为声波或负压波在管道中的传播速度，Δt为两端的大动态光纤传感器100接收到的声波或负压波的时间差，L为两个大动态光纤传感器100之间的距离。
本申请实施例提供的大动态光纤传感系统200，通过大动态光纤传感器100的距离以及布设数量，可以实现较大动态范围的测量，检测精度高，安全性高，且能够精准定位到管道的具体漏点位置。
需要说明的是，本领域技术人员在考虑说明书及实践这里公开的申请后，将容易想到本申请的其它实施方案。本申请旨在涵盖本申请的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本申请的一般性原理并包括本申请未公开的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本申请的真正范围由权利要求指出。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。

Claims (10)

1.一种用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器，其特征在于，包括：
第一壳体，所述第一壳体内部设有腔体，所述第一壳体上设有开口，所述第一壳体的腔体通过所述开口与被测管道连通；
压力子传感器，设置在所述第一壳体的第一壁面且位于所述第一壳体的腔体内；其中，所述第一壁面与所述开口相对设置；
声波子传感器，设置在所述第一壁面，且所述声波子传感器与所述压力子传感器并联；
第二壳体，设置在所述第一壳体的第二壁面，其中，所述第一壁面与所述第二壁面互为背对面；且所述第二壳体与所述第一壳体的第二壁面围合形成腔体；
粗波分复用器，设置在所述第二壳体的腔体内；所述压力子传感器通过第一光纤与所述粗波分复用器相连，所述声波子传感器通过第二光纤与所述波分复用器相连；其中，所述第一光纤和所述第二光纤均穿过所述第一壳体。
2.根据权利要求1所述的用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器，其特征在于，所述压力子传感器包括：
第一连接座，一端连接在所述第一壁面；
第一基体，连接在所述第一连接座的另一端；
第一管体，一端与所述第一基体背离所述第一连接座的侧面相连，另一端覆盖有第一感压膜片，其中，所述第一光纤通过第一毛细管穿设在所述第一连接座与所述第一基体之间，所述第一连接座的内径大于所述第一基体的内径，所述第一毛细管通过第一焊料连接在所述第一基体内，且所述第一毛细管的端部伸出所述第一基体并位于所述第一管体的腔体内；所述第一光纤伸出所述第一毛细管的端部；
第一高反膜，位于所述第一管体内部，且镀设在所述第一感压膜片上，所述第一光纤伸出所述第一毛细管一端的端面与所述第一高反膜之间形成有第一法布里-珀罗谐振腔。
3.根据权利要求2所述的用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器，其特征在于，
所述第一毛细管伸出所述第一基体的端部与所述第一光纤通过热熔的方式形成第一连接点；其中，所述第一光纤从所述第一连接点到所述第一光纤的端面的距离为3-5mm。
4.根据权利要求3所述的用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器，其特征在于，
所述第一法布里-珀罗谐振腔的长度为150-350μm；所述第一高反膜的反射率大于90%。
5.根据权利要求4所述的用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器，其特征在于，
所述第一连接座、所述第一基体、所述第一管体和所述第一感压膜片均为石英材质；
所述第一基体的内径为0.2-0.5mm，所述第一毛细管的外径为0.2-0.5mm，所述第一毛细管的内径为0.12-0.15mm。
6.根据权利要求2所述的用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器，其特征在于，所述声波子传感器包括：
第二连接座，一端连接在所述第一壁面，且与所述第一连接座间隔设置；
第二管体，一端与所述第二连接座的另一端相连，另一端覆盖有第二感压膜片；其中，所述第二光纤通过第二毛细管穿设在所述第二连接座内，所述第二毛细管的外壁面与所述第二连接座之间设有第二焊料，所述第二毛细管伸出所述第二连接座并位于所述第二管体的腔体内，且所述第二光纤伸出所述第二毛细管背离所述第二连接座的端部；
第二高反膜，位于所述第二管体内，且镀设在所述的第二感压膜片上，所述第二光纤伸出所述第二毛细管的端面与所述第二高反膜之间形成有第二法布里-珀罗谐振腔；
其中，所述第二连接座上设有静压平衡孔，所述静压平衡孔包括第一开口和第二开口，所述静压平衡孔通过所述第一开口与所述第二管体的内部连通；
弹簧管，一端通过粘结剂连接在所述第二开口处，另一端朝向所述第一壳体的开口方向延伸，所述第二法布里-珀罗谐振腔通过所述静压平衡孔与所述弹簧管连通；其中，所述第二连接座、所述第二管体和所述第二高反膜之间，填充有平衡介质。
7.根据权利要求6所述的用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器，其特征在于，
所述第二毛细管伸出所述第二连接座的部分与所述第二光纤通过热熔的方式形成有第二连接点和第三连接点，所述第二连接点靠近所述第二连接座与所述第二管体的连接面，所述第三连接点为所述第二毛细管伸出所述第二连接座的端部，且所述第三连接点背离所述第二连接座与所述第二管体的连接面；其中，所述第二光纤伸出所述第二毛细管的端部的距离为3-5mm。
8.根据权利要求7所述的用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器，其特征在于，
所述静压平衡孔为L型孔，所述静压平衡孔的内径为0.5-1.5mm，所述弹簧管的内径为0.3-0.5mm。
9.根据权利要求6所述的用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器，其特征在于，
所述第二法布里-珀罗谐振腔的长度为150-350μm；所述第二高反膜的反射率大于90%；
所述第二连接座、所述第二管体和所述第二感压膜片均为石英材质；
所述第二管体的内径为0.2-0.5mm，所述第二毛细管的外径为0.2-0.5mm，所述第二毛细管的内径为0.12-0.15mm。
10.一种用于管道泄漏检测的大动态光纤传感系统，其特征在于，包括：
权利要求1-9任一项所述的用于管道泄漏检测的大动态光纤传感器，所述大动态光纤传感器的第一壳体设置在被测管道上，且所述第一壳体通过开口与所述被测管道的内部连通；
光纤解调仪，通过光纤与所述大动态光纤传感器相连；
所述光纤解调仪包括：
扫描激光器，被配置为发射激光信号；
环形器，一端通过耦合器与所述扫描激光器相连，另一端通过光纤与所述大动态光纤传感器的粗波分复用器相连，被配置为将所述激光信号传输至所述大动态光纤传感器，并接收所述大动态光纤传感器回传的第一光信号；
第一光电转换器，与所述环形器相连，被配置为将所述第一光信号转换为第一电信号；
参考器件，与所述耦合器相连，被配置为接收所述激光信号，并产生第二光信号；
第二光电转换器，与所述参考器件相连，被配置为将所述第二光信号转换为第二电信号；
数据采集器，分别与所述第一光电转换器和所述第二光电转换器相连，被配置为将所述第一电信号和所述第二电信号转换为数字信号；
相位解调器，与所述数据采集器相连，被配置为解调所述数字信号；
其中，所述大动态光纤传感器和所述光纤解调仪一一对应设置，且所述大动态光纤传感器和所述光纤解调仪的数量均为多个；其中，任意两个所述大动态光纤传感器按照预设距离设置在所述被测管道上；
数据算法服务器，与所述光纤解调仪相连，被配置为，接收解调后的所述数字信号。
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