CN203147289U

CN203147289U - 双Sagnac管道安全监测系统

Info

Publication number: CN203147289U
Application number: CN 201220592243
Authority: CN
Inventors: 何存富; 阮力; 冯沛珮; 宋国荣; 吴斌
Original assignee: Beijing University of Technology
Current assignee: Beijing University of Technology
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2022-11-12

Abstract

本实用新型双Sagnac管道安全监测系统，是一种采用双Sagnac环形光纤干涉仪传感器，属于光学传感器技术领域。本实用新型使用在沿管道铺设的光缆作为传感光纤，当管道附近发生破坏性扰动时，会在地表产生振动声源，经由土层作为传播介质，对光缆中的光纤产生局部的振动作用，这种振动会对光纤中传播的光信号进行调制，在光缆的终端利用光信号接收转换装置获得所需要的结果，并进行数据信号分析处理和安全性评价。光纤沿管道铺设，位于管道下方，外部为胶层保护，在激励端和接收端引出以串联方式连接用于激励和接收信号。本实用新型可解决其它方法不能对可能的破坏性行为进行即时监测，无法对被破坏或扰动地点进行即时定位的现状，使监测时间、范围和判断精度得到了有效的提升。

Description

双Sagnac管道安全监测系统

技术领域

本实用新型设计一种基于双Sagnac光纤干涉仪传感器系统，属于光学传感器技术领域，其作用是把因外界扰动产生的声信号通过对光纤中传播的光信号进行调制，然后对被调制的光信号进行处理和分析，从而对所监测范围内管道沿线有无偷盗油或有无人为等破坏性扰动行为进行监测，对扰动发生地点进行定位。该传感器系统可以用于输油气管道的长距离安全监测，实现有效的预警监控。

背景技术

当前，对于管道沿线是否发生偷盗油或其它人为因素等威胁安全生产运行的行为事件、行为发生地点的确定，多为人工巡查、质量平衡法、应力波法、声波法等传统方法，但这些方法效率低，误判和盲点多，不能及时对带来管道破坏的行为进行监控，因此给管道安全运行监测带来了很多不便。北京工业大学的何存富、杭利军等实用新型了一种用于实时管道泄漏检测的分布式光纤传感器系统，使用方便且可实时在线监测，但该系统能量损耗较大，且对管道泄漏前威胁管道安全运行的行为还缺乏有效的预警监控，可监测信号幅值低、频率高，限制了其监测实效、空间范围和精度。

实用新型内容

本实用新型的目的在于解决了管道安全监测中外界实施的扰动所产生的振动信号无法准确、即时测量的缺点，以及扰动信号发生位置的在线实时定位，提出了一种用于实时管道安全监测的分布式光纤传感器系统。本实用新型中的监测系统提高了被监测信号的幅度及信噪比，提高了定位精度，可实现预警监控。

为了实现上述目的，本实用新型采取了如下技术方案：

双Sagnac管道安全监测系统包括光源1、第一耦合器21、第二耦合器22、第三耦合器23、第四耦合器24、第五耦合器25、第六耦合器26、起偏器3、第一延迟光纤41、第二延迟光纤42、第一压电陶瓷相位调制器51、第二压电陶瓷相位调制器52、第一保偏器61、第二保偏器62、传感光纤7以及信号采集装置8；光源1发出的激光依次通过第一耦合器21和起偏器3，再通过第二耦合器22分为两路光，形成两个光回路结构；一路光回路为：光在回路中依次经过第一保偏器61，第三耦合器23、第一延迟光纤41、第四耦合器24、传感光纤7、第五耦合器25、第二压电陶瓷相位调制器52、第六耦合器26、第二保偏器62，另一路光回路为：光在回路中依次经过第二保偏器62、第六耦合器26、第二压电陶瓷相位调制器52、第五耦合器25、传感光纤7、第四耦合器24、第一延迟光纤41、第三耦合器23及第一保偏器61，形成正反两个方向的传播回路，最终两路光均传输入第二耦合器22并在第二耦合器22中形成干涉光，最后由信号采集装置8接收并进行分析处理。

传感光纤部分为单模光纤作为传感器，沿被监测管道铺设，与非传感部分串联形成环状结构。压电陶瓷相位调制器5为柱状压电陶瓷环，外表缠绕N圈的光纤，N为大于20的整数，光纤需用强力胶固定，使光纤与压电陶瓷环紧密成为一体。

第一压电陶瓷相位调制器51和第二压电陶瓷相位调制器52内外表各引有一根导线，导线与函数发生器等标准信号发射装置两级相连，为第一压电陶瓷相位调制器51和第二压电陶瓷相位调制器52提供恒定的电压和调制频率；第一压电陶瓷相位调制器51和第二压电陶瓷相位调制器52所缠绕的光纤圈数越多，所需外加电压幅值越低。

本实用新型采用了以上的技术方案，使监测系统所接收到的扰动信号幅度有较大的提高，信号的信噪比得到比较明显的改善，进而增加了管道安全监测系统的实时监控和有效监测范围，并提高了监测精度。

附图说明

图1本实用新型系统整体示意图；

图2第一压电陶瓷相位调制器51和第二压电陶瓷相位调制器52示意图；

图3调制频率84kHz，扰动频率为500Hz的信号频谱图；

图4调制频率93kHz，扰动频率为500Hz的信号频谱图；

图5调制频率84kHz，扰动频率为1000Hz的信号频谱图；

图6调制频率93kHz，扰动频率为1000Hz的信号频谱图；

图7调制频率84kHz，扰动频率为2000Hz的信号频谱图；

图8调制频率93kHz，扰动频率为2000Hz的信号频谱图；

图9扰动位置4009m的定位结果；

图10扰动位置11719m的定位结果；

图中，1、光源，21、第一耦合器，22、第二耦合器，23、第三耦合器，24、第四耦合器，25、第五耦合器，26、第六耦合器，3、起偏器，41、第一延迟光纤，42、第二延迟光纤，51、第一压电陶瓷相位调制器，52、第二压电陶瓷相位调制器，6、保偏器，7、单模光纤。

具体实施方式

结合本实用新型方法的内容提供以下实施例：

本实施例的结构如图1所示，包括光源1、第一耦合器21、第二耦合器22、第三耦合器23、第四耦合器24、第五耦合器25、第六耦合器26、起偏器3、第一延迟光纤41、第二延迟光纤42、第一压电陶瓷相位调制器51、第二压电陶瓷相位调制器52、第一保偏器61、第二保偏器62、传感光纤7以及信号采集装置8。光源1发出的激光先后通过2×1第一耦合器21、起偏器3和第二耦合器22，输出两路光分别进入第三耦合器23和第六耦合器26。两路光各自经过不同的回路结构相互独立，分别顺时针传播和逆时针传播，顺时针传播路径为第一保偏器61，第三耦合器23、第一延迟光纤41、第四耦合器24、传感光纤7、第五耦合器25、第二压电陶瓷相位调制器52、第六耦合器26、第二保偏器62；逆时针方向经由第二保偏器62、第六耦合器26、第二压电陶瓷相位调制器52、第五耦合器25、传感光纤7、第四耦合器24、第一延迟光纤41、第三耦合器23及第一保偏器61。顺逆光回到第二耦合器22后发生干涉，经起偏器3和第一耦合器21，由信号采集装置8接收并进行信号处理和分析。

本实施例中光纤为单模光纤，光纤传感部分长度11719m，光源波长为1550nm，光源功率19dB，光纤折射率1.5，光波速2×10⁸m/s。系统传感光纤部分和非传感部分均置于隔音层中。压电陶瓷相位调制器外加峰值为3V，调制信号为正弦电压，频率为84kHz和93kHz。光信号经起偏器后输出的光波信号在光路中传播。函数发生器的信号通过导线与第一压电陶瓷相位调制器和第二压电陶瓷相位调制器相连，提供设定的调制正弦电压。经距离长度为L的传感光纤后，经干涉有信号接收装置接收信号，通过光电转换器及端口输入到计算机中并进行处理分析。

首先，根据不同延迟光纤长度所对应的压电陶瓷相位调制器的调制频率，再用不同频率的信号，对光纤不同地点进行扰动，实验结果如图3-图5所示，分别给出了不同调制频率条件下，不同扰动频率信号的瞬态频域波形。图3和图4给出了500Hz扰动频率的监测信号，图5和图6给出了1000Hz扰动频率的监测信号，图7和图8给出了2000Hz扰动频率的监测信号。通过图3-图8信号可以看出，随着扰动信号频率的增加，所检测到的信号幅度变大，检测效果更好。

通过上述分析可知，监测系统的扰动监测频率在500Hz以上均可得到较为满意的结果，外扰动越强烈，产生的扰动信号频率越高，检测效果越好。图9和图10为不同位置施加扰动的定位结果，从图6中可以明显看出，通过采用双Sagnac干涉仪的管道安全监测系统可以对管道沿线的外扰动信号进行实时地较精确定位，定位精度达到了94％，有效地提高了管道安全的监测效果。

Claims

1.双Sagnac管道安全监测系统，其特征在于：其包括光源（1）、第一耦合器（21）、第二耦合器（22）、第三耦合器（23）、第四耦合器（24、第五耦合器（25）、第六耦合器（26）、起偏器（3）、第一延迟光纤（41）、第二延迟光纤（42）、第一压电陶瓷相位调制器（51）、第二压电陶瓷相位调制器（52）、第一保偏器（61）、第二保偏器（62）、传感光纤（7）以及信号采集装置（8）；光源（1）发出的激光依次通过第一耦合器（21）和起偏器（3），再通过第二耦合器（22）分为两路光，形成两个光回路结构；一路光回路为：光在回路中依次经过第一保偏器（61），第三耦合器（23）、第一延迟光纤（41）、第四耦合器（24）、传感光纤（7）、第五耦合器（25）、第二压电陶瓷相位调制器（52）、第六耦合器（26）、第二保偏器（62），另一路光回路为：光在回路中依次经过第二保偏器（62）、第六耦合器（26）、第二压电陶瓷相位调制器（52）、第五耦合器（25）、传感光纤（7）、第四耦合器（24）、第一延迟光纤（41）、第三耦合器（23）及第一保偏器（61），形成正反两个方向的传播回路，最终两路光均传输入第二耦合器（22）并在第二耦合器（22）中形成干涉光，最后由信号采集装置（8）接收并进行分析处理。

2.根据权利要求1所述的双Sagnac管道安全监测系统，其特征在于：所述的作为传感器的传感光纤（7）采用单模光纤，沿被监测管道铺设，形成环状结构。

3.根据权利要求1所述的双Sagnac管道安全监测系统，其特征在于：第一压电陶瓷相位调制器（51）和第二压电陶瓷相位调制器（52）为柱状压电陶瓷环，外表缠绕N圈的光纤，N为大于20的整数，光纤用强力胶固定，使光纤与压电陶瓷环紧密成为一体；第一压电陶瓷相位调制器（51）和第二压电陶瓷相位调制器（52）内外表各引有一根导线，导线标准信号发射装置两级相连，为第一压电陶瓷相位调制器（51）和第二压电陶瓷相位调制器（52）提供恒定的电压和调制频率。