CN114088241A - 一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆及使用方法 - Google Patents

一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆及使用方法 Download PDF

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Abstract

一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆，包括外包裹层及其内部设置的中缆腔，所述中缆腔内设置有一根振动传感光纤与一根温度传感光纤，所述振动传感光纤沿中缆腔的轴向设置，振动传感光纤的首、尾端分别与中缆腔的两端相互交接，振动传感光纤的中部上设置有至少两个啁啾光栅；所述温度传感光纤的首、尾端均与振动传感光纤的中部相连接，温度传感光纤的中部包括依次连接的多个温度光纤段，相邻的温度光纤段之间的交接点都与振动传感光纤的中部相连接，且在温度光纤段的中部都设置有窄带光敏光栅。本设计不仅适用于不止一种介质管道监测，而且泄漏点定位的精准度较高。

Description

一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆及使用方法
技术领域
本发明涉及一种传感光缆，属于管道泄漏监测领域，尤其涉及一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆及使用方法。
背景技术
管道一旦发生泄漏，造成的后果十分严重，不仅会造成资源损失，还可能造成人员伤亡。不同介质管道泄漏所引发的现象也不同：大多数气体管道泄漏时引起的振动变化较大，温度变化较小，而大多数液体管道泄漏时引起的温度变化较大，振动变化较小。
现有的管道泄漏检测技术在实际应用中多为单一介质管道监测方法，无法同时适用于其它不同介质管道的泄漏监测，此外，泄漏点定位的精准度也较低，难以实现长距离管道的准确监测，误报率、漏报率比较高。
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术中存在的只适用于单一介质管道监测、泄漏点定位的精准度较低的缺陷与问题，提供一种适用于不止一种介质管道监测、泄漏点定位的精准度较高的弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆及使用方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆，包括外包裹层及其内部设置的中缆腔，且外包裹层、中缆腔同轴设置；
所述中缆腔内设置有一根振动传感光纤与一根温度传感光纤，所述振动传感光纤沿中缆腔的轴向设置，振动传感光纤的首端、尾端分别与中缆腔的两端相互交接，振动传感光纤的中部上设置有至少两个啁啾光栅；
所述温度传感光纤的首端、尾端均与振动传感光纤的中部相连接，温度传感光纤的中部包括依次连接的多个温度光纤段，相邻的温度光纤段之间的交接点都与振动传感光纤的中部相连接，且在温度光纤段的中部都设置有窄带光敏光栅。
所述振动传感光纤、温度传感光纤均为弱光纤光栅阵列传感光纤。
所述振动传感光纤上与温度传感光纤之间的交接点，都与啁啾光栅相互分隔。
相邻的啁啾光栅之间的间距为三米。
所述温度光纤段为松弛的下垂弧线结构，所述温度光纤段的最低点上设置有一个窄带光敏光栅。
相邻的窄带光敏光栅之间的间距为十厘米。
单个温度光纤段上只设置一个窄带光敏光栅。
所述外包裹层包括均为筒型的光纤保护套与金属铠装层，所述金属铠装层的外部包裹有光纤保护套，金属铠装层的内部开设有同轴的中缆腔，该中缆腔的内部填充有光纤油膏，该光纤油膏的内部设置有振动传感光纤与温度传感光纤。
一种上述弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：判断每个温度监测点的温度是否发生变化，单个温度监测点对应单个窄带光敏光栅；若是，视之为温度突变点，并跳转步骤二；若否，跳转步骤三；
步骤二：判断温度突变点附近的温度监测点的温度是否发生变化；若是，判定温度突变点处发生管道泄漏，跳转步骤五；若否，跳转步骤三；
步骤三：判断每个振动监测点的振动数据是否发生变化，单个振动监测点对应单个啁啾光栅；若是，视之为振动突变点，跳转步骤四；若否，判定无管道泄漏，重新开始下一轮监测；
步骤四：判断振动突变点的振动数据变化是否持续；若是，判定振动突变点处发生管道泄漏，跳转步骤五；若否，判定无管道泄漏，重新开始下一轮监测；
步骤五：根据温度突变点、振动突变点所对应的窄带光敏光栅、啁啾光栅的光栅编号；
步骤六：先根据光栅编号获得对应的米标，再根据光栅编号、米标进行定位，结束。
所述步骤一中，所述判断每个温度监测点的温度是否发生变化是指：根据每个温度监测点的温度，绘制实时温度曲线图，当曲线有明显变化时，则判断该温度监测点的温度发生变化；
所述步骤三中，所述判断每个振动监测点的振动数据是否发生变化是指：根据每个振动监测点的振动情况，绘制实时的时域图，并观察是否有异常幅值点，若有，再进行频域分析，观察是否有频率分量，若也有，则判断该振动监测点的振动发生变化；
所述步骤四中，所述判断振动突变点的振动数据变化是否持续是指：根据绘制的实时的时域图、频域图，观察异常幅值点和频率分量是否一直存在。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆及使用方法中，包括外包裹层及其内部设置的中缆腔，其中，中缆腔内设置有一根振动传感光纤与一根温度传感光纤，其中，振动传感光纤的中部上设置有至少两个啁啾光栅，温度传感光纤的中部包括依次连接的多个温度光纤段，温度光纤段的中部都设置有窄带光敏光栅，应用时，啁啾光栅负责监测监测点的振动信号，窄带光敏光栅负责监测监测点的温度信号，从而实现一根光缆兼具振动、温度监测的需求，进而能对一种以上的介质进行适用，此外，监测时能对温度监测点、振动监测点的信号相互结合，综合分析温度监测信号、振动监测信号，提升监测的精确度。因此，本发明不仅适用于不止一种介质管道监测，而且泄漏点定位的精准度较高。
2、本发明一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆及使用方法中，振动传感光纤沿中缆腔的轴向设置，振动传感光纤的首端、尾端分别与中缆腔的两端相互交接，振动传感光纤的中部上设置有至少两个啁啾光栅，同时，温度传感光纤的首端、尾端均与振动传感光纤的中部相连接，温度传感光纤的中部包括依次连接的多个温度光纤段，相邻的温度光纤段之间的交接点都与振动传感光纤的中部相连接，且在温度光纤段的中部都设置有窄带光敏光栅，应用时，不仅可以通过啁啾光栅、窄带光敏光栅分别监测振动信号、温度信号，而且，多个窄带光敏光栅呈现为独特的布局分布，从整体上看为一种独特的组网方式，通过这种组网方式能实现高空间分辨率监测，提高管道监测的准确率，尤其当相邻的窄带光敏光栅之间的间距为十厘米时，其空间分辨率可达到10cm，测温精度可达到0.5℃，避免温度变化小而产生漏报，效果更佳。因此，本发明中的温度传感光纤特设为一种独特的组网方式，监测效果较佳。
3、本发明一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆及使用方法中，温度传感光纤的首端、尾端均与振动传感光纤的中部相连接，温度传感光纤的中部包括依次连接的多个温度光纤段，温度光纤段为松弛的下垂弧线结构，温度光纤段的最低点上设置有一个窄带光敏光栅，应用时，就窄带光敏光栅自身而言，不仅相邻的窄带光敏光栅相互独立，在整体上呈现为一种独特的组网形式，而且窄带光敏光栅与振动传感光纤也间隔一定的距离，相邻的温度光纤段之间的交接点也只与振动传感光纤的中部相连接，而不会与啁啾光栅相接触，最大程度上避免了温度、振动监测相互之间的不利影响，提升了整体的监测精度。因此，本发明不仅能够提升温度监测的精度，而且能避免温度、振动监测之间的不利影响。
4、本发明一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆及使用方法中，在实际应用时，依次经历多个判断步骤，而且包括温度、振动双重判断步骤，其中，温度、振动的监测判断都包括单一监测点，以及其周围监测点两种范畴，层层推进，前后衔接，以在最大程度上提升管道泄漏监测的精确度，避免误报、漏报的发生。因此，本发明对泄漏点定位的精准度较高。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是图1的横向剖视图。
图3是本发明进行管道泄漏判断时的流程图。
图中：外包裹层1、光纤保护套11、金属铠装层12、中缆腔2、光纤油膏3、固化点4、振动传感光纤5、温度传感光纤6、温度光纤段61、窄带光敏光栅7、啁啾光栅8。
具体实施方式
以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
参见图1—图3，一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆，包括外包裹层1及其内部设置的中缆腔2，且外包裹层1、中缆腔2同轴设置；
所述中缆腔2内设置有一根振动传感光纤5与一根温度传感光纤6，所述振动传感光纤5沿中缆腔2的轴向设置，振动传感光纤5的首端、尾端分别与中缆腔2的两端相互交接，振动传感光纤5的中部上设置有至少两个啁啾光栅8；
所述温度传感光纤6的首端、尾端均与振动传感光纤5的中部相连接，温度传感光纤6的中部包括依次连接的多个温度光纤段61，相邻的温度光纤段61之间的交接点都与振动传感光纤5的中部相连接，且在温度光纤段61的中部都设置有窄带光敏光栅7。
所述振动传感光纤5、温度传感光纤6均为弱光纤光栅阵列传感光纤。
所述振动传感光纤5上与温度传感光纤6之间的交接点，都与啁啾光栅8相互分隔。
相邻的啁啾光栅8之间的间距为三米。
所述温度光纤段61为松弛的下垂弧线结构，所述温度光纤段61的最低点上设置有一个窄带光敏光栅7。
相邻的窄带光敏光栅7之间的间距为十厘米。
单个温度光纤段61上只设置一个窄带光敏光栅7。
所述外包裹层1包括均为筒型的光纤保护套11与金属铠装层12，所述金属铠装层12的外部包裹有光纤保护套11，金属铠装层12的内部开设有同轴的中缆腔2，该中缆腔2的内部填充有光纤油膏3，该光纤油膏3的内部设置有振动传感光纤5与温度传感光纤6。
一种上述弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：判断每个温度监测点的温度是否发生变化，单个温度监测点对应单个窄带光敏光栅7；若是，视之为温度突变点，并跳转步骤二；若否，跳转步骤三；
步骤二：判断温度突变点附近的温度监测点的温度是否发生变化；若是，判定温度突变点处发生管道泄漏，跳转步骤五；若否，跳转步骤三；
步骤三：判断每个振动监测点的振动数据是否发生变化，单个振动监测点对应单个啁啾光栅8；若是，视之为振动突变点，跳转步骤四；若否，判定无管道泄漏，重新开始下一轮监测；
步骤四：判断振动突变点的振动数据变化是否持续；若是，判定振动突变点处发生管道泄漏，跳转步骤五；若否，判定无管道泄漏，重新开始下一轮监测；
步骤五：根据温度突变点、振动突变点所对应的窄带光敏光栅7、啁啾光栅8的光栅编号；
步骤六：先根据光栅编号获得对应的米标，再根据光栅编号、米标进行定位，结束。
所述步骤一中，所述判断每个温度监测点的温度是否发生变化是指：根据每个温度监测点的温度，绘制实时温度曲线图，当曲线有明显变化时，则判断该温度监测点的温度发生变化；
所述步骤三中，所述判断每个振动监测点的振动数据是否发生变化是指：根据每个振动监测点的振动情况，绘制实时的时域图，并观察是否有异常幅值点，若有，再进行频域分析，观察是否有频率分量，若也有，则判断该振动监测点的振动发生变化；
所述步骤四中，所述判断振动突变点的振动数据变化是否持续是指：根据绘制的实时的时域图、频域图，观察异常幅值点和频率分量是否一直存在。
本发明的原理说明如下：
本发明不仅在振动、温度监测上能实现分辨率与测温精度同时兼顾，实现超长距离的监测；同时，本发明通过特殊的组网方式，尤其是温度监测方面的特殊布局设计，能够实现对泄漏点的高精度定位。此外，本发明中的振动传感光纤5、温度传感光纤6都优选为弱光纤光栅阵列传感光纤，弱光纤光栅监测技术利用反射光干涉原理，相比基于瑞利散射的分布式光纤传感技术，其信噪比极高，且能捕捉到非常微小的振动，可以极大程度降低误报率及漏报率，从而有利于提升本发明整体监测的精度。
本发明中的振动传感光纤5、温度传感光纤6都优选由拉丝塔在线制备，具体为：掺杂光纤预制棒经过拉丝塔拉丝后，通过相位掩模板刻栅***刻制弱光纤光栅，而后由涂覆装置进行涂覆，各个子***通过计算机实时自动控制，在刻制波长一致的弱光栅阵列上有着天然的优势。
本发明中的振动传感光纤5、温度传感光纤6的表面都优选涂覆聚酰亚胺材料，该聚酰亚胺具备耐热、耐冷性能好，热膨胀系数低等特点。理论上，经聚酰亚胺涂覆后的光纤可以在300℃的环境下长期使用，同时在高压或真空的环境也能保持良好的性能，并且具有生物友好性。
本发明中的振动传感光纤5、温度传感光纤6采用特殊的敷设方式复合在一起，其中，振动传感光纤5呈直线固定在金属铠装层12两端设置的固化点4上（优选为树脂胶固化），而温度传感光纤6的中部包括依次连接的多个温度光纤段61，相邻的温度光纤段61之间的交接点都与振动传感光纤5的中部相连接，尤其当温度光纤段61优选为松弛的下垂弧线结构时，温度传感光纤6在整体上呈现为波浪形固定在振动传感光纤5上，两者之间的固化点4也优选为树脂胶，在这种设计下，窄带光敏光栅7保持松弛状态，避免受到应力影响。此外，所有光纤之间的连接点都避开光纤上的光栅而设置，避免对振动、温度传感产生影响。
本发明在中缆腔2的内部填充有光纤油膏3，在光纤油膏3的内部设置有振动传感光纤5与温度传感光纤6，应用时，光纤油膏3用来保护光纤不受潮气侵蚀和起衬垫作用，减缓光纤受到的冲击；与此同时，光纤油膏3还可以提高外界与光栅之间的导热速度，以及加快振动信号的传播。
本发明中的金属铠装层12优选为由两层镀锌钢丝经过定型导轮按正反方向绞合而成，对光纤起到防张拉、抗剪切力的作用。
实施例1：
参见图1—图3，一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆，包括外包裹层1及其内部设置的中缆腔2，且外包裹层1、中缆腔2同轴设置；所述中缆腔2内设置有一根振动传感光纤5与一根温度传感光纤6，所述振动传感光纤5沿中缆腔2的轴向设置，振动传感光纤5的首端、尾端分别与中缆腔2的两端相互交接，振动传感光纤5的中部上设置有至少两个啁啾光栅8；所述温度传感光纤6的首端、尾端均与振动传感光纤5的中部相连接，温度传感光纤6的中部包括依次连接的多个温度光纤段61，相邻的温度光纤段61之间的交接点都与振动传感光纤5的中部相连接，且在温度光纤段61的中部都设置有窄带光敏光栅7。优选振动传感光纤5、温度传感光纤6均为弱光纤光栅阵列传感光纤。
一种上述弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆的使用方法，包括以下步骤：
步骤一：判断每个温度监测点的温度是否发生变化，单个温度监测点对应单个窄带光敏光栅7；若是，视之为温度突变点，并跳转步骤二；若否，跳转步骤三；
步骤二：判断温度突变点附近的温度监测点的温度是否发生变化；若是，判定温度突变点处发生管道泄漏，跳转步骤五；若否，跳转步骤三；
步骤三：判断每个振动监测点的振动数据是否发生变化，单个振动监测点对应单个啁啾光栅8；若是，视之为振动突变点，跳转步骤四；若否，判定无管道泄漏，重新开始下一轮监测；
步骤四：判断振动突变点的振动数据变化是否持续；若是，判定振动突变点处发生管道泄漏，跳转步骤五；若否，判定无管道泄漏，重新开始下一轮监测；
步骤五：根据温度突变点、振动突变点所对应的窄带光敏光栅7、啁啾光栅8的光栅编号；
步骤六：先根据光栅编号获得对应的米标，再根据光栅编号、米标进行定位，结束。
实施例2：
基本内容同实施例1，不同之处在于：
所述温度光纤段61为松弛的下垂弧线结构，所述温度光纤段61的最低点上设置有一个窄带光敏光栅7。相邻的窄带光敏光栅7之间的间距为十厘米。单个温度光纤段61上只设置一个窄带光敏光栅7。
实施例3：
基本内容同实施例2，不同之处在于：
优选温度光纤段61的长度为十米。
实施例4：
基本内容同实施例1，不同之处在于：
所述步骤一中，所述判断每个温度监测点的温度是否发生变化是指：根据每个温度监测点的温度，绘制实时温度曲线图，当曲线有明显变化时，则判断该温度监测点的温度发生变化；
所述步骤三中，所述判断每个振动监测点的振动数据是否发生变化是指：根据每个振动监测点的振动情况，绘制实时的时域图，并观察是否有异常幅值点，若有，再进行频域分析，观察是否有频率分量，若也有，则判断该振动监测点的振动发生变化；
所述步骤四中，所述判断振动突变点的振动数据变化是否持续是指：根据绘制的实时的时域图、频域图，观察异常幅值点和频率分量是否一直存在。
以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。

Claims (10)

1.一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆，包括外包裹层（1）及其内部设置的中缆腔（2），且外包裹层（1）、中缆腔（2）同轴设置，其特征在于：
所述中缆腔（2）内设置有一根振动传感光纤（5）与一根温度传感光纤（6），所述振动传感光纤（5）沿中缆腔（2）的轴向设置，振动传感光纤（5）的首端、尾端分别与中缆腔（2）的两端相互交接，振动传感光纤（5）的中部上设置有至少两个啁啾光栅（8）；
所述温度传感光纤（6）的首端、尾端均与振动传感光纤（5）的中部相连接，温度传感光纤（6）的中部包括依次连接的多个温度光纤段（61），相邻的温度光纤段（61）之间的交接点都与振动传感光纤（5）的中部相连接，且在温度光纤段（61）的中部都设置有窄带光敏光栅（7）。
2.根据权利要求1所述的一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆，其特征在于：所述振动传感光纤（5）、温度传感光纤（6）均为弱光纤光栅阵列传感光纤。
3.根据权利要求1或2所述的一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆，其特征在于：所述振动传感光纤（5）上与温度传感光纤（6）之间的交接点，都与啁啾光栅（8）相互分隔。
4.根据权利要求3所述的一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆，其特征在于：相邻的啁啾光栅（8）之间的间距为三米。
5.根据权利要求1或2所述的一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆，其特征在于：所述温度光纤段（61）为松弛的下垂弧线结构，所述温度光纤段（61）的最低点上设置有一个窄带光敏光栅（7）。
6.根据权利要求1或2所述的一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆，其特征在于：相邻的窄带光敏光栅（7）之间的间距为十厘米。
7.根据权利要求6所述的一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆，其特征在于：单个温度光纤段（61）上只设置一个窄带光敏光栅（7）。
8.根据权利要求1或2所述的一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆，其特征在于：所述外包裹层（1）包括均为筒型的光纤保护套（11）与金属铠装层（12），所述金属铠装层（12）的外部包裹有光纤保护套（11），金属铠装层（12）的内部开设有同轴的中缆腔（2），该中缆腔（2）的内部填充有光纤油膏（3），该光纤油膏（3）的内部设置有振动传感光纤（5）与温度传感光纤（6）。
9.一种权利要求1或2所述的弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆的使用方法，其特征在于：所述使用方法包括以下步骤：
步骤一：判断每个温度监测点的温度是否发生变化，单个温度监测点对应单个窄带光敏光栅（7）；若是，视之为温度突变点，并跳转步骤二；若否，跳转步骤三；
步骤二：判断温度突变点附近的温度监测点的温度是否发生变化；若是，判定温度突变点处发生管道泄漏，跳转步骤五；若否，跳转步骤三；
步骤三：判断每个振动监测点的振动数据是否发生变化，单个振动监测点对应单个啁啾光栅（8）；若是，视之为振动突变点，跳转步骤四；若否，判定无管道泄漏，重新开始下一轮监测；
步骤四：判断振动突变点的振动数据变化是否持续；若是，判定振动突变点处发生管道泄漏，跳转步骤五；若否，判定无管道泄漏，重新开始下一轮监测；
步骤五：根据温度突变点、振动突变点所对应的窄带光敏光栅（7）、啁啾光栅（8）的光栅编号；
步骤六：先根据光栅编号获得对应的米标，再根据光栅编号、米标进行定位，结束。
10.根据权利要求9所述的一种弱光纤光栅阵列温度/振动复合传感光缆的使用方法，其特征在于：
所述步骤一中，所述判断每个温度监测点的温度是否发生变化是指：根据每个温度监测点的温度，绘制实时温度曲线图，当曲线有明显变化时，则判断该温度监测点的温度发生变化；
所述步骤三中，所述判断每个振动监测点的振动数据是否发生变化是指：根据每个振动监测点的振动情况，绘制实时的时域图，并观察是否有异常幅值点，若有，再进行频域分析，观察是否有频率分量，若也有，则判断该振动监测点的振动发生变化；
所述步骤四中，所述判断振动突变点的振动数据变化是否持续是指：根据绘制的实时的时域图、频域图，观察异常幅值点和频率分量是否一直存在。
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