基于分布式光纤光栅传感网络的管道冲击与泄漏定位方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光纤传感器的传感应用技术领域，涉及一种基于分布式光纤光栅传感 网络的管道冲击与泄漏定位方法。
【背景技术】
[0002] 光纤布拉格光栅（FiberBragggrating,FBG)传感器具有体积小、灵敏度高、动态 范围宽、抗电磁干扰、耐腐蚀、可靠性高、易串接复用和不影响宿主材料结构特性等优点，广 泛应用于航空航天、舰船工业、土木工程、石化工业、核工业及医学工程等领域。
[0003] 随着我国经济的发展，建立了大量的输油管道用于油气等能源的输送。由于管道 老化、自然灾害和非法入侵等原因导致泄漏事件屡有发生，不仅对环境产生了重大的污染， 也使人们的生命财产蒙受巨大的损失，因此，设计一种安全可靠的管道冲击及泄漏定位传 感系统意义重大。
[0004] 目前，国内外很多研宄者开始将FBG应用于管道安全性检测，以实现对管道系统 长期、分布式的实时在线监控。FBG传感器由于其特殊的物理结构使其具有对温度和应变 敏感的特性，当外界应力或温度发生改变会引起FBG反射光谱中心波长的偏移，因此，通过 检测其中心波长的漂移量可以获得FBG所处环境的变化。依据FBG对应变敏感的特性，针 对管道泄漏检测已经出现了多种检测方法，根据其原理可分为直接检测法和间接检测法。 直接检测法主要采用在FBG传感器外部涂抹与管道内输送物质发生溶胀反应的聚合物，当 发生泄漏时，泄露出的物质与FBG表面聚合物发生反应引起应变，通过检测FBG反射光谱 中心波长的漂移实现对泄漏点检测与定位，该方法对FBG的安放位置要求较高，一般须将 其放置于管道底部，确保泄漏出的物质能与FBG表面聚合物接触，同时，为了实现监测的实 时性，需要在管道沿线铺设密集的传感器，传感系统成本较高；间接检测法主要结合光纤的 微弯效应在光栅间的光纤上附着对管内输送物质敏感的聚合物，当泄漏发生时，聚合物接 触泄露出的物质发生膨胀反应引起光纤弯曲，导致泄漏点后面的FBG反射光强显著下降， 以此来检测泄漏险情并定位泄漏点，此方法有效减少了传感器的使用数，降低了检测系统 成本，但其定位精度受到了严重的影响。同时，由于FBG对温度和应变均十分敏感，现有的 FBG检测方法大多没有考虑环境温度变化对检测结果的影响，导致传感系统测量精度不高， 而且很难对外部冲击等因素造成的管道结构性损伤进行隐患点预警定位。因此本发明提出 一种具有温度补偿功能的FBG管道冲击与泄漏定位方法。
【发明内容】
[0005] 有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于分布式光纤光栅传感网络的管道冲击 与泄漏定位方法，可以用于检测与定位石油、天然气和液化气等输送管道的冲击及泄漏险 情。
[0006] 为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：
[0007] 一种基于分布式光纤光栅传感网络的管道冲击与泄漏定位方法，在该方法中，采 用带温度补偿功能的高灵敏度传感探头对信号进行检测，并构建泄漏感应与传感网络，将 多个传感探头串接复用实现分布式传感检测，通过检测FBG反射光谱中心波长漂移量判断 险情并确定出损伤点与泄漏点的位置，以此实现险情点的检测与定位。
[0008] 进一步，以弹簧薄片和支撑钢片构造的悬臂梁结构为基础构造FBG传感探头，消 除环境温度干扰，提高传感系统灵敏性，具体包括以下步骤：
[0009] 1)选取一块薄的弹簧片，在其两侧沿长轴方向分别对称粘贴两个钢片构成保护凹 槽，用于保护FBG，同时便于传感探头的固定，以此构造悬臂梁结构；
[0010] 2)使用粘合剂（如环氧树脂等）将两个传感参数相同的FBG分别粘贴于弹簧片两 侧的凹槽内，构建传感探头。
[0011] 进一步，在构建泄漏感应与传感网络时，采用聚合物与弹性塑料薄膜构成管道泄 漏检测感应层，使用光滑易弯曲的金属丝传导微小应力。从而解决了传统FBG漏油检测传 感器安放位置的局限性，减少了FBG的使用数量，为分布式FBG传感网络的构建提供了可 能。
[0012] 进一步，所述带温度补偿功能的传感探头由于两个FBG对称粘覆于弹簧片两侧， 其所受环境温度影响相同，而当弹簧片发生弯曲时，弹簧片两侧FBG受到的应力大小相同， 方向相反，依此消除温度扰动引起的测量误差，同时提高传感系统灵敏性；具体包括：
[0013] 1)将传感探头固定在管道上，当弹簧片受力弯曲时，粘覆于两侧的FBG受到的大 小相同，方向不同的应力AF作用，引起其反射光谱中心波长漂移；
[0014] 2)解调获得两个FBG中心波长的漂移量A人腦与A人FBe2;
[0015] 3)两个FBG所处环境温度相同，由FBG传感原理及材料力学相关公式可以推导出 两个FBG波长漂移量的差值如下式所示：
[0016] A入FBG1-A入 FBG2= 2(l_pe)k入 0AF
[0017] 其中，为有效弹光系数，A^为FBG原始中心波长，对于给定的传感探头构建材 料k为常数，得出不受温度影响的中心波长漂移量差值与应力间的关系式，实现温度补偿。 实现温度补偿，并最终获得波长漂移量与应力的关系，不是以传统单个FBG的波长漂移量 作为传感信号，而是将两个FBG波长漂移量的差值作为传感信号，以此获得与应力变化量 的线性关系。
[0018] 进一步，在构建泄漏感应与传感网络，对管道泄漏进行感应与应力传导时，采用以 下步骤：
[0019] 1)在管道外侧均匀涂抹一层可与管内输送物质发生溶胀反应的聚合物，并在其外 侧包裹一层不与管内物质反应的弹性塑料薄膜，构成管道泄漏检测感应层；
[0020] 2)使用一根光滑易弯曲的金属丝均匀缠绕于感应层外侧，遇到传感探头时，金属 丝只压覆于弹簧片两端，以此将微小的形变传导给弹簧片，提高传感系统的灵敏性，同时解 决了传统FBG管道检测传感器安放位置的局限性。
[0021] 进一步，利用传感探头上两个FBG中心波长漂移量的差值作为检测与定位险情点 的传感信号，传感信号变化量最大的两个传感探头间的区域为险情区域，险情点的准确位 置由下式计算获得：
[0022]
[0023] 其中，SAS险情点距探头A的距离，为探头A与B之间的距离，A入A与A入B 分别为探头A与B上两个FBG中心波长漂移量的差值。