供水管道是城市供水系統(tǒng)的不可或缺的重要部分,同時(shí)它也是城市建設(shè)的基礎(chǔ)設(shè)施,更是國(guó)民生活的重要保障。因此,輸水管道在運(yùn)營(yíng)過(guò)程的當(dāng)中出現(xiàn)問(wèn)題,將會(huì)帶來(lái)經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)利益的雙重?fù)p失。目前用于管道的檢測(cè)方法有應(yīng)力波法、負(fù)壓波法、地面檢測(cè)法、流量平衡法以及分布式光纖檢測(cè)法等,而分布式光纖檢測(cè)法的傳感部分結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,光纖既是傳感介質(zhì)又是傳輸介質(zhì),該方法使用方便,性價(jià)比高,可以實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)距離的連續(xù)測(cè)量。在分布式光纖檢測(cè)法中,Φ-OTDR振動(dòng)傳感系統(tǒng)對(duì)物體振動(dòng)的敏感性更高,所以本論文將Φ-OTDR檢測(cè)技術(shù)用于壓力輸水管道的泄漏檢測(cè),本論文的主要研究?jī)?nèi)容有:(1)第二章對(duì)Φ-OTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)的原理進(jìn)行了分析,逐次介紹了瑞利散射、光纖中的瑞利后向散射的原理,并對(duì)傳統(tǒng)的OTDR技術(shù)、目前的Φ-OTDR的檢測(cè)原理進(jìn)行了分析,介紹了目前Φ-OTDR最為成熟、方便的數(shù)據(jù)處理方法—移動(dòng)平均差分法。(2)第三章基于流場(chǎng)有限元的分析方法對(duì)壓力輸水管道的泄漏進(jìn)行了簡(jiǎn)要的數(shù)值模擬,分析了兩種泄漏孔尺寸所帶來(lái)的流場(chǎng)影響,隨后介紹了本論文的試驗(yàn)平臺(tái),并基于流場(chǎng)數(shù)值模擬的結(jié)果分析,將分布式光纖傳感器置于壓力輸水管道中,利用第二章的儀器與Φ-OTDR的數(shù)據(jù)處理方法,對(duì)壓力輸水管道進(jìn)行了一系列的試驗(yàn),試驗(yàn)的變量有泄漏孔尺寸的大小,泄漏孔尺寸的形狀、輸水管道的壓力、管壁材質(zhì),以該試驗(yàn)方法來(lái)定性的驗(yàn)證基于Φ-OTDR的分布式光纖傳感是否可以檢測(cè)出管道的泄漏。(3)為避免管道內(nèi)部流場(chǎng)的影響,第四章的試驗(yàn)同樣基于第二章的試驗(yàn)儀器與數(shù)據(jù)處理方法,不同的是將分布式光纖傳感器粘貼于管道的外壁,對(duì)壓力輸水管道進(jìn)行了一系列的試驗(yàn),試驗(yàn)的變量有泄漏孔尺寸的大小,泄漏孔尺寸的形狀、輸水管道的壓力、管壁材質(zhì)、光纖的粘貼位置,以該試驗(yàn)方法來(lái)定性的驗(yàn)證基于Φ-OTDR的分布式光纖傳感是否可以檢測(cè)出管道的泄漏,最后又利用光纖光柵傳感器、聲發(fā)射技術(shù)、加速度傳感器,在論文主試驗(yàn)方法的相同的幾個(gè)工況下,進(jìn)行了試驗(yàn)研究,以此與Φ-OTDR技術(shù)進(jìn)行對(duì)比分析,研究Φ-OTDR技術(shù)的優(yōu)劣性。
【學(xué)位單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位年份】：2019
【中圖分類】：TU991.36
【部分圖文】：

圖 1-1 寶雞輸水管道爆管圖在分布式光纖傳感系統(tǒng)當(dāng)中，Φ-OTDR 系統(tǒng)具有傳感距離長(zhǎng)、空無(wú)盲點(diǎn)、成本低、穩(wěn)定性高等優(yōu)點(diǎn)。它通過(guò)對(duì)重要場(chǎng)所周邊入侵內(nèi)部結(jié)構(gòu)的應(yīng)變、損破裂、振動(dòng)等健康狀況的長(zhǎng)期在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)周邊入侵情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)定位，從而防止非法入侵、消除隱患，避故的發(fā)生。Φ-OTDR 系統(tǒng)以其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)，在邊界安全和結(jié)構(gòu)健有廣闊的應(yīng)用前景[1]。內(nèi)外管道泄漏檢測(cè)技術(shù)研究現(xiàn)狀國(guó)外研究現(xiàn)狀nsson 于 1970年用水輸送用長(zhǎng)管道中的壓力瞬變以此來(lái)分析液壓通過(guò)數(shù)值模擬研究了泄漏對(duì)瞬態(tài)的影響[2]。atsumoto、Shimauchi 和 Gotoh 等人于 1977 年提出了一種新的供檢測(cè)方法。實(shí)驗(yàn)的結(jié)果表明，這種新方法具有實(shí)用價(jià)值[3]。

（2）散射波與入射波具有相同的頻率（或波長(zhǎng)）。 4I k （2-1）公式 2-1 即為瑞利定律，其應(yīng)用條件為散射體（粒子）的尺寸小于光波的波長(zhǎng)。瑞利認(rèn)為，在計(jì)算散射光的強(qiáng)度時(shí)，因?yàn)樯⑸潴w發(fā)出的二次波是不相干的，所以不必計(jì)算次波振幅的疊加，而應(yīng)疊加每個(gè)次波的強(qiáng)度。2.2.2 光纖中的瑞利后向散射完全均勻的材料只能產(chǎn)生前向散射光，而當(dāng)材料介質(zhì)的任何光學(xué)性質(zhì)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，光在介質(zhì)中的傳播都會(huì)產(chǎn)生前向散射以外的光散射現(xiàn)象。在光纖的拉制過(guò)程中，芯材的不均勻分布是不可避免的，并且由于光在傳播時(shí)產(chǎn)生的電致伸縮效應(yīng)的影響也會(huì)引起芯材的波動(dòng)，所以光纖中存在著多種散射現(xiàn)象。根據(jù)入射光頻率與散射光頻率的關(guān)系，一般將散射現(xiàn)象分為兩類：散射光頻率與入射光頻率相同的線性散射為瑞利散射；散射光頻率與入射光頻率不同的非線性散射有拉曼散射、布里淵散射，它們之間的光學(xué)頻率關(guān)系可用下圖所示。

域反射（OTDR）和偏振光時(shí)域反射（POTDR）技術(shù)。2.3 Φ-OTDR 的基本理論2.3.1 傳統(tǒng) OTDR 技術(shù)1976 年，由 Barnoski M. K.和 Jensen S. M 首次提出并使用 OTDR 技術(shù)測(cè)量了多模光纖的損耗特性。在這之前，測(cè)量光纖損耗的唯一方法是切斷光纖，但這將對(duì)會(huì)光纖造成不可逆轉(zhuǎn)的損傷。通過(guò)向光纖中注入檢測(cè)光脈沖，并分析瑞利散射光的強(qiáng)度和相位等信息，OTDR 技術(shù)可以在不損壞光纖的情況下，定位光纖段中是否存在熔接缺陷、斷點(diǎn)、彎曲等。它不僅可以用來(lái)監(jiān)測(cè)光纖的狀態(tài)，診斷其它光纖系統(tǒng)在運(yùn)輸、鋪設(shè)和安裝過(guò)程中的故障，還可以用來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度、應(yīng)變等環(huán)境因素的分布式傳感。OTDR 系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、信噪比高、數(shù)據(jù)處理方便快捷、測(cè)量實(shí)時(shí)等優(yōu)點(diǎn)。它已成為光纖傳感領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。傳統(tǒng)的光時(shí)域反射（OTDR）技術(shù)已經(jīng)非常成熟，廣泛應(yīng)用于光纖傳感等領(lǐng)域。

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