供水管道是城市供水系統(tǒng)的不可或缺的重要部分,同時它也是城市建設的基礎設施,更是國民生活的重要保障。因此,輸水管道在運營過程的當中出現(xiàn)問題,將會帶來經濟效益和社會利益的雙重損失。目前用于管道的檢測方法有應力波法、負壓波法、地面檢測法、流量平衡法以及分布式光纖檢測法等,而分布式光纖檢測法的傳感部分結構簡單,光纖既是傳感介質又是傳輸介質,該方法使用方便,性價比高,可以實現(xiàn)長距離的連續(xù)測量。在分布式光纖檢測法中,Φ-OTDR振動傳感系統(tǒng)對物體振動的敏感性更高,所以本論文將Φ-OTDR檢測技術用于壓力輸水管道的泄漏檢測,本論文的主要研究內容有:(1)第二章對Φ-OTDR的分布式光纖傳感系統(tǒng)的原理進行了分析,逐次介紹了瑞利散射、光纖中的瑞利后向散射的原理,并對傳統(tǒng)的OTDR技術、目前的Φ-OTDR的檢測原理進行了分析,介紹了目前Φ-OTDR最為成熟、方便的數(shù)據處理方法—移動平均差分法。(2)第三章基于流場有限元的分析方法對壓力輸水管道的泄漏進行了簡要的數(shù)值模擬,分析了兩種泄漏孔尺寸所帶來的流場影響,隨后介紹了本論文的試驗平臺,并基于流場數(shù)值模擬的結果分析,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)據處理方法,對壓力輸水管道進行了一系列的試驗,試驗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,以該試驗方法來定性的驗證基于Φ-OTDR的分布式光纖傳感是否可以檢測出管道的泄漏。(3)為避免管道內部流場的影響,第四章的試驗同樣基于第二章的試驗儀器與數(shù)據處理方法,不同的是將分布式光纖傳感器粘貼于管道的外壁,對壓力輸水管道進行了一系列的試驗,試驗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、光纖的粘貼位置,以該試驗方法來定性的驗證基于Φ-OTDR的分布式光纖傳感是否可以檢測出管道的泄漏,最后又利用光纖光柵傳感器、聲發(fā)射技術、加速度傳感器,在論文主試驗方法的相同的幾個工況下,進行了試驗研究,以此與Φ-OTDR技術進行對比分析,研究Φ-OTDR技術的優(yōu)劣性。
【學位單位】：哈爾濱工業(yè)大學
【學位級別】：碩士
【學位年份】：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)當中，Φ-OTDR 系統(tǒng)具有傳感距離長、空無盲點、成本低、穩(wěn)定性高等優(yōu)點。它通過對重要場所周邊入侵內部結構的應變、損破裂、振動等健康狀況的長期在線實時監(jiān)測周邊入侵情況進行監(jiān)測定位，從而防止非法入侵、消除隱患，避故的發(fā)生。Φ-OTDR 系統(tǒng)以其獨特的優(yōu)勢，在邊界安全和結構健有廣闊的應用前景[1]。內外管道泄漏檢測技術研究現(xiàn)狀國外研究現(xiàn)狀nsson 于 1970年用水輸送用長管道中的壓力瞬變以此來分析液壓通過數(shù)值模擬研究了泄漏對瞬態(tài)的影響[2]。atsumoto、Shimauchi 和 Gotoh 等人于 1977 年提出了一種新的供檢測方法。實驗的結果表明，這種新方法具有實用價值[3]。

（2）散射波與入射波具有相同的頻率（或波長）。 4I k （2-1）公式 2-1 即為瑞利定律，其應用條件為散射體（粒子）的尺寸小于光波的波長。瑞利認為，在計算散射光的強度時，因為散射體發(fā)出的二次波是不相干的，所以不必計算次波振幅的疊加，而應疊加每個次波的強度。2.2.2 光纖中的瑞利后向散射完全均勻的材料只能產生前向散射光，而當材料介質的任何光學性質發(fā)生波動時，光在介質中的傳播都會產生前向散射以外的光散射現(xiàn)象。在光纖的拉制過程中，芯材的不均勻分布是不可避免的，并且由于光在傳播時產生的電致伸縮效應的影響也會引起芯材的波動，所以光纖中存在著多種散射現(xiàn)象。根據入射光頻率與散射光頻率的關系，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，它們之間的光學頻率關系可用下圖所示。

域反射（OTDR）和偏振光時域反射（POTDR）技術。2.3 Φ-OTDR 的基本理論2.3.1 傳統(tǒng) OTDR 技術1976 年，由 Barnoski M. K.和 Jensen S. M 首次提出并使用 OTDR 技術測量了多模光纖的損耗特性。在這之前，測量光纖損耗的唯一方法是切斷光纖，但這將對會光纖造成不可逆轉的損傷。通過向光纖中注入檢測光脈沖，并分析瑞利散射光的強度和相位等信息，OTDR 技術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、彎曲等。它不僅可以用來監(jiān)測光纖的狀態(tài)，診斷其它光纖系統(tǒng)在運輸、鋪設和安裝過程中的故障，還可以用來實現(xiàn)溫度、應變等環(huán)境因素的分布式傳感。OTDR 系統(tǒng)具有結構簡單、信噪比高、數(shù)據處理方便快捷、測量實時等優(yōu)點。它已成為光纖傳感領域的研究熱點。傳統(tǒng)的光時域反射（OTDR）技術已經非常成熟，廣泛應用于光纖傳感等領域。

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本文編號：2824936