基于PGC解调的光纤传感器天然气管道泄漏检测装置设计

【摘要】：随着环境保护和清洁能源使用的倡导，天然气的运用越来越广泛，而管道运输作为天然气的主要输送方式，却经常存在着泄漏的风险。因此，对于天然气管道运行的实时监测是一个非常有意义并富有挑战性的研究。本文以天然气管道为检测对象，运用光纤传感器的干涉型分布式光纤传感技术，选择合适的信号解调方法，对光纤传感器天然气管道泄漏检测系统与检测装置设计进行了研究。 （1）研究了光纤传感器的干涉测量技术，搭建了基于Mach-Zehnder和Sagnac混合干涉原理的光路测量架构，并通过数学公式推导出检测系统的干涉测量原理，根据仿真分析了光路测量架构结构参数的选择。 （2）对比分析了光纤干涉仪的信号解调方法，研究了基于PGC解调的实现原理，并对PGC解调模型进行数学分析，设计并制作了PGC解调电路模块，通过将高频载波生成模块、信号调理模块和PGC解调模块集成设计，简化了系统结构并提高了解调电路性能。 （3）根据天然气管道泄漏检测方法和定位原理，搭建了管道泄漏检测实验平台，优化实验架构环境，并提出了天然气管道泄漏检测实验系统技术指标。 （4）设计并制作了基于LabVIEW系统开发平台的数据采集模块，并研究了基于小波变换的检测信号消噪处理方式，完成了对检测信号的消噪处理。 （5）利用研制的天然气管道泄漏检测系统，在管道泄漏检测实验平台上，进行了一系列针对检测系统性能的实验，根据实验中存在的问题，分析研究了影响检测系统性能和定位精度的因素，并提出了改善检测系统性能和定位精度的方法。 通过实验分析可知，本文设计的基于PGC解调的光纤传感器天然气管道泄漏检测装置，能够对泄漏孔径Φ≥2.5mm，管道内气压P≥0.2MPa的管道泄漏进行有效检测。在泄漏点位置分别为8.045km和10.058km处进行了天然气管道泄漏检测实验并重复做了20次试验，实验结果表明，检测系统对管道泄漏检测的平均定位误差不超过150m，相对定位误差不大于1.5%。 【关键词】：天然气管道 光纤传感器 PGC解调 检测系统 泄漏检测
【学位授予单位】：中国计量学院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2014
【分类号】：TE973.6
【目录】：

• 致谢5-6
• 摘要6-7
• Abstract7-9
• 目次9-12
• 图清单12-14
• 表清单14-15
• 1 绪论15-30
• 1.1 课题背景、研究目的及意义15-17
• 1.1.1 课题背景15-16
• 1.1.2 课题研究目的及意义16-17
• 1.2 光纤传感器的国内外应用研究17-21
• 1.2.1 基于光背向散射的分布式光纤传感技术18-19
• 1.2.2 干涉型分布式光纤传感技术19-21
• 1.3 光纤干涉仪解调方法的国内外研究现状21-27
• 1.4 论文的主要研究内容及结构框架27-29
• 1.4.1 论文的主要研究内容27
• 1.4.2 论文的结构框架27-29
• 1.5 本章小结29-30
• 2 光纤传感器检测系统理论分析30-45
• 2.1 光纤检测原理30-32
• 2.1.1 光纤感测效应30-31
• 2.1.2 光波干涉测量技术31-32
• 2.2 光纤传感器检测系统原理32-38
• 2.2.1 光路测量架构33-34
• 2.2.2 系统检测原理数学分析34-38
• 2.3 检测系统信号解调技术38-40
• 2.3.1 PGC解调实现原理38
• 2.3.2 PGC解调模型数学分析38-40
• 2.4 检测系统性能参数研究40-44
• 2.4.1 延迟光纤长度的选择40-42
• 2.4.2 调制器光纤长度的选择42
• 2.4.3 系统检测范围的确定42-43
• 2.4.4 检测系统灵敏度分析43-44
• 2.5 本章小结44-45
• 3 PGC 解调实现关键技术研究45-62
• 3.1 解调电路的电源设计46-47
• 3.2 高频载波信号生成模块设计47-48
• 3.3 信号解调电路模块设计48-58
• 3.3.1 运算放大器设计48-50
• 3.3.2 乘法器设计50-52
• 3.3.3 低通滤波器设计52-54
• 3.3.4 微分器设计54-56
• 3.3.5 减法器设计56-57
• 3.3.6 积分器设计57-58
• 3.4 PGC 解调电路模块性能提升58-61
• 3.5 本章小节61-62
• 4 天然气管道泄漏检测实验系统设计62-74
• 4.1 管道泄漏检测实验系统技术指标62
• 4.2 天然气管道泄漏检测系统定位技术62-63
• 4.3 天然气管道泄漏检测实验平台63-66
• 4.3.1 天然气管道泄漏检测实验平台63-65
• 4.3.2 实验架构环境优化65
• 4.3.3 实验仪器性能参数65-66
• 4.4 基于 LabVIEW 系统开发平台的数据采集模块66-68
• 4.5 检测信号的消噪研究68-73
• 4.5.1 基于小波变换的信号消噪69-72
• 4.5.2 检测信号的小波消噪72-73
• 4.6 本章小节73-74
• 5 实验设计与数据分析74-86
• 5.1 管道泄漏检测实验设计74-80
• 5.1.1 不同实验环境测量74-75
• 5.1.2 不同延迟光纤长度测量75-76
• 5.1.3 不同光偏振态测量76-77
• 5.1.4 管道内气体不同传输压力测量77-78
• 5.1.5 布放光纤与泄漏点不同夹角测量78-79
• 5.1.6 不同泄漏点位置测量79-80
• 5.2 实验结果与分析80-83
• 5.3 实验问题探讨83-85
• 5.3.1 信号强度问题探讨83-84
• 5.3.2 信号衰减问题探讨84
• 5.3.3 实验环境问题探讨84
• 5.3.4 检测系统定位精度问题探讨84-85
• 5.4 本章小节85-86
• 6 结论与展望86-89
• 6.1 论文总结86-87
• 6.2 未来展望87-89
• 参考文献89-94
• 附录 A 管道泄漏检测装置实物图94-95
• 附录 B 检测系统实验平台实物图95-96
• 附录 C PGC 解调模块实物图96-97
• 附录 D DDS 波形产生模块程序配置97-100
• 作者简历100

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