输气管道声波法泄漏检测技术的理论与实验研究

为探究输气管道声波法泄漏检测技术的基本原理和研究方法,建立了输气管道泄漏仿真模型和实验模型。首先,研究输气管道发生泄漏时声波产生机理,从而明确声波法泄漏检测技术的工作原理;其次根据声波法泄漏检测的原理建立Fluent仿真模型,通过CFD软件模拟输气管道泄漏得到流场和声场,得到声波信号特征;再次根据声波法泄漏检测的原理搭建实验管道,设计完成声波信号数据采集终端,并在仿真结果指导下完成输气管道泄漏检测实验,采集得到实验数据并进行分析,得到泄漏时声波信号特征并对仿真结果进行验证;最后对比多工况条件下的实验结果和仿真结果,分析不同工况条件对压力波动值的影响规律,从而总结输气管道声波法泄漏检测的仿真与实验研究方法,为声波法泄漏检测的实际工程应用提供理论基础。研究结果表明:输气管道泄漏产生的声波来源于泄漏时气体不稳定流动产生的偶极子声源和四极子声源;仿真模拟和实验研究的方法都可以完成声波法泄漏检测技术的研究,可以对声波法泄漏检测技术的推广和工程应用提供强大的理论支持和可行性保证。结论是:声波法泄漏检测技术可以很好的检测输气管道泄漏,是一种灵敏度高,检测时间短,值得推广的方法。      

飞秒激光加工微悬臂梁薄膜光纤声波传感器

设计并制作了一种光纤微悬臂梁传感器,由于悬臂梁在受迫振动过程中不会产生拉伸变形,与四周固定的圆形密闭薄膜相比,会产生更高的声波灵敏度。采用飞秒激光加工制作微悬臂梁薄膜光纤声波传感器,制备出长宽均为500μm,厚6μm的微悬臂梁结构。通过实验得到其反射光谱对比度为8.8 dB,自由光谱范围为7.72 nm,理论计算得光纤法布里-珀罗腔长为155.6μm。研究结果表明,该光纤声波传感器在2 200 Hz处出现明显的共振峰,对应的声压灵敏度为414 mV/Pa,在300 Hz时有最大的灵敏度675 mV/Pa,与普通硅橡胶薄膜声波传感器相比灵敏度显著提高。理论计算硅橡胶微悬臂梁光纤声波传感器的一阶共振频率为198 Hz,与实验测得的共振频率较为接近。同时悬臂梁传感器的声压灵敏度可达675 mV/Pa,声压响应线性度为0.994。     

压电矢量传感器的低噪声设计

针对压电矢量传感器的低噪声设计问题,建立了基于压电敏感器件、悬挂结构、前置放大电路及电缆的同振式矢量传感器等效自噪声分析模型;结合敏感器件的低噪声设计、悬挂结构对自噪声的影响以及前置放大电路低噪声匹配等内容提出了一种低噪声设计方法。设计了低噪声矢量传感器样机,研制了自噪声测量平台并对样机进行了测试。结果表明:样机的等效噪声声压谱级达到了55.5 dB/√Hz2@200 Hz,低于同频率Knudsen零级海况下海洋环境噪声;测试结果与设计结果相符,验证了低噪声设计方法的有效性,也为压电矢量传感器的低噪声设计提供了理论依据。      

基于薄包层极大倾角光纤光栅的灵敏度增强型振动传感器

提出了一种薄包层极大倾角光纤光栅悬臂梁振动传感器,采用基于标准单模光纤的极大倾角光纤光栅,从理论上分析包层半径的减小对波导色散因子、包层模的有效折射率、轴向应变灵敏度因子、轴向应变灵敏度及模式阶数的影响,并进行数值仿真,为其振动传感增敏方法提供理论依据。然后使用氢氟酸腐蚀光纤包层,构成不同直径的极大倾角光纤光栅并进行相关振动传感实验。实验结果表明:在40~200 Hz的频率范围内,随着包层直径的减小,极大倾角光纤光栅振动传感器在C波段的同阶和不同阶TE/TM模加速度灵敏度逐渐增大,且两者之间具有较好的线性关系;其中,同阶TE和TM模的最大加速度灵敏度分别可达到100.46 mV/g与88.68 mV/g,相对于标准直径极大倾角光纤光栅振动传感器分别提高了1.36倍、1.53倍;不同阶TE和TM模的最大加速度灵敏度可达到159.35 mV/g与133.37 mV/g,分别提高了2.15倍、2.31倍。     

基于光纤光声传感的多组分痕量气体检测技术

为进一步提升多组分痕量气体检测灵敏度,设计了一套光纤光声传感系统。系统主要集成了2个近红外DFB激光器、近红外宽带光源、高速光谱模块、现场可编程逻辑门阵列信号采集与处理电路,具有激光调制控制、光声信号解调和数字锁相放大等功能。利用声学共振腔和干涉型光纤声波传感器对光声信号进行激发增强和探测增强,实现了乙炔和甲烷气体的高灵敏度检测。光纤声波传感器中以微机电系统悬臂梁作为声学敏感元件,设计了光纤法布里-珀罗干涉结构,将悬臂梁偏转位移转换为F-P腔长的变化。采用高分辨率光谱解调技术,实现了基于光纤F-P传感器的超高灵敏度光声信号检测。系统对乙炔和甲烷的检测极限分别达到2×10^-9和3×10^-9,归一化噪声等效吸收系数为8×10^-10cm^-1W Hz^-1/2。     

应用于微电容超声换能器的信号处理电路设计*

针对微电容超声换能器的输出信号特征及检测要求,文中设计了换能器的微弱信号处理电路,包括基于跨阻的微弱电流信号检测和多重反馈带通滤波电路。通过搭建水下测试平台,对电路性能及功能进行实际测试,并进行水下测距实验。实验结果表明,该电路可对微电容超声换能器输出的400 k Hz信号进行检测放大与滤波;电路的线性度为0.18%,滤波电路中心频率为396 k Hz,带宽为55 k Hz。该电路可用于CMUT的接收信号处理并应用于超声测距及成像的前端信号处理。     

固定干扰源存在下的管道泄漏检测和准确定位

为了解决固定位置的声/振动干扰源引起的管道泄漏声检测的虚警或者漏点定位错误问题,利用泄漏信号源和固定干扰源之间的独立性,通过盲卷源分离算法得到泄漏信号在一定代价函数下的最优估计,并将该估计作为输入信号从检测信号中自适应预测得到泄漏信号,这样就可以保留泄漏信号中的时延信息。对实际检测信号的处理表明,应用提出来的方法可以有效的去除检测信号中来自固定干扰源的噪声,同时不损失泄漏信号中的时延信息,可在固定干扰源存在时实现管道泄漏有效检测和准确定位。      

耦合型高频光纤振动传感器实验研究

提出了一种耦合型高频光纤振动传感器,并设计了相应的解调电路和信号处理系统.对高频振动信号的响应波形和频率进行了测量,研究了光纤传感器对不同的振动强度和不同方向的振动信号的响应,分析了不同结构和不同材质的传输介质对光纤传感器测量结果的影响.实验证明所设计的耦合型高频光纤振动传感器截止频率达到8 kHz,振幅测量灵敏度为325 mV/mm,频率和幅值响应误差小于1%.     

基于分布式光纤传感器的管道安全检测

输油管道在运行时存在着泄漏、堵塞等不安全事件,利用分布式光纤传感器检测管道泄漏、堵塞信号,可以实时检测管道沿途所发生的不安全事件.利用相关性法确定两个测试信号的延时便可计算不安全事件发生的位置.阐述了该检测方法的原理及定位方法,通过理论分析及试验表明该方法可以提高管道不安全测试的定位精度及灵敏度.     

声频信号传感器

<正> 日本松下电器工业公司开发的光纤型高灵敏激光传感器可直接将声频信号转换成激光光强已调信号。传感器所检测的声波其灵敏度比普通的电子传声器高10倍。当声频信号与传感器的检测发生偏移时,也能将该声频信号直接转换成光强信号,光纤上的光信号通过光敏检