基于大尺度光栅应变的水电站压力管道监测系统及方法与流程

1.本发明涉及一种压力管道监测技术，属于光纤光栅应用领域，尤其涉及一种基于大尺度光栅应变的水电站压力管道监测系统及方法。


背景技术：

2.水电站在我国水利设施建设中占有重要地位，其安全运营对国家经济建设和人民生活有着重要意义。压力管道作为水电站的一个重要组成部分，能否安全工作对于整个水电站的正常运营至关重要。由于压力管道长期处于非常恶劣的高压环境下，易受蠕变、疲劳、腐蚀等各种因素的影响，其安全性随时间增加会慢慢降低。当阀门开启或关闭时，管道内部都会产生水击，给管道内壁带来巨大的负荷和冲击力，严重时直接导致管道爆裂，势必影响企业正常运行，还会造成一定的经济损失甚至危及人民生命安全。
3.传统的电类检测技术仅仅适合部分管道的应力应变检测，只能监测管道局部信息，易受环境腐蚀的影响，其长期可靠性不高。作为光电技术发展最活跃的分支之一，光纤传感器具有绝缘性好、抗电磁干扰、耐腐蚀、体积小、灵敏度高和易实现分布式测量等诸多特点，自问世以来就受到了极大重视，几乎在各个领域都得到了广泛的研究与应用。然而，传统光纤光栅传感器属于点式测量方法，受解调器件带宽的限制，每个通道复用数量十分有限，对于大口径、长距离的压力管道实现全域测量是不可能的，因而容易遗漏管道潜在的最大受力变形处，造成隐患，降低监测效果，导致事故的发生。
4.公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本专利申请的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域一般技术人员所公知的现有技术。


技术实现要素：

5.本发明的目的是克服现有技术中存在的无法进行全域测量、监测效果较差的缺陷与问题，提供一种能够进行全域测量、监测效果较好的基于大尺度光栅应变的水电站压力管道监测系统及方法。
6.为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：一种基于大尺度光栅应变的水电站压力管道监测系统，所述压力管道包括直管及与其一端进行密封配合的堵头；所述压力管道监测系统包括管道监测单元、堵头监测单元、光纤光栅应变解调仪表与信号处理装置，所述管道监测单元经堵头监测单元与光纤光栅应变解调仪表的一端进行信号连接，光纤光栅应变解调仪表的另一端与信号处理装置进行信号连接；所述管道监测单元包括多个间隔设置的光缆圈，该光缆圈由单根直管光缆环绕直管的外侧围敷设而成，单根直管光缆的内部设置有单根传输光纤，该单根传输光纤上设置有依次间隔布置的多个光纤光栅；相邻的光缆圈之间通过光纤法兰盘相连接，所有的光缆圈依次串连为管道监测单元；所述堵头监测单元包括一根附着在堵头外壁上的堵头光缆，该堵头光缆的内部设
置有单根传输光纤，该单根传输光纤上设置有依次间隔布置的多个光纤光栅；相邻的光缆圈、堵头光缆之间通过光纤法兰盘相连接。
7.所述堵头监测单元经过光纤跳线接头与光纤光栅应变解调仪表的一端相连接，光纤光栅应变解调仪表的另一端通过网线与信号处理装置相连接。
8.所述直管光缆粘附在直管的外侧围上，所述堵头光缆粘附在堵头的外壁上。
9.在单根传输光纤上，相邻的光纤光栅的布置结构为双波长。
10.在单根传输光纤上，相邻的光纤光栅的间距一致。
11.所述传输光纤上位于相邻的光纤光栅之间的部位上设置有粘胶点，以对该段传输光纤进行预张；所述粘胶点与其两旁的光纤光栅的间距一致，且相邻的粘胶点的间距一致。
12.所述直管光缆、堵头光缆的结构一致，都包括由外至内层层包裹的外光缆层、紧套加强筋、不锈钢螺旋铠、传输光纤；所述传输光纤上位于相邻的光纤光栅之间的部位通过粘胶点与不锈钢螺旋铠的内壁相连接，不锈钢螺旋铠的外壁包裹有紧套加强筋，且不锈钢螺旋铠为拉伸状态。
13.所述外光缆层为扁平状结构，外光缆层上与直管的外侧围或堵头的外壁相接触的一侧为平面结构，外光缆层的另一侧为外凸结构。
14.所述光纤光栅应变解调仪表包含八个通道。
15.一种上述基于大尺度光栅应变的水电站压力管道监测系统的使用方法，包括以下步骤：当压力管道中的液体在流动时，流动的液体对直管、堵头产生冲击力，导致直管、堵头的外壁上设置的光纤光栅的感知区域发生形变，从而使得光纤光栅的中心波长发生变化，该种中心波长的变化经光纤光栅应变解调仪表解调后被信号处理装置接收并存储，从而构建冲击力、感知区域形变、光纤光栅中心波长变化之间的联系，进而显示所有光纤光栅的时程曲线，再将光纤光栅的感知区域落在其对应的直管或堵头中的具体部位上，即对压力管道的物理位置进行即时的压力监测，随后，一旦压力管道上某部位感受到的冲击力发生显著变化，该部位对应的光纤光栅的中心波长就会显著变化，从而进行预警或报警。
16.与现有技术相比，本发明的有益效果为：1、本发明一种基于大尺度光栅应变的水电站压力管道监测系统及方法中，包括管道监测单元、堵头监测单元、光纤光栅应变解调仪表与信号处理装置，其中，管道监测单元包括多个间隔设置的光缆圈，该光缆圈由单根直管光缆环绕直管的外侧围敷设而成，堵头监测单元包括一根附着在堵头外壁上的堵头光缆，单根直管光缆、堵头光缆的内部都设置有单根传输光纤，单根传输光纤上都设置有依次间隔布置的多个光纤光栅，此外，相邻的光缆圈之间通过光纤法兰盘相连接，所有的光缆圈依次串连为管道监测单元之后，再依次经堵头光缆、光纤光栅应变解调仪表后与信号处理装置进行信号连接，应用时，直管光缆、堵头光缆所对应的压力管道上的具体部位的测压由光缆内的传输光纤负责，具体为传输光纤上的光纤光栅负责，就单根传输光纤而言，其上的每个光纤光栅都负责一定区域的监测，多个光纤光栅所监测区域的综合，即为单根直管光缆或堵头光缆所监测的范围，而直管光缆的数量为多个（每圈光缆之间的轴向距离可以根据实际需求进行调整），即使在堵头的部位上，还专门设置有一根堵头光缆（堵头光缆在布置时，尽量覆盖较大的监测区域），从而实现对压力管道的全域监测，当压力管道任意部位因受力不均匀引起较大变形时，均会导致光
纤光栅中心波长发生变化，都会被监测到，加之，光纤光栅自身所具备的抗电磁干扰、抗腐蚀、长期可靠性好、实施便捷等优点，使得本发明能够实现对压力管道的全时、全域监测，不会遗漏管道结构任何隐患部位。因此，本发明不仅能够进行全域测量，而且能够进行全时测量，监测效果较好。
17.2、本发明一种基于大尺度光栅应变的水电站压力管道监测系统及方法中，在单根传输光纤上，相邻的光纤光栅的布置结构优选为双波长，该种设计不仅能够提升光纤光栅解调的效果，增强监测的精确度，而且能够提高光纤光栅的最小空间分辨力，增加光纤光栅应变解调仪表中每个通道的监测距离。在此基础之上，优选在单根传输光纤上，相邻的光纤光栅的间距一致，如1米时，测量空间分辨率达到米级，能够精准定位直管与堵头最大变形处和应力大小，效果更佳。因此，本发明的监测精度较高。
18.3、本发明一种基于大尺度光栅应变的水电站压力管道监测系统及方法中，每个光纤光栅都会感受其对应部位的压力管道的形变，并输出测量信息，因而，当直管光缆、堵头光缆被布置之后，所有的光纤光栅就能构建成一个光纤光栅的集合体，该集合体能够获知每个光纤光栅的时程曲线，以此为基础，就能获得压力管道上每个被监测区域的变化情况，从而构建成一个监测压力管道的即时动态系统（把每只光纤光栅的感知区间视为一个质点，每根压力管道就可以看成由若干质点组成的一个整体），在此基础之上，再结合大数据和人工智能分析方法，通过对不同时刻、不同部位的形变量进行智能分析和判断，即可完成对压力管道健康状况的提前预测，为实现水电站设备故障诊断、智能预警、自主决策提供更好的思路与方法。因此，本发明能对压力管道进行即时的结构健康监测，监测效果较好。
附图说明
19.图1是本发明的结构示意图。
20.图2是本发明中直管与堵头的连接示意图。
21.图3是本发明中管道监测单元的结构示意图。
22.图4是本发明中堵头监测单元的结构示意图。
23.图5是本发明中直管光缆的剖视图。
24.图6是本发明中直管光缆的端面结构示意图。
25.图中：信号处理装置1、光纤光栅应变解调仪表2、压力管道3、直管31、堵头32、管道监测单元4、光缆圈41、直管光缆42、堵头监测单元5、堵头光缆51、光纤法兰盘52、光纤跳线接头53、传输光纤6、光纤光栅61、粘胶点62、不锈钢螺旋铠7、紧套加强筋8、外光缆层9、平面结构91、外凸结构92。
具体实施方式
26.以下结合附图说明和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
27.参见图1—图6，一种基于大尺度光栅应变的水电站压力管道监测系统，所述压力管道3包括直管31及与其一端进行密封配合的堵头32；所述压力管道监测系统包括管道监测单元4、堵头监测单元5、光纤光栅应变解调仪表2与信号处理装置1，所述管道监测单元4经堵头监测单元5与光纤光栅应变解调仪表2的一端进行信号连接，光纤光栅应变解调仪表2的另一端与信号处理装置1进行信号连接；
所述管道监测单元4包括多个间隔设置的光缆圈41，该光缆圈41由单根直管光缆42环绕直管31的外侧围敷设而成，单根直管光缆42的内部设置有单根传输光纤6，该单根传输光纤6上设置有依次间隔布置的多个光纤光栅61；相邻的光缆圈41之间通过光纤法兰盘52相连接，所有的光缆圈41依次串连为管道监测单元4；所述堵头监测单元5包括一根附着在堵头32外壁上的堵头光缆51，该堵头光缆51的内部设置有单根传输光纤6，该单根传输光纤6上设置有依次间隔布置的多个光纤光栅61；相邻的光缆圈41、堵头光缆51之间通过光纤法兰盘52相连接。
28.所述堵头监测单元5经过光纤跳线接头53与光纤光栅应变解调仪表2的一端相连接，光纤光栅应变解调仪表2的另一端通过网线与信号处理装置1相连接。
29.所述直管光缆42粘附在直管31的外侧围上，所述堵头光缆51粘附在堵头32的外壁上。
30.在单根传输光纤6上，相邻的光纤光栅61的布置结构为双波长。
31.在单根传输光纤6上，相邻的光纤光栅61的间距一致。
32.所述传输光纤6上位于相邻的光纤光栅61之间的部位上设置有粘胶点62，以对该段传输光纤6进行预张；所述粘胶点62与其两旁的光纤光栅61的间距一致，且相邻的粘胶点62的间距一致。
33.所述直管光缆42、堵头光缆51的结构一致，都包括由外至内层层包裹的外光缆层9、紧套加强筋8、不锈钢螺旋铠7、传输光纤6；所述传输光纤6上位于相邻的光纤光栅61之间的部位通过粘胶点62与不锈钢螺旋铠7的内壁相连接，不锈钢螺旋铠7的外壁包裹有紧套加强筋8，且不锈钢螺旋铠7为拉伸状态。
34.所述外光缆层9为扁平状结构，外光缆层9上与直管31的外侧围或堵头32的外壁相接触的一侧为平面结构91，外光缆层9的另一侧为外凸结构92。
35.所述光纤光栅应变解调仪表2包含八个通道。
36.一种上述基于大尺度光栅应变的水电站压力管道监测系统的使用方法，包括以下步骤：当压力管道3中的液体在流动时，流动的液体对直管31、堵头32产生冲击力，导致直管31、堵头32的外壁上设置的光纤光栅61的感知区域发生形变，从而使得光纤光栅61的中心波长发生变化，该种中心波长的变化经光纤光栅应变解调仪表2解调后被信号处理装置1接收并存储，从而构建冲击力、感知区域形变、光纤光栅中心波长变化之间的联系，进而显示所有光纤光栅61的时程曲线，再将光纤光栅61的感知区域落在其对应的直管31或堵头32中的具体部位上，即对压力管道3的物理位置进行即时的压力监测，随后，一旦压力管道3上某部位感受到的冲击力发生显著变化，该部位对应的光纤光栅61的中心波长就会显著变化，从而进行预警或报警。
37.本发明的原理说明如下：本发明中的直管光缆42粘附在直管31的外侧围上，所述堵头光缆51粘附在堵头32的外壁上是指：光缆的背面与直管31的外侧壁或堵头32的外壁进行全覆盖粘贴，以对压力管道3的内表壁因收到水压而产生的结构形变进行即时的测量，一旦发现异常，即可准确判定管道该区域形变量较大，需要重点关注。
38.本发明中的单根传输光纤6上，相邻的光纤光栅61的布置结构为双波长是指：假设单根传输光纤6上依次设置有4个光纤光栅，那么它们的波长则依次为λ1、λ2、λ1、λ2，即λ1、λ2交错设计。
39.实施例1：参见图1—图6，一种基于大尺度光栅应变的水电站压力管道监测系统，所述压力管道3包括直管31及与其一端进行密封配合的堵头32；所述压力管道监测系统包括管道监测单元4、堵头监测单元5、光纤光栅应变解调仪表2与信号处理装置1，所述管道监测单元4经堵头监测单元5与光纤光栅应变解调仪表2的一端进行信号连接，光纤光栅应变解调仪表2的另一端与信号处理装置1进行信号连接； 所述管道监测单元4包括多个间隔设置的光缆圈41，该光缆圈41由单根直管光缆42环绕直管31的外侧围敷设而成，单根直管光缆42的内部设置有单根传输光纤6，该单根传输光纤6上设置有依次间隔布置的多个光纤光栅61；相邻的光缆圈41之间通过光纤法兰盘52相连接，所有的光缆圈41依次串连为管道监测单元4；所述堵头监测单元5包括一根附着在堵头32外壁上的堵头光缆51，该堵头光缆51的内部设置有单根传输光纤6，该单根传输光纤6上设置有依次间隔布置的多个光纤光栅61；相邻的光缆圈41、堵头光缆51之间通过光纤法兰盘52相连接。
40.一种上述基于大尺度光栅应变的水电站压力管道监测系统的使用方法，包括以下步骤：当压力管道3中的液体在流动时，流动的液体对直管31、堵头32产生冲击力，导致直管31、堵头32的外壁上设置的光纤光栅61的感知区域发生形变，从而使得光纤光栅61的中心波长发生变化，该种中心波长的变化经光纤光栅应变解调仪表2解调后被信号处理装置1接收并存储，从而构建冲击力、感知区域形变、光纤光栅中心波长变化之间的联系，进而显示所有光纤光栅61的时程曲线，再将光纤光栅61的感知区域落在其对应的直管31或堵头32中的具体部位上，即对压力管道3的物理位置进行即时的压力监测，随后，一旦压力管道3上某部位感受到的冲击力发生显著变化，该部位对应的光纤光栅61的中心波长就会显著变化，从而进行预警或报警。
41.实施例2：基本内容同实施例1，不同之处在于：在单根传输光纤6上，相邻的光纤光栅61的布置结构为双波长；在单根传输光纤6上，相邻的光纤光栅61的间距一致，优选为1米；所述传输光纤6上位于相邻的光纤光栅61之间的部位上设置有粘胶点62，以对该段传输光纤6进行预张；所述粘胶点62与其两旁的光纤光栅61的间距一致，都为0.5米，相邻的粘胶点62的间距一致，都为1米。
42.实施例3：基本内容同实施例2，不同之处在于：所述光纤光栅应变解调仪表2为4或8通道可选，采样频率为100hz，优选为包含8个通道；当光纤光栅61的空间分辨率为1m时，每个通道可以测量的范围达到2km，应变分辨率可达到
±
5με，系统响应速度快，可以达到2s。
43.实施例4：基本内容同实施例1，不同之处在于：所述直管光缆42、堵头光缆51的结构一致，都包括由外至内层层包裹的外光缆层9、紧套加强筋8、不锈钢螺旋铠7、传输光纤6；所述传输光纤6上位于相邻的光纤光栅61之间
的部位通过粘胶点62与不锈钢螺旋铠7的内壁相连接，不锈钢螺旋铠7的外壁包裹有紧套加强筋8，且不锈钢螺旋铠7为拉伸状态。
44.制作时，先将传输光纤6在不锈钢螺旋铠7的内部进行敷设，再将光纤光栅61的两端通过粘胶固定在不锈钢螺旋铠7的内壁上，随后，当传输光纤6沿不锈钢螺旋铠7的敷设长度达到一定长度，如50m后，再采用机械设备对不锈钢螺旋铠7的两端进行张拉，以使每个光纤光栅61都受力均匀，从而保持一定的预应力，且中心波长变化在2nm左右，然后采用紧套加强筋8（优选由树脂材料构成，具有良好的抗张拉强度和弹性）对不锈钢螺旋铠7进行包裹，以使不锈钢螺旋铠7始终保持拉伸状态。
45.以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。