本發(fā)明屬于無損檢測領(lǐng)域，尤其涉及一種基于光纖拉曼溫度傳感器的自來水管泄漏檢測實驗平臺。

背景技術(shù)：

目前，城市自來水管道縱橫交錯，水管道泄漏事件也時常發(fā)生，對于城市水循環(huán)系統(tǒng)來說，水管的泄漏經(jīng)常會給人們的生活帶來很大的不便，水管的在線監(jiān)測和檢測也一直以來都受到人們的重視，在水管泄漏事件中，由于管道之間連接處出現(xiàn)常年失修、損耗等所造成的泄漏事件也時常發(fā)生，如果能實現(xiàn)對水管道連接處或者水管易損處實施檢測和在線監(jiān)測，這樣一旦發(fā)生水管泄漏便可以及時做出應(yīng)對措施，防微杜漸，減少水管泄漏給人們生活帶來的不便，因此本發(fā)明基于分布式光纖拉曼溫度傳感器提供了一種可以對水管泄漏實施在線監(jiān)測和檢測的裝置，對于分布式光纖拉曼溫度傳感器的應(yīng)用和發(fā)展具有重要的意義。隨著分布式光纖拉曼溫度傳感器技術(shù)的進一步發(fā)展和改進，分布式光纖拉曼溫度傳感器檢測的測溫誤差和空間分辨率都已經(jīng)達到很高的的精度，由于分布式光纖傳感器具有體積小、可嵌入、外形可變、重量輕、成本低、不導(dǎo)電、耐高壓、能在有害的環(huán)境中安全運行、反應(yīng)快、抗腐蝕等特性，目前國內(nèi)外已有各種類型的分布式光纖傳感器產(chǎn)品應(yīng)用于電網(wǎng)、鐵路、橋梁等，然而由于水管的泄漏所引起的周圍溫度環(huán)境變化并不很明顯，因此對于水管道檢測與在線監(jiān)測來說基于分布式光纖拉曼溫度傳感器的一系列產(chǎn)品還不能直接應(yīng)用與水管道的泄漏檢測與在線監(jiān)測，所以如果能將水泄漏的溫度信號進一步放大這將為分布式光纖溫度傳感器應(yīng)用于水管道的檢測和在線監(jiān)測中具有重要意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種基于光纖拉曼溫度傳感器的自來水管泄漏檢測實驗平臺。

為實現(xiàn)本發(fā)明的目的，采用以下技術(shù)方案予以實現(xiàn)：一種基于光纖拉曼溫度傳感器的自來水管泄漏檢測實驗平臺，它用于解決水管泄漏的檢測和在線監(jiān)測問題，包括水循環(huán)系統(tǒng)、信號放大系統(tǒng)和光纖拉曼溫度傳感器；

水循環(huán)系統(tǒng)包括儲水缸、動力裝置和檢測管道，該儲水缸與動力裝置通過第一連接管連接，該動力裝置與檢測管道通過第二連接管連接，該檢測管道與儲水缸通過排水管連接；

信號放大系統(tǒng)包括覆蓋在檢測管道檢測部位的轉(zhuǎn)換層，以及包覆在轉(zhuǎn)換層外部的隔離層，在該隔離層的外部還設(shè)置有環(huán)境模擬箱，該轉(zhuǎn)換層在近地面的一側(cè)為反應(yīng)層，該反應(yīng)層的內(nèi)側(cè)不漏水，外側(cè)可以滲水；

光纖拉曼溫度傳感器包括：激光發(fā)射端，與激光發(fā)射端相連的雙向耦合器，該雙向耦合器與定標(biāo)光纖一端相連，該定標(biāo)光纖的另一端連接檢測光纖，該檢測光纖的末端設(shè)置有法拉第旋轉(zhuǎn)鏡裝置，同時，雙向耦合器與光波分復(fù)用器相連，該光波分復(fù)用器與信號處理器相連接，該信號處理器與顯示器相連；檢測光纖緊貼反應(yīng)層的內(nèi)側(cè)。

進一步地，所述第一連接管上設(shè)置有流速調(diào)節(jié)閥，所述檢測管道的兩端分別設(shè)置有第一連接法蘭和第二連接法蘭，所述檢測管道上設(shè)置有可調(diào)節(jié)的氣孔閥。

進一步地，所述反應(yīng)層的外側(cè)與所述隔離層的底端設(shè)定至少1厘米的距離。

進一步地，所述隔離層外部設(shè)置的環(huán)境模擬箱頂蓋可拆卸。

進一步地，所述檢測光纖既是傳輸光纖也是傳感光纖。

本發(fā)明的有益效果是：

1、由于本發(fā)明由水缸、動力裝置構(gòu)成了水循環(huán)系統(tǒng)，這樣便可以為模擬檢測水管道泄漏的實驗在實驗室環(huán)境下進行創(chuàng)造了條件；

2、由于本發(fā)明在檢測管道外布置了轉(zhuǎn)換層，同時該轉(zhuǎn)換層的底部設(shè)置了反應(yīng)層，該反應(yīng)層采用的是特殊介質(zhì)制成，該特殊介質(zhì)遇到檢測管道內(nèi)部液體時會散發(fā)大量熱量從而引起周圍環(huán)境迅速升溫，這樣當(dāng)檢測管道內(nèi)的液體泄漏時就會導(dǎo)致該轉(zhuǎn)換層釋放大量熱量，引起檢測光纖周圍的溫度場發(fā)生顯著變化，由于溫度場的變化會調(diào)制光纖在拉曼散射的強度，將液體泄漏信號轉(zhuǎn)化成明顯的溫度變化信號，這就為檢測提供了很大便利；

3、本發(fā)明中所述的轉(zhuǎn)換層在設(shè)置時近地面的一側(cè)設(shè)置了反應(yīng)層，該反應(yīng)層的內(nèi)側(cè)采用不漏水材料制成，該反應(yīng)層的外側(cè)采用可以滲水的材料制成，且該反應(yīng)層的外側(cè)與隔離層的底端設(shè)定了至少1厘米的距離，且所述的檢測光纖設(shè)置在緊貼上述反應(yīng)層的內(nèi)側(cè)；

由于在轉(zhuǎn)換層上設(shè)置的反應(yīng)層設(shè)置在近地面一側(cè)，無論水管哪一側(cè)漏水，由于重力原理都會流至底部與反應(yīng)層進一步反應(yīng)；這樣只需布置一根檢測光纖便可以準(zhǔn)確檢測出泄漏問題；

由于該反應(yīng)層的內(nèi)側(cè)不漏水，即使水管道壁由于環(huán)境原因(例：夏季空氣遇冷水管導(dǎo)致有水珠附在其表面也不會引起反應(yīng)層的溫度發(fā)生變化，減少了誤判的情況發(fā)生；

由于該反應(yīng)層的外側(cè)與上述隔離層的底端設(shè)定了至少1厘米的距離，這樣只有當(dāng)水管的發(fā)生泄漏時導(dǎo)致隔離層內(nèi)底部的水面高度超過該隔離層底端1厘米時才會使得反應(yīng)層的介質(zhì)遇水反應(yīng)發(fā)生溫度變化，提高了檢測的準(zhǔn)確性；

4、由于在檢測管道外側(cè)包裹著上述轉(zhuǎn)換層和光纖溫度傳感器的隔離層，這就可以防止外界液體滲入帶來的影響，為光纖溫度傳感器采集到的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性創(chuàng)造了條件；

5、由于在上述隔離層外部還設(shè)置了可拆卸的環(huán)境模擬箱，這樣便為實驗?zāi)M管道外壁環(huán)境創(chuàng)造了條件；同時由于在檢測管道外設(shè)置了氣孔閥，不僅可以模仿水管較大流量的泄漏環(huán)境，也可調(diào)節(jié)氣孔閥模仿水管較小流量的滲透環(huán)境。

這些對于進一步設(shè)計水管泄漏報警系統(tǒng)和改進光纖拉曼溫度傳感器具有重要意義，并為光纖拉曼溫度傳感器的應(yīng)用創(chuàng)造了條件。

附圖說明

圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明的檢測系統(tǒng)示意圖。

圖中，1、儲水缸；2、第一連接管；3、流速調(diào)節(jié)閥；4、動力裝置；5、第二連接管；6、第一連接法蘭；7、環(huán)境模擬箱；8、隔離層；9、轉(zhuǎn)換層；10、氣孔閥；11、反應(yīng)層；12、定標(biāo)光纖；13、檢測光纖；14、法拉第旋轉(zhuǎn)鏡；15、激光發(fā)射端；16、雙向耦合器；17、光波分復(fù)用器；18、信號處理器；19、顯示器；20、第二連接法蘭；21、排水管；p、檢測管道。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步詳細說明。

如圖1所示，本發(fā)明提供的一種基于光纖拉曼溫度傳感器的自來水管泄漏檢測實驗平臺，包括水循環(huán)系統(tǒng)、信號放大系統(tǒng)和光纖拉曼溫度傳感器；

水循環(huán)系統(tǒng)包括儲水缸1、動力裝置4和檢測管道p，以及連接該儲水缸1與動力裝置4的第一連接管2，連接動力裝置4與檢測管道p的第二連接管5，連接檢測管道p與儲水缸1的排水管21。

所述的儲水缸1采用玻璃制成長100厘米、寬50厘米、高50厘米、厚度為1厘米的無蓋立方體儲水缸，動力裝置4采用微型水泵(12v)代替，第一連接管2、第二連接管5、檢測管道p和排水管21的尺寸以及在儲水缸1設(shè)置的出水洞孔的孔徑大小根據(jù)選用的小型水泵的型號定制，這些對于該技術(shù)領(lǐng)域人員并不難，在此不在加以贅述。

信號放大系統(tǒng)包括覆蓋在檢測管道p檢測部位的轉(zhuǎn)換層9(該轉(zhuǎn)換層9采用塑性材料制成)，以及包覆在轉(zhuǎn)換層9外部的隔離層8，在該隔離層8的外部還設(shè)置了環(huán)境模擬箱7，所述的轉(zhuǎn)換層9在設(shè)置時近地面的一側(cè)設(shè)置了反應(yīng)層11，該反應(yīng)層11的內(nèi)側(cè)采用不漏水的塑料材料制成，該反應(yīng)層11的外側(cè)采用可以滲水的纖維材料制成，且該反應(yīng)層11的外側(cè)與上述隔離層8的底端設(shè)定了至少1厘米的距離。

光纖拉曼溫度傳感器包括：激光發(fā)射端15，與激光發(fā)射端15相連的雙向耦合器16，該雙向耦合器16與定標(biāo)光纖12一端相連，該定標(biāo)光纖12的另一端連接檢測光纖13，該檢測光纖13的末端設(shè)置有法拉第旋轉(zhuǎn)鏡裝置14，同時，上述雙向耦合器16與光波分復(fù)用器17相連，該光波分復(fù)用器17與信號處理器18相連接，該信號處理器18與顯示器19相連。

所述的檢測光纖13設(shè)置在緊貼上述反應(yīng)層11的內(nèi)側(cè)，檢測光纖13既是傳輸光纖也是傳感光纖。

在上述的第一連接管5上設(shè)置有流速調(diào)節(jié)閥3，在上述檢測管道p的兩端分別設(shè)置了第一連接法蘭6和第二連接法蘭20，所述的檢測管道p上設(shè)置有可調(diào)節(jié)的氣孔閥10。

在上述隔離層8的外部所設(shè)置的環(huán)境模擬箱7其頂蓋為可拆卸的。

所述的檢測光纖14設(shè)置在緊貼上述反應(yīng)層11的內(nèi)側(cè)，該反應(yīng)層11內(nèi)為碳酸鈣質(zhì)量占比為百分之九十(或者在不影響光纖正常檢測的前提下選取其它適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量占比)的石灰石或者將市場銷售的小蘇打平鋪置于反應(yīng)層11內(nèi)。

激光發(fā)射端15由驅(qū)動電源、電子開關(guān)、主激光器、副激光器組成，主激光器和副激光器與第一合波器的輸入端相連，第一合波器的輸出端接到雙向耦合器16的輸入端上；該雙向耦合器16的輸出端連接光波分復(fù)用器17，該光波分復(fù)用器17有三個輸出端口，第一個輸出端口為拉曼散射的中心波長輸出端口，第二個輸出端口為主激光器波長的光纖背向瑞利散射波輸出端口，第三個輸出端口為副激光波長的光纖背向瑞利散射波輸出端口，光纖波分復(fù)用器17的第一個輸出端口與直接檢測系統(tǒng)的一個輸入端相連接，光纖波分復(fù)用器17的第二個輸出端口和第三個輸出端口分別與第二合波器的兩個輸入端相連，第二合波器的輸出端與直接檢測系統(tǒng)的另一個輸入端相連，直接檢測系統(tǒng)的輸出端與信號采集處理系統(tǒng)的輸入端相連，由直接檢測系統(tǒng)與信號采集處理系統(tǒng)構(gòu)成的信號處理器18經(jīng)過分析處理后給出光纖各段的溫度值由顯示器顯示。

光纖檢測實驗定位原理：

當(dāng)驅(qū)動電源驅(qū)動光纖開關(guān)時分交替輸出同一波段主激光器的光纖背向反斯托克斯拉曼散射波(波長1550nm、脈寬10ns)與副激光器的光纖斯托克斯拉曼散射波(波長1450nm、脈寬10ns)通過第一合波器傳至雙向耦合器16，當(dāng)光信號在檢測光纖傳播遇到法拉第旋轉(zhuǎn)鏡14后，光信號回傳至雙向耦合器16，由該雙向耦合器16將光信號傳送給光波分復(fù)用器17，該光波分復(fù)用器17有三個輸出端口，第一個輸出端口為拉曼散射的中心波長輸出端口，第二個輸出端口為主激光器波長的光纖背向瑞利散射波輸出端口，第三個輸出端口為副激光波長的光纖背向瑞利散射波輸出端口，光纖波分復(fù)用器17的第一個輸出端口與直接檢測系統(tǒng)的一個輸入端相連接，光纖波分復(fù)用器17的第二個輸出端口和第三個輸出端口分別與第二合波器的兩個輸入端相連，第二合波器的輸出端與直接檢測系統(tǒng)的另一個輸入端相連，直接檢測系統(tǒng)的輸出端與信號采集處理系統(tǒng)的輸入端相連，信號采集處理系統(tǒng)分別扣除單程主激光器波長和副激光器波長的背向瑞利散射光時域反射的影響，采用同一波段單程的激光器的光纖背向反斯托克斯拉曼散射波與副激光器的光纖斯托克斯拉曼散射筆光時域反射曲線的強度比，得到光纖各段的溫度信息，并由顯示器顯示。

本實驗裝置的檢測方法如下：

首先對激光發(fā)射端15供電，根據(jù)顯示器19顯示的曲線變化檢測裝置是否處于正常狀態(tài)(狀態(tài)正常則繼續(xù)下一步，否則進行調(diào)節(jié))；

其次關(guān)閉氣孔閥10并啟動水循環(huán)系統(tǒng)：調(diào)節(jié)流速閥3對儲水缸1灌入適量的水，打開動力裝置4，使得水循環(huán)系統(tǒng)在實驗室環(huán)境下開始運行；

最后調(diào)節(jié)氣孔閥10，使得處于水循環(huán)系統(tǒng)之中的檢測管道p緩慢滲透，通過所測位置與定標(biāo)光纖的溫度對比經(jīng)過理論計算得到溫度與拉曼散射強度比的關(guān)系，通過后續(xù)處理得到滲透處的溫度數(shù)據(jù)變化曲線；

重復(fù)上述實驗，調(diào)節(jié)氣孔閥10，使得檢測管道p呈現(xiàn)不同程度的泄漏狀態(tài)，觀察實驗得到的溫度變化。由于水管滲透需要一定時間，且由于光纖拉曼溫度傳感器的測溫過程每個周期幾秒到幾十秒不等，所以需要反復(fù)測量。

通過實驗測得的泄漏距離與實際距離進行對比分析實驗的準(zhǔn)確性，從而驗證本裝置對檢測水管道泄漏的作用，對于進一步設(shè)計水管泄漏報警系統(tǒng)和改進光纖拉曼溫度傳感器具有重要意義。

由于光纖價格低廉，使用壽命長，所以本發(fā)明的研究對于城市水管道的泄漏檢測與在線監(jiān)測不僅具有研究意義更具有很高的經(jīng)濟價值，對于將本發(fā)明應(yīng)用于水管連接處、水管易漏處等，將本發(fā)明的信號放大系統(tǒng)反復(fù)設(shè)置等均屬于本發(fā)明的保護范圍。