一种便携式光纤声波监测系统的制作方法

1.本发明涉及输气管道监测技术领域，具体为一种便携式光纤声波监测系统。


背景技术：

2.天然气输气管道是指向用户输送天然气的干线管道。其起点为气田、油田或lng接收站等，终点常为城市配气总站。天然气组成成分以甲烷为主，含量常在80％以上，并含有乙烷、丙烷、丁烷及其异构物和其他较重的气态烃，还常含有氢、氮、硫化氢、二氧化碳及少量的惰性气体，如氦、氩等。气体进人输气管道前，必须进行净化，使其达到商品天然气的气质要求，由于原油和天然气物性上的差别，输油、输气两种管道间有很大差别，主要表现为:
ꢀ①
输油管需考虑起、终点高程变化对管内液体压力的影响，而输气管的此项影响很小。
②
输气管在高压下输气有利于节能，而输油管的摩阻损失受压力影响很小。
③
管道沿线有增压站时，中间输油站的入口压力一般较低，只要满足密闭输送的要求，而压气机则要求排出压力与吸入压力有一定比值，如离心压气机一般为1.往复压气机为即要求中间压气站有较髙的进站压力。
④
可利用输气管道的末段储存气体，作为调节用户耗气量不均衡的一种措施。
3.管道主要用于液体或气体的长距离输送。当管道某处破损或出现裂缝时，会造成所输送的液体或气体泄漏。但现有的管道维护人员往往不能在管道泄漏的第一时间收到信息，因此会造成所输送的液体或气体过量泄漏，从而引发安全事故，且现有的管道泄漏检测方法是管道全线停运，逐段试压检测，对有泄压的管段再通过人工利用检测仪对管道进行整段检测，检测完成后才可确定泄漏点并进行维修。此种检测方式不仅耗费时间长，且全线停运检测会造成较大的经济损失。传统的管道测漏装置检测效率低，同时检测范围小。


技术实现要素：

4.本发明的目的在于提供一种便携式光纤声波监测系统，以解决上述背景技术中提出的问题。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种便携式光纤声波监测系统，包括监测主机、输气管道、光纤传感器、逆变器、蓄电池、太阳能电池板、显示屏、终端和报警模块，其特征在于：所述输气管道外侧设置有所述光纤传感器，所述光纤传感器输出端与所述监测主机输入端相对接，所述监测主机输出端与所述终端输入端相对接，所述监测主机输出端还与所述报警模块输入端相对接，所述显示屏输入端与所述监测主机输出端相对接，所述光纤传感器由光源、光纤、石墨烯传感头、环形器、光电转换器与数据采集卡构成，所述光纤包括通信光纤和传感光纤，所述光源输出端与所述通信光纤输入端相对接，所述通信光纤输出端与所述石墨烯传感头输入端相对接，所述石墨烯传感头输出端与所述环形器输入端相对接，所述环形器输出端与所述光电传感器输入端相对接，所述光电传感器输出端与所述数据采集卡输入端相对接，所述数据采集卡输出端与所述监测主机输入端相对接。
6.作为本发明的优选技术方案，所述传感光纤与输气管道平行铺设，且所述传感光
纤与输气管道之间的间距0.5-1米，所述传感光纤为芯径为62.5μm，外径为125μm。
7.作为本发明的优选技术方案，所述光源发出的光线通过所述通信光纤由主端口传入所述环形器，从次端口经过通信光纤传入所述石墨烯传感头，光线到达石墨烯薄膜引起薄膜震动，在所述石墨烯传感头处光波的相关表征参数被外界待测物理参量调制，调制后的光线经由所述环形器输入到所述光电传感器，将光信号转化为电信号，进而进入所述数据采集卡对电信号进行采集，最后将所述数据采集卡的输出信号通过数据线接口输送至所述监测主机中，完成最终的信号分析与处理。
8.作为本发明的优选技术方案，所述逆变器输出端与所述监测主机输入端相对接，所述蓄电池输出端与所述逆变器输入端相对接，所述太阳能电池板输出端分别与所述蓄电池输入端和所述显示屏输入端相对接。
9.作为本发明的优选技术方案，所述报警模块内部包括蜂鸣报警器。
10.作为本发明的优选技术方案，每4km的所述传感光纤处安装有一个所述光纤感温探测器，且所有的所述光纤感温探测器均接入所述监测主机，由所述监测主机对所述光纤感温探测器进行编号，所述光纤感温探测器为激光脉冲探测，脉冲宽度＜50ns，最大脉冲能量为15nj，脉冲重复频率＜12khz。
11.作为本发明的优选技术方案，所述显示屏为led触摸显示屏，所述蓄电池为铅酸免维护蓄电池或胶体蓄电池。
12.作为本发明的优选技术方案，整体采用线性瞬时混合模型，瞬时混合(或无记忆混合)模型的数学模型表达式为：
13.x(t)＝as(t)，
14.其中混合矩阵a∈r^(m*n)。
15.n个相互统计独立的源信号由传输信道混合后被n个传感器观测，如此观测得到的每路混合信号能是n个源信号的某个线性组合,混合模型以矩阵形式表示，假设n*n是混合矩阵a的大小，则这个矩阵既是非奇异矩阵又是非时变矩阵；
16.假设矩阵中的元素aij是实数，得到：
17.x1(t)＝a11s1(t) a12s2(t) ... a1nsn(t)
18.x2(t)＝a21s1(t) a22s2(t) ... a2nsn(t)
19....
20.xn(t)＝an1s1(t) an2s2(t) ... annsn(t)
21.设分离系统的输出信号为：
22.y(t)＝[y1(t),y(2)t,...yn(t)]^t
[0023]
令分离矩阵为w，大小为n^n，则分离模型表达式为：
[0024]
y(t)＝wx(t)＝was(t)
[0025]
全局矩阵g定义为：
[0026]
g＝wa
[0027]
那么分离信号y(t)可以用源信号表示：
[0028]
y(f)＝gs(t)
[0029]
若可以求出分离矩阵使得g＝dp，那么源信号成功实现分离,此刻，全局矩阵上的每一列或每一行中有且只有一个不等于零的元素,其中，p是一个置换矩阵，d是一个对角线
上元素不等于零的对角矩阵,可以得出盲源分离的实现原理是传感器接收到源信号后，经过一个分离过程将源信号分离、恢复出来。
[0030]
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
[0031]
该光纤声波监测系统，采用石墨烯探头，体积小、重量轻等技术优势，在监测、安防方面有着良好的应用价值，同时面对复杂的信号，使用线性瞬时混合模型，能将信号进行分析识别、参数测量，必要时准确提取目标信号，实现良好降噪除杂的效果，检测效果更加快速明显，同时范围也更大。
附图说明
[0032]
图1为本发明系统结构示意图；
[0033]
图2为本发明光纤传感器内部系统结构示意图。
具体实施方式
[0034]
下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
[0035]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0036]
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
[0037]
请参阅图1-2，本发明提供一种便携式光纤声波监测系统技术方案：一种便携式光纤声波监测系统，包括监测主机、输气管道、光纤传感器、逆变器、蓄电池、太阳能电池板、显示屏、终端和报警模块，其特征在于：所述输气管道外侧设置有所述光纤传感器，所述光纤传感器输出端与所述监测主机输入端相对接，所述监测主机输出端与所述终端输入端相对接，所述监测主机输出端还与所述报警模块输入端相对接，所述显示屏输入端与所述监测主机输出端相对接，所述光纤传感器由光源、光纤、石墨烯传感头、环形器、光电转换器与数据采集卡构成，所述光纤包括通信光纤和传感光纤，所述光源输出端与所述通信光纤输入端相对接，所述通信光纤输出端与所述石墨烯传感头输入端相对接，所述石墨烯传感头输出端与所述环形器输入端相对接，所述环形器输出端与所述光电传感器输入端相对接，所述光电传感器输出端与所述数据采集卡输入端相对接，所述数据采集卡输出端与所述监测主机输入端相对接，其中石墨烯传感头，内部安装有石墨烯传感器，使用了“滞留光线”的纳米结构，纳米结构能够更长时间地捕获产生光线的电子微粒。
[0038]
本实施例中，所述传感光纤与输气管道平行铺设，且所述传感光纤与输气管道之间的间距0.5-1米，所述传感光纤芯径为62.5μm，外径为125μm。
[0039]
本实施例中，所述光源发出的光线通过所述通信光纤由主端口传入所述环形器，从次端口经过通信光纤传入所述石墨烯传感头，光线到达石墨烯薄膜引起薄膜震动，在所述石墨烯传感头处光波的相关表征参数被外界待测物理参量调制，调制后的光线经由所述环形器输入到所述光电传感器，将光信号转化为电信号，进而进入所述数据采集卡对电信号进行采集，最后将所述数据采集卡的输出信号通过数据线接口输送至所述监测主机中，完成最终的信号分析与处理。
[0040]
本实施例中，所述逆变器输出端与所述监测主机输入端相对接，所述蓄电池输出端与所述逆变器输入端相对接，所述太阳能电池板输出端分别与所述蓄电池输入端和所述显示屏输入端相对接。
[0041]
本实施例中，所述报警模块内部包括蜂鸣报警器。
[0042]
本实施例中，每4km的所述传感光纤处安装有一个所述光纤感温探测器，且所有的所述光纤感温探测器均接入所述监测主机，由所述监测主机对所述光纤感温探测器进行编号，所述光纤感温探测器为激光脉冲探测，脉冲宽度＜50ns，最大脉冲能量为15nj，脉冲重复频率＜12khz。
[0043]
本实施例中，所述显示屏为led触摸显示屏，所述蓄电池为铅酸免维护蓄电池或胶体蓄电池。
[0044]
本实施例中，整体采用线性瞬时混合模型，瞬时混合(或无记忆混合)模型的数学模型表达式为：
[0045]
x(t)＝as(t)，
[0046]
其中混合矩阵a∈r^(m*n)。
[0047]
n个相互统计独立的源信号由传输信道混合后被n个传感器观测，如此观测得到的每路混合信号能是n个源信号的某个线性组合,混合模型以矩阵形式表示，假设n*n是混合矩阵a的大小，则这个矩阵既是非奇异矩阵又是非时变矩阵；
[0048]
假设矩阵中的元素aij是实数，得到：
[0049]
x1(t)＝a11s1(t) a12s2(t) ... a1nsn(t)
[0050]
x2(t)＝a21s1(t) a22s2(t) ... a2nsn(t)
[0051]
...
[0052]
xn(t)＝an1s1(t) an2s2(t) ... annsn(t)
[0053]
设分离系统的输出信号为：
[0054]
y(t)＝[y1(t),y(2)t,...yn(t)]^t
[0055]
令分离矩阵为w，大小为n^n，则分离模型表达式为：
[0056]
y(t)＝wx(t)＝was(t)
[0057]
全局矩阵g定义为：
[0058]
g＝wa
[0059]
那么分离信号y(t)可以用源信号表示：
[0060]
y(f)＝gs(t)
[0061]
其中，采用石墨烯探头，体积小、重量轻等技术优势，在监测、安防方面有着良好的应用价值，同时面对复杂的信号，使用线性瞬时混合模型，能将信号进行分析识别、参数测量，必要时准确提取目标信号，实现良好降噪除杂的效果，检测效果更加快速明显，同时范
围也更大。
[0062]
若可以求出分离矩阵使得g＝dp，那么源信号成功实现分离,此刻，全局矩阵上的每一列或每一行中有且只有一个不等于零的元素,其中，p是一个置换矩阵，d是一个对角线上元素不等于零的对角矩阵,可以得出盲源分离的实现原理是传感器接收到源信号后，经过一个分离过程将源信号分离、恢复出来
[0063]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。