分布式光纤传感在供水与排水管网中的应用

科技   2024-11-17 16:35   上海  

系统工作原理

分布式光纤传感技术基于光纤本身的散射特性(如瑞利散射、布里渊散射和拉曼散射)。通过激光脉冲沿光纤传播时的散射信号变化,可实现对温度、应变、振动等参数的连续监测。其特点是分布式测量,即一根光纤即可覆盖长距离并沿线分布感知。

光纤振动感应:光纤传感模块铺设在压力输水管道内壁或外部周围,泄漏点产生的高压水流冲击力会引发局部振动,或者施工、外力等因素引起的振动波会传播至光纤;

相位敏感检测:光纤通过相位敏感光时域反射仪(Φ-OTDR)技术对振动信号进行捕获,光纤内的光信号因外部机械振动发生散射和相位变化,信号被传回主机解调;

实时处理:通过声发射主机设备对接收信号的幅度、频谱等特性进行分析,结合智能算法比对正常信号和异常信号,从而精确判断泄漏事件的位置和严重程度。


系统特点与优势

高灵敏度与长距离监测:系统具备高灵敏度,可检测微小的泄漏振动信号,且支持长距离分布式监测,覆盖范围可达数十公里;

多点事件捕捉:光纤本身即是连续的传感器,可实现多点同时监测;

实时在线监控:对振动信号进行实时采集和分析,无需等待人工巡检,适合于复杂且动态变化的环境;

抗干扰能力强:通过信号滤波及智能分析算法,有效排除环境噪声干扰,如非相关振动或背景噪声。


在供水与排水管网中的具体应用

(1) 泄漏检测
光纤传感器埋设在管道周围,能够通过检测管道泄漏处的温度变化、应变或振动异常,快速定位泄漏点。例如:
供水管网:泄漏水导致土壤温度变化,光纤传感技术可识别这些微小变化。
排水管网:泄漏可能造成管道周边土壤沉降,光纤应变传感器可监测管道的形变异常。
(2) 管道变形与应力监测
长期运行的供排水管道可能因地质活动、外力影响(如施工)或老化导致变形。光纤传感可实现:
监测管道的轴向应变和横向形变;
识别潜在的断裂风险。
(3) 入侵或外力破坏检测
埋地管网可能遭受外部施工扰动或非法挖掘行为,光纤振动传感器可以捕捉并定位这些异常振动,避免事故发生。
(4) 水质监测
拉曼散射型光纤传感器可以对水温进行高精度测量,并结合其他传感器技术用于水质参数(如化学成分)的监控。
(5) 排水溢流监控
在暴雨或管道堵塞情况下,排水管网可能出现溢流问题。光纤传感可以通过温度、振动等变化,快速检测水位上升或溢流区域。

实施案例

在山东临沂实施了国内首条融合分布式光纤传感的输配水管线,基于天津大学研发的技术,可以提前预警外界入侵扰动事件,并在发生泄漏时自动报警和精确定位漏点。


挑战与未来方向

挑战:

光纤传感系统初期部署费用高。
分布式数据量大,需高效分析算法。
光纤在高压或腐蚀性环境中的长期稳定性需提升。

未来方向:

融合多模态传感:与物联网、AI、大数据技术结合,提升故障识别能力。
降低成本:通过批量生产和技术优化,使光纤传感器更普及。
耐用性改进:开发适应恶劣环境的光纤材料。


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