管道泄漏光纤检测传感器设计及其数据分析方法研究

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近年来,管道由于自身腐蚀老化和人为破坏发生泄漏,将造成环境污染和经济损失。在长距离传输和复杂干扰环境条件下,传统的检测方法中压力信号传输衰减大,保真性差,检测到的信号信噪比低,真实信号容易被淹没,导致管道泄漏检测算法报警不准确。随着光纤传感技术的发展,光纤光栅因体积小、检测精度高、本质安全、抗电磁干扰、耐腐蚀、传输损耗小,保真性好,传输距离远等为特点,为复杂环境下长距离管道泄漏检测提供有效解决方案。针对上述讨论,本文以管道泄漏检测为研究对象,引入光纤传感,搭建管道泄漏光纤检测系统。设计了带温度补偿的管道光纤压力传感器,应用信号处理技术对传感信号进行加工,利用加工后的传感信号为数据源进行泄漏检测算法和报警策略研究。本文所做的工作如下:第一,设计并制作了带温度补偿的管道检测光纤压力传感器。采用差动补偿法去除了温度对传感器的影响,解决了传感器温漂问题,并增大的敏感特性。应用COMSOL软件对所设计的传感器在不同参数下进行了仿真,确定传感器参数的最佳选型。制作光纤和传感器,光纤压力传感器灵敏度可达到258.32 pm/MPa,线性度可达0.998。应用其进行管道泄漏检测实验获取数据。第二,加工管道光纤检测系统实验测试所得的传感器数据,包括光谱信号峰值的检测与提取,信号的滤波去除干扰以及数据的插值进行补偿。对比不同小波基参数和分解层数下滤波后的信噪比选择最优参数滤波。模拟信号缺失情况,针对不同波动的数据进行不同插值方法进行补偿。所得管道光纤压力传感数据为下一章分析泄漏做基础。第三,利用加工后的数据信息进行管道泄漏检测算法分析。采用支持向量机方法进行管道泄漏检测判断。针对数据样本比例失衡问题,在目标函数上加入惩罚因子参数,消除数据样本比例失衡的影响。针对支持向量机方法对参数选择敏感问题,采用遗传算法寻找合适的惩罚因子参数,避免人工经验造成的局限性,并用K-折交叉方法验证结果。针对误报警和微小泄漏难以检测的问题,设计了不同形式的窗口策略进行优化,用两个测试集样本对优化前后模型测试,比对结果。
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