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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:曾冠樺
研究生(外文):Kuan-Hua Tseng
論文名稱:光纖分佈式偵漏系統之液體管線洩漏量測
論文名稱(外文):The Measurement of the Fluid Pipes of the Distributed Fiber Optic Leak Detection System
指導教授:陳茂雄陳茂雄引用關係
指導教授(外文):Mao-Hsiung Chen
學位類別:碩士
校院名稱:國立中山大學
系所名稱:電機工程學系研究所
學門:工程學門
學類:電資工程學類
論文種類:學術論文
論文出版年:2002
畢業學年度:90
語文別:中文
論文頁數:98
中文關鍵詞:馬赫-詹德干涉儀同軸解調光纖感測器桑克干涉儀偵漏液體管線
外文關鍵詞:Leak DetectionDemodulationOptical Fiber SensorSagnac InterferometerMach-Zehnder InterferometerIn-LineFluid Pipes.
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光纖分佈式偵漏系統的架構,主要是採用馬赫-詹德及桑克混合式干涉儀,利用同軸架構的感測光纖來偵測洩漏物理場,經由感測系統與訊號處理系統,可以量測出洩漏物理場的位置。為了使偵漏系統更具有良好的偵測能力,因此針對系統的元件做改善,分別為(1)選擇響應度佳的感測光纖,(2)相位調制器的改良,(3)解調電路的改良等。實驗架構可分為,偵漏系統與洩漏系統兩個單元,其中,洩漏系統是設計為高壓液體管線洩漏的架構;實驗部分,重點是以偵漏系統對管線洩漏聲場進行偵漏量測,將所得到的實驗結果做探討。
偵漏系統可測量之最小範圍為3.3x10^-4(rad/√Hz),其動態範圍為75 dB以上,比原本為未做元件改良之系統動態範圍提高了15dB以上。
The main frame of the distributed fiber optic leak detection system adopted the hybrid Mach-Zehnder & Sagnac interferomtric. We use the sensing fiber of In-Line frame to detect leak physical field. We can measure the position of the leak physical field through our sensing system and signal process system. In the cause of improving detective ability of leak detection system, we modify three elements of the system, including (1) the choice of the acoustic response of sensing fiber, (2) modification of the PZT phase modulator, and (3) modification of the PGC demodulator. The frame of our experiment is composed of the distributed fiber optic leak detection system and leak system of the fluid pipes. In which leak system of fluid pipes is designed the leaky frame of high-pressure fluid pipes. The main of experiment introduce the leak detection system to measure the leak acoustics of the fluid pipes. Then we can discuss the experimental result.
The measurable minimum range of our distributed fiber optic leak detection system is3.3x10^-4(rad/√Hz), and the dynamic range is above 75 dB. The dynamic range of this system can improve the original system to above 15 dB.
目錄 頁次
致謝  i
摘要 ii
目錄 iv
表目錄viii
圖目錄viii
符號表 xii
第一章簡介
1.1研究背景與文獻回顧 1
1.2研究動機 3
1.3 論文結構 4
第二章光纖感測系統之理論探討
2.1 感測原理 5
2.1.1 光纖感測效應 5
2.1.2 干涉原理 6
2.1.3 桑克效應 6
2.2 感測系統之原理與數學分析 7
2.2.1 感測系統之原理 7
2.2.2 光路之數學分析 8
2.2.3 干涉項之分析 10
2.2.3.1 延遲光纖長度與干涉強度的關係 11
2.2.3.2 零點頻率與洩漏聲場位置的關係 11
2.2.3.3 零點頻率-洩漏聲場位置之靈敏度探討 12
2.3 光元件單元之改良 12
2.3.1 感測光纖單元 13
2.3.2 PZT相位調制器單元 13
2.4 訊號處理 14
2.4.1 解調之數學分析 14
2.4.2 解調電路之原理與架構 16
2.4.2.1 低通濾波器 17
2.4.2.2 訊號放大器 17
2.4.3 解調電路之數學分析 17
第三章水管洩漏偵測系統
3.1 水管洩漏物理場之探討 19
3.2 光纖感測之分析 19
3.2.1 感測光纖之結構 20
3.2.2 邁克遜干涉儀之數學分析 21
3.3 系統參數之分析 23
3.3.1 延遲光纖單元 23
3.3.2 相位調制單元 24
3.3.3 感測光纖佈放範圍之分析 25
3.4 實驗架構之設計 26
3.4.1 洩漏聲源架構 27
3.4.2 實驗環境 28
3.4.3 裝置固定架構 28
第四章實驗與結果討論
4.1水管洩漏聲場之量測 30
4.1.1 洩漏至空氣中的聲場量測 30
4.1.2 洩漏至水中的聲場量測 31
4.2 系統單元之特性與系統之動態範圍的量測 31
4.2.1 感測光纖之響應度量測 31
4.2.1.1 不同感測光纖之響應度量測 32
4.2.1.2 不同的黏固材質之量測 32
4.2.1.3 洩漏鋼管內含有氣體與無氣體情況之量測 33
4.2.2 不同長度延遲光纖之測量 33
4.2.3 系統之動態範圍量測 33
4.3 系統偵漏實驗 34
4.3.1在不同的實驗環境之量測 34
4.3.1.1在空氣環境下不同水壓壓力之量測 34
4.3.1.2在水下環境不同水壓壓力之量測 34
4.3.2 光纖距離不同位置的洩漏孔之量測 35
4.3.3 不同洩漏點位置之量測 35
4.3.4 洩漏點位置偵測精確度與準確性之實驗 36
4.4 實驗結果與問題討論 36
4.4.1 實驗結果討論 36
4.4.1.1洩漏物理量實驗之討論 36
4.4.1.2感測光纖實驗之討論 37
4.4.1.3延遲光纖實驗之討論 38
4.4.1.4系統動態範圍實驗之討論 38
4.4.1.5各種情況的偵漏實驗之討論 38
4.4.1.6 偵漏系統之精確度與準確度討論 40
4.4.2 實驗之問題探討 40
4.4.2.1訊號強度之問題探討 41
4.4.2.2訊號褪變之問題探討 42
4.4.2.3實驗環境之問題探討 42
4.4.2.4洩漏物理場訊號之問題探討 43
4.4.2.5 系統精確度與準確度之問題探討 43
第五章結論與未來展望
5.1 結論 44
5.2 未來展望 45
5.2.1 光路模組化 45
5.2.2 訊號處理模組化 45
5.2.3 鋼管之感測光纖佈線的改良 46
5.2.4 使用介面之人性化 47
參考文獻 48
附表 51
附圖 53
附錄A 85
附錄B 90
附錄C 91
附錄D 92
中英文對照表 95
作者簡介 98
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