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臺灣博碩士論文加值系統

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研究生:蔡孟燦
研究生(外文):Tsai Meng-Tsan
論文名稱:光纖分佈式感測系統之氣體管線偵漏
論文名稱(外文):Fiber-Optic Distributed Sensor System for the Detection of the Leakage of Gas Pipelines
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:87
中文關鍵詞:桑克干涉儀解調光纖感測器洩漏偵測馬克-詹德干涉儀
外文關鍵詞:Sagnac interferometerMach-Zehnder interferomet
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氣體管線發生洩漏時,會產生聲音訊號,此聲音壓力波會造成光纖軸向某種程度上的應變,進而光纖中的導光會產生些微的相位差。在此我們使用馬赫─詹德及桑克混合式干涉儀來做為感測的架構,利用不同路徑、相同長度的兩道光,因經過洩漏點需不同的時間,使得造成不同的相位差,再經由電路解調解出因聲音訊號所造成的相位差,進而可推得洩漏位置。本偵漏架構優點為易於實際的佈放、整套系統花費低、並且為全光路設計,對洩漏位置的量測準確度可達99.9%,並且系統的動態範圍可高達75dB以上,最小可測訊號可達3.345x10^-4(rad/Hz)

This system is designed to detect the leakage position of gas pipelines. By Sagnac
interferometric theory, we develop the hybrid configuration of Mach-Zehnder and Sagnac Interferometer. It contains the properties of Sagnac Interferometer and it is easy to spread the fiber on the pipelines. When the leakage happened, it will generate the sound signal. This kind of sound pressure will make the total fiber length changed, and hence it will make phase difference. By getting the phase difference, we will get the information of leakage position. After a series of experiments, we prove our theory is correct and we can get an accurate position.
The Dynamic range of the system is more than 75 dB. The smallest signal that can be detected is about 3.345x10^-4(rad/Hz).
中文摘要i
Abstractii
誌謝iii
目錄iv
表目錄 vi 
圖目錄  vii
符號表  ix
第一章 簡介
1.1研究背景1
1.2研究動機 2
1.3論文架構3
第二章 理論分析
2.1桑克效應感測原理4
2.1.1光纖感測原理 4
2.1.2干涉現象 4
2.1.3桑克干涉儀 5
2.1.4傳統桑克干涉儀的偵測原理 5
2.1.5傳統桑克干涉儀的缺點及改善方式7
2.2馬赫─詹德及桑克混合式干涉儀數學分析 8
2.2.1干涉光數學分析 8
2.2.2解調電路的數學分析12
2.2.3 相位載波訊號解調電路架構14
2.3 系統元件介紹15
2.3.1 法拉第旋轉鏡(FRM) 15
2.3.2 壓電材料(PZT)光纖相位調制器16
2.4 光強度分析 17
2.4.1 系統光強度分析 18
2.4.2 相位調制器的位置探討 19
第三章 洩漏偵測分析
3.1 光纖感應理論分析 21
3.1.1 感測光纖的選擇條件21
3.1.2 光纖感應度數學分析22
3.2 光纖感應度量測理論分析 25
3.3 氣體管線構型分析 27
3.4 同時具有多個洩漏點理論分析 28
3.4.1 兩個洩漏點同時發生時干涉光強度的數學分析28
3.4.2 兩個洩漏點的洩漏位置分析32
3.4.3 同時出現兩個以上的洩漏點33
第四章 實驗與結果討論
4.1光纖感應度測量(Michelson架構實驗) 35
4.1.1 實驗架構及步驟 35
4.1.2 實驗結果 36
4.1.3 實驗結果討論 36
4.2 PZT模擬聲源
4.2.1 實驗架構及步驟 38
4.2.2 實驗結果討論 38
4.3 混合式架構實際管線模擬
4.3.1實驗架構及步驟 39
4.3.2 實驗結果 40
4.3.3 實驗結果討論41
五.結論與未來展望
5.1 結論 44
5.2 實際工程化的考量(多工架構、實際佈放)46
5.2.1 光纖佈放方式46
5.2.2 系統效能改善47
參考文獻 48
附表50
圖 53
附錄A 80
附錄B84
中英對照表 86
1.Eric Udd, “Distributed Sagnac Sensor System,” United States Patent, Patent number:5402231,(1995).2.A.A.Chtcherbakov, P.L.Swart and S.J.Spammer, “Mach-Zehnder and Modified Sagnac-Distributed Fiber-Optic Impact Sensor,” Appl. Opt., Vol.37, No.16, pp.3432-3437,(1998).3.J.P.Kurmer, S.A.Kingsley, J.S.Laudo and S.J.Kark, “Distributed Fiber Optic Acoustic Sensor For Leak Detection,” Distributed and Multiplexed Fiber Optic Sensors., SPIE, Vol.1586, pp.117-128,(1991)4.S.C.Huang, W.W.Lin, and M.H. Chen, “Time-Division Multiplexing of Polarization-Insensitive Fiber-Optic Michelson Interferometric Sensors,” Opt. Lett., Vol.20, pp.1244-1246,(1995)5.A.Dandridge, A.B.Tveten and T.G.Giallorenzi, “Homodyne Demodulator Scheme for Fiber Optic Sensors Using Phase Generated Carrier,” IEEE J. of Quanum. Elec., Vol.QE-18, No.10, pp.1647-1652,(1982).6.W. A. Wassef, M. N. Bassim, M. Houssny-Eman, and K.Tangri,”Acoustic emission spectra due to leaks from circular holes and rectangular slits,”J. Acoust.Soc. Am.77(3),pp.916-963(1985)7.施松村,無極化感受性麥克遜干涉式光纖聲感測器系統之分析,pp.59-66,國立中山大學,電機工程學系博士論文,高雄市,(1996).8.T.G.Giallorenzi, J.A.Bucaro, A.Dandridge, G.H.Sigel, J.H.Cole, S.C.Rashleigh and R.G.Priest, “Optical Fiber Sensor Technology,” IEEE J. of Quantum Elec., Vol.QE-18, No.4, pp.626-665, (1982).9.A.D.Kersey, “Multiplexed Fiber Optic Sensors,” in Distributed and Multiplexed Fiber Optic Sensors II SPIE Vol.1979., pp.161-185, (1992).10.A.D.Kersey, M.J.Marrone and M.A.Davis, “Polarisation-Insensitive Fiber Optic Michelson Interferometer,” Electron. Lett., Vol.27, No.6, pp.518-520,(1991).11.陳朝陽,小型化的三軸光纖磁力計及其校正,pp.8-10,國立中山大 學,電機工程學系碩士論文,高雄市,(1995).12.余大昌,振動免疫之光纖電流感測器之設計,pp.21-24,國立中山大學,電機工程學系碩士論文,高雄市,(1998).13. A.D.Kersey and R.P.Moeller, “Open Loop Fiber Optic Gyroscope with Phase Shift Nulling Signal Processing,” Electron. Lett.,Vol.26, No.16,pp.1251-1253, (1990).14.Trevor J. Holroyd, “Acoustic Emission — an NDT Technique Evolving into a Versatile Industrial Monitoring Method,” Measurement and Control., Vol.30,pp.141-145, (1997).15. J.M.Rajtar and R.Muthiah, “Pipeline Leak Detection System for Oil and Gas Flowlines,” J. of Manufacturing Sci. and Eng., Vol.119, pp.105-109,(1997).16.Xiaojun Fang, “Fiber-Optic Distributed Sensing by a Two-LoopSagnac Interferometer,” Opt. Lett., Vol.21, No.6, pp.444-446,(1996).17. Sang K. Sheem, “Optical Fiber Interferometers with [3×3]Directional Couplers:Analysis,” J. Appl. Phys., Vol.52, No.6, pp.3865-3872,(1981).18.E.Udd, “Fiber-Optic Acoustic Sensor Base On the Sagnac Interferometer,” Proc. Soc. Photo-Opt. Instrum. Eng., Vol.425,pp.90-95,(1983)19.Joseph T. V. Laser Electronics, Prentice-Hall International Inc., pp.207-223,(1995)20.Wuu-Wen Lin, Sung-Tsun Shih, Mao-Hsiung Chen, and Shih-Chu Huang, “The transfer functions of PZT phase modulators in optical fiber sensors,” Proc. Natl. Sci. Counc. ROC(A)., Vol.18, No.6, pp.570-575(1994).21.Eric Udd, Fiber Optical Sensors, pp.134-135, John Wiley and Sons Inc.,New York(1991).22.K.T.V. Grattan, and B.T. Meggitt, Optical Fiber Sensor Technology Volume 2 Devices and Technology, pp.307-308.,Chapman & Hall, London(1995).23.I.J. Bush, “Accurate Phase Measurement System For a Fiber Optical Interferometer,” in Dig. Conf. on Lasers and Electroopt,pp.100-101, IEEE/OSA., Washington, DC,(1981)24.J.H. Cole, B.A. Danver, and J.A. Bucaro, “Synthetic-Heterodyne Interferometric Demodulation,” IEEE J. of Quant. Elec., Vol.QE-18, No.4, pp.694-697,(1982).
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