基于分布式光纖振動傳感技術的汽車排氣管漏氣檢測方法研究

【摘要】針對汽車尾氣泄漏檢測問題，提出一種基于分布式光纖振動傳感檢測技術的尾氣泄漏檢測方法。首先，通過在汽車尾氣管上安裝傳感器捕捉尾氣泄漏引起的局部氣壓擾動導致的光纖光信號強度和相位變化，采用基于雙馬赫-曾德爾干涉結構的分布式振動傳感系統和微分交叉算法解調雙端振動信號，其次，利用互相關時延算法精確定位泄漏位置，在仿真測試中通過壓電陶瓷裝置模擬泄漏情況，設置2 m光纖長度，實現了0.01 m的定位精度，驗證了所提出方法的可行性。

關鍵詞：尾氣泄漏檢測 分布式光纖傳感 雙馬赫-曾德爾干涉儀 互相關時延定位

中圖分類號：U461.91" "文獻標志碼：A" "DOI： 10.20104/j.cnki.1674-6546.20240210

Research on Detection Method of Leakage in Automotive Exhaust Pipes Based on Distributed Fiber Optic Vibration Sensing Technology

Yang Jian Chen Ming

（1. Anhui University of Science and Technology， Huainan 232001; 2. Shenzhen University， Shenzhen 518060）

【Abstract】To tackle the challenge of exhaust gas leak detection， this paper proposes an exhaust gas leakage detection method based on distributed fiber optic vibration sensing technology. Firstly， sensors are mounted on the vehicle’s exhaust pipe to detect variations in both intensity and phase of the optical fiber light signal， which arise from local pressure disturbances associated with exhaust gas leaks. A distributed vibration sensing system that utilizes a dual Mach-Zehnder interferometer setup is applied with a differential cross-correlation algorithm for demodulating vibrations captured at both ends. Secondly， a cross-correlation delay algorithm is used to precisely pinpoint any leakage locations. In simulation test， leak scenarios are emulated using a piezoelectric ceramic device along with a designated fiber length of 2 m， achieving remarkable positioning accuracy of 0.01 m and validating the feasibility of this proposed method.

Key words： Exhaust gas leakage detection， Distributed fiber optic sensing， Dual-Mach-Zehnder interferometer， Cross-correlation delay positioning

【引用格式】 楊鑒， 陳明. 基于分布式光纖振動傳感技術的汽車排氣管漏氣檢測方法研究[J]. 汽車工程師， 2024（11）： 20-24.

YANG J， CHEN M. Research on Detection Method of Leakage in Automotive Exhaust Pipes Based on Distributed Fiber Optic Vibration Sensing Technology[J]. Automotive Engineer， 2024（11）： 20-24.

1 前言

燃油汽車排氣管漏氣的原因主要有：排氣管長期接觸尾氣及雨水、鹽分、塵土等導致排氣管腐蝕、形成銹洞；車輛行駛過程中的振動或外力撞擊導致排氣管出現裂縫或斷裂；排氣管生產過程中的制造缺陷或質量問題[1]。汽車排氣管漏氣將造成排放超過相關標準并降低車輛性能，因此，及早識別漏氣及其位置具有重要意義。

超聲波傳感器、壓力傳感器和熱像儀等多種傳感器已在汽車排氣管漏氣檢測中應用。超聲波傳感器靈敏度高，但易受發(fā)動機噪聲干擾[2]；壓力傳感器可以檢測壓力變化，但無法精確定位泄漏點[3-4]；熱像儀受環(huán)境溫度變化影響較大，且成本較高。上述技術各有優(yōu)勢及局限性，但均未能完全滿足高精度、低成本、高可靠性的檢測需求。

本文以分布式光纖振動傳感技術為基礎，提出一種汽車排氣管漏氣檢測方法。通過捕捉汽車尾氣泄漏時壓強變化引起的光纖中光信號周期性相位變化，采用基于雙馬赫-曾德爾干涉結構的分布式振動傳感系統和微分交叉算法解調雙端振動信號，利用互相關算法對漏氣位置進行定位。最后，對算法的性能進行仿真驗證。

2 汽車尾氣檢測原理

2.1 尾氣泄漏識別原理

汽車排氣管內部的壓強（即排氣背壓）隨車速和發(fā)動機運轉工況變化。理想情況下，大多數乘用車排氣背壓保持在0.4～0.6 MPa范圍內，本文以0.5 MPa作為排氣管的平均壓強[5]。當管道由于內部壓力過大或其他原因破裂時，破裂瞬間會產生壓力波，可以通過爆炸力學的相關理論進行估算，影響因素包括破裂口尺寸、破裂瞬間的壓力、管道材質特性、破裂后的氣體流動特征及周圍結構的具體情況。

管道破裂前承受內壓導致的應力可使用環(huán)向應力公式（針對圓形截面管道）計算[6]：

2.2 光纖中光的相移與擾動信號的關系

光纖受到壓力、溫度或彎曲等環(huán)境因素影響時，其物理特性（如折射率、尺寸等）會發(fā)生變化，進而影響光波在光纖中的傳播路徑，特別是其相位。

以馬赫-曾德爾干涉儀為例，外界發(fā)生擾動使傳感光纖中傳輸的光產生相移[7]，如圖2所示，其中，Ei、EO分別為輸入光功率和經過傳輸后發(fā)生損耗的輸出光功率，ε為外界擾動施加的微小應變，C1、C2分別為光信號分束端和發(fā)生干涉后的耦合端。相移可結合干涉儀的工作原理進行檢測，其中光被分為兩路，經過不同的路徑后再進行一次干涉。環(huán)境擾動對光纖的影響可通過分析干涉圖樣進行精確測量。

特定頻率的光波在通過光纖后經歷的相位變化φ為：

評估光纖傳感器中相位變化的物理原因時，需注意3個關鍵因素：光纖彈性變形導致的相位變化；彈光效應對相位的影響，即光纖會產生折光率變化；纖芯直徑調整產生的泊松效應[8]。

2.3 微分交叉解調原理

光纖傳感系統以3×3耦合器解調方法為基礎，由1×2耦合器、3×3耦合器及3個光電探測器組成信號解調部分，與兩條長度不同的光纖臂連接后組建一臺馬赫-曾德爾干涉儀。信號光經過1×2耦合器進入馬赫-曾德爾干涉儀并進行干涉，再經3×3耦合器將光信號劃分為三路，相位差為2π/3，第m路光信號的輸出強度Im為：

圖3中，I1、I2、I3為進入光電探測器的光強，a、b、c為3×3耦合器的耦合系數，S、D分別為雙端擬合結果，φout為微分算法最終輸出光強。

3路光信號由3臺光電探測器分別轉換成電信號，再使用采集卡對數據進行采集，經計算機處理后輸出結果。

3 基于雙馬赫-曾德爾結構的尾氣泄漏定位

3.1 系統信號傳輸模型

為外界擾動信號建立傳輸信號模型，如圖4所示。

在感測區(qū)內，傳感光纖通過將外界產生的擾動信號調制成光信號的相位，再利用干涉原理將相位變化進一步轉化為光強變化。最后，光強信號經光電探測器轉換為電信號，并對其進行處理。系統信號處理模塊的關鍵是從電壓信號中精確提取振動信號信息。

3.2 基于雙馬赫-曾德爾結構的時延定位系統

雙馬赫-曾德爾型分布式光纖傳感系統如圖5所示。

使用線偏振光激光器產生波長為1 550 nm的光作為探測光，光輸出功率約為4 mW，線寬為50 kHz。首先，激光器通過光隔離器優(yōu)化偏振狀態(tài)，以提高信號的穩(wěn)定性。包含振動信息的信號光經1×2耦合器，再經另一條1×2耦合器傳播，并被分成兩個等功率的光束，均耦合到相同的單模光纖上。在傳感光纖中，兩束光沿相反方向傳播并穿過整個光纖，然后進入相位解調階段。

外部擾動作用于傳感區(qū)域特定點時，順時針和逆時針方向傳遞的光束會產生相同特征的相位變化。兩個振動調制光信號到達時間的差值可以通過互相關算法計算，利用時間差推測出振動位置[10]。其表達式[11]為：

3.3 光纖定位系統

為精確獲得泄漏點位置，需對光纖進行環(huán)形標記：光纖繞排氣管，第1圈標記為A01，第2圈標記為A02，以此類推。如圖6所示，以A01-0為起始點，逆時針間隔45°依次標記一個點位，如A01-0、A01-45和A01-90等。

當光纖受到尾氣泄漏的氣壓擾動時，可通過解調雙端擾動的相位信息，利用互相關時延算法定位振動位置，準確找到汽車尾氣的泄漏點。

4 互相關時延仿真定位

由于實際應用時需將光纖緊貼于排氣管，為評估本文提出的傳感器的性能，根據排氣管長度，設置光纖總長度為2 m。在1.2 m處對傳感光纖施加擾動，模擬排氣管內部壓強，將壓電陶瓷振動頻率設置為0.1 Hz，施加的應力為11.25 MPa，振動通過壓電陶瓷傳遞到傳感光纖。馬赫-曾德爾干涉儀的實測時域波形如圖7所示。采集時間窗為50 s，示波器的采樣頻率為1 GHz，對應采樣間隔為0.01 m。采樣間隔應小于系統的定位誤差，該系統理想情況下定位誤差在0.01 m以內。

與使用兩個不同波長激光源的傳感系統不同，本文提出的傳感器只使用一個激光源。兩個馬赫-曾德爾干涉儀經歷了相同的相位變化，因此其光程差的擾動變化是相似的，輸出波形應該具有相似的變化趨勢。從圖7中可以觀察到，兩端具有相似的波形，且只有微小的時間差。此外，波形強度差異是考慮了外界低頻噪聲信號及所使用的連接器和耦合器損耗噪聲導致的。考慮到兩個馬赫-曾德爾干涉儀仿真波形良好的相似性和內在相關性，因此不需進行復雜的時域分析，采樣數據可直接計算相互關系[12]，進而通過檢索兩個振動信號之間的時間延遲來確定振動位置。

對兩個馬赫-曾德爾干涉儀波形進行歸一化后[13]，計算得到的互相關結果如圖8所示。根據式（9）計算可得時間延遲為0.21 ns，則振動位置在1.2 m左右，接近真實擾動點。

5 結束語

為解決汽車尾氣泄漏檢測問題，在馬赫-曾德爾干涉儀分布式光纖傳感器理論分析的基礎上，本文提出并設計了基于雙馬赫-曾德爾干涉儀結構的光纖傳感系統，說明了干涉測量技術與基于互相關算法的時延差定位方法，并分析了定位精度的多種影響因素，以提高光纖傳感系統的定位準確性。驗證結果表明，該系統可實現0.01 m的定位精度，證明了系統的可行性。

參考文獻

[1]" "吳慧珺， 高亢， 周蕊. 透視中國新能源汽車產業(yè)十年之變[N]. 經濟參考報， 2024-06-14（5）.WU H J， GAO K， ZHOU R. Perspective on the Changes of China’s New Energy Automobile Industry in Ten Years[N]. Economic Information Daily， 2024-06-14（5）.

[2]" "梅華悅， 唐華蘋， 鄧繼偉， 等. 智慧物聯網在智能網聯汽車領域的應用與探討[J]. 太赫茲科學與電子信息學報， 2024， 22（9）： 925-932.

MEI H Y， TANG H P， DENG J W， et al. Application and Discussion of Intelligent Internet of Things in the Field of Intelligent Connected Vehicles[J]. Journal of Terahertz Science and Electronic Information Technology， 2024， 22（9）： 925-932.

[3]" "張利鵬， 劉一帆， 劉帥帥， 等. 分布式驅動電動汽車回饋制動單側電機失效的機電液復合控制[J/OL]. 機械工程學報. （2024-09-25）[2024-10-09]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2187.TH.20240925.1334.072.html.ZHANG L P， LIU Y F， LIU S S， et al. Electro-Hydraulic Composite Control for Single-Side Motor Failure in Feedback Braking of Distributed Drive Electric Vehicles[J/OL]. Journal of Mechanical Engineering. （2024-09-25）[2024-10-09]. http：//kns.cnki.net/kcms/detail/11.2187.TH.20240925.1334.072.html.

[4]" "錢永康， 林寶軍， 郭作揚， 等. 應用光纖壓力傳感器的點火閉環(huán)控制系統[J]. 汽車技術， 1991（10）： 4-7.QIAN Y K， LIN B J， GUO Z Y， et al. Ignition Closed-Loop Control System with Optical Fiber Pressure Sensor[J]. Automotive Technology， 1991（10）： 4-7.

[5]" "付雪青， 張巖， 丁占銘， 等. 進排氣壓力對氣門式二沖程柴油機掃氣過程的影響[J]. 汽車安全與節(jié)能學報， 2023， 14（1）： 125-132.FU X Q， ZHANG Y， DING Z M， et al. Influence of Inlet and Exhaust Pressure on Scavenging Process of Valve Type Two-Stroke Diesel Engine[J]. Journal of Automobile Safety and Energy， 2023， 14（1）： 125-132.

[6]" "鮑仕榕. 斜拉橋錨固區(qū)局部應力分析及優(yōu)化[J]. 福建交通科技， 2023（10）： 95-99.BAO S R. Analysis and Optimization of Local Stress in Anchoring Area of Cable-Stayed Bridge[J]. Fujian Communication Science and Technology， 2023（10）： 95-99.

[7]" BAO X Y， CHEN L. Recent Progress in Distributed Fiber Optic Sensors[J]. Sensors， 2012， 12（7）： 8601-8639.

[8]" "王友釗， 黃靜. 光纖傳感技術[M]. 西安： 西安電子科技大學出版社， 2015.WANG Y Z， HUANG J. Optical Fiber Sensing Technology[M]. Xi’an： Xidian University Press， 2015.

[9]" "崔洪亮， 于淼， 常天英， 等. 應用于海洋環(huán)境和海洋工程的光纖傳感技術[J]. 吉林大學學報（地球科學版）， 2017， 47（1）： 279-293.CUI H L， YU M， CHANG T Y， et al. Optical Fiber Sensing Technology Applied to Marine Environment and Marine Engineering[J]. Journal of Jilin University （Earth Science Edition）， 2017， 47（1）： 279-293.

[10] CULSHAW B， KERSEY A. Fiber-Optic Sensing： A Historical Perspective[J]. Journal of Lightwave Technology， 2008， 26（9）： 1064-1078.

[11] 張葉浩. 基于3*3耦合器雙馬赫曾德分布式光纖傳感系統的設計[D]. 長春： 長春理工大學， 2018.ZHANG Y H. Design of Dual Mach Zehnder Distributed Fiber Sensing System Based on 3*3 Coupler[D]. Changchun： Changchun University of Science and Technology， 2018.

[12] 王冠軍. 新型微結構光纖傳感技術[M]. 北京： 國防工業(yè)出版社， 2015.WANG G J. New Micro-Structure Optical Fiber Sensing Technology[M]. Beijing： National Defense Industry Press， 2015.

[13] 劉志波. 基于光纖馬赫-增德爾干涉儀的濾波器及其傳感特性研究[D]. 北京： 北京交通大學， 2015.LIU Z B. Filter and Sensing Characteristics Based on Fiber Optic Mach Zehnder Interferometer[D]. Beijing： Beijing Jiaotong University， 2015.

（責任編輯 白 夜）

修改稿收到日期為2024年8月27日。