CN103115642A

CN103115642A - 基于布里渊散射的光纤应变和温度同时标定装置和方法

Info

Publication number: CN103115642A
Application number: CN2013100227044A
Authority: CN
Inventors: 吕安强; 李永倩; 李静
Original assignee: North China Electric Power University
Current assignee: North China Electric Power University
Priority date: 2013-01-21
Filing date: 2013-01-21
Publication date: 2013-05-22
Anticipated expiration: 2033-01-21
Also published as: CN103115642B

Abstract

本发明属于分布式光纤传感测量技术领域，特别涉及一种基于布里渊散射的光纤应变和温度同时标定装置和方法。该装置包括光纤布里渊传感器测量设备，还包括防震支架、金属管以及恒温设备，该方法利用线膨胀系数较大且稳定的金属管制作应变标定装置，通过在金属管外壁刻写螺纹精确控制光纤位置；利用金属管上光纤同时承受应变和温度、松弛光纤只承受温度的特点，进行温度和应变的同时标定；使用恒温设备对金属管上光纤和松弛光纤施加精确可控的应变和温度；通过详细的标定步骤进行光纤应变和温度系数的标定；本发明通过设计光纤布里渊传感器的应变和温度高精度同时标定装置和方法，解决了应变标定误差大、应变和温度标定效率低的问题。

Description

基于布里渊散射的光纤应变和温度同时标定装置和方法

技术领域

本发明属于分布式光纤传感测量技术领域，特别涉及一种基于布里渊散射的光纤应变和温度同时标定装置和方法。

背景技术

分布式光纤布里渊传感器具有分布式、长距离、不受电磁干扰、适应恶劣环境等优点，该技术以其能够同时测量应变和温度的特点，越来越受到科研工作者和用户的关注，逐渐应用到建筑、电力、石油、航空、安防等领域。在具体的研究和工程实践中,光纤布里渊传感技术以普通通信用单模光纤作为传感介质，沿光纤轴向的应变信息和温度信息与单模光纤的基本参量有关。由于不同单模光纤的材料和生产工艺不同,不同厂家、不同型号、不同护套材料单模光纤的基本参量存在差异，因此,在将单模光纤作为分布式传感光纤之前,必须要进行标定。光纤布里渊传感技术实现应变和温度的准确测量是以布里渊散射频移应变和温度系数的精确标定为基础的。

目前，标定光纤温度系数的方法一般是将一定长度的传感光纤样纤松弛地放入恒温装置内，通过控制恒温装置，对样纤施加温度。只要保证恒温装置的控温精度高于传感光纤测量精度一个数量级就可实现高精度的温度标定。

标定光纤应变系数的一种方法是采用悬臂梁结构。此标定方法将待标定光纤固定在悬臂梁表面上，通过弯曲悬臂梁对光纤施加应变，再利用悬臂梁任意点应变可通过该点的挠度、横截面宽度和距固定端距离获得的原理，计算悬臂梁的应变，进而获得光纤的应变。为了保证光纤与悬臂梁的变形完全一致,传感光纤必须紧密粘贴在梁的表面，而完全的紧密接触很难实现。而且，光纤布里渊传感技术的空间分辨率一般都大于1米，这就要求悬臂梁具有一定的长度。若通过光纤的弯曲盘绕减少悬臂梁长度，则会产生应变施加不均匀的问题。另外，采用悬臂梁标定只能在空气中进行，尽管有温度补偿措施，但很难保证空气中各处温度的均匀性，导致应变标定误差的进一步增加。

标定光纤应变系数的另一种方法是采用定滑轮的方式。将光纤绕在固定好的定滑轮上，通过在光纤一端施加不同重量的砝码控制应变的标定，通过增加定滑轮的个数和滑轮间的距离，增加应变标定光纤的长度。此方法虽然增加了标定光纤的长度，但标定空间的增大使光纤各点的温度均匀性变差，导致标定误差增加。另外，与滑轮接触的光纤将承受其它位置处光纤没有的侧压力，也给应变标定带来了不均匀性误差。

因此，发明一种新的标定方法，保证应变标定的环境温度一致性、应变施加的均匀性、较大的标定长度，对光纤布里渊传感技术十分必要。

本发明提出一种基于布里渊散射的光纤应变和温度同时标定装置和方法，解决应变标定误差大、应变和温度标定效率低的问题。

发明内容

本发明的目的在于针对分布式光纤布里渊传感器应变标定受环境温度不一致、应变施加不均匀、标定长度受限导致标定误差大，应变和温度标定不能同时进行导致标定效率低的问题，提出一种基于布里渊散射的光纤应变和温度同时标定装置和方法。

一种基于布里渊散射的光纤应变和温度同时标定装置，该装置包括光纤布里渊传感器测量设备，其特征在于，还包括防震支架、金属管以及恒温设备，其中，

所述光纤布里渊传感器测量设备放置于恒温设备外，用来测量待标定光纤的布里渊散射频移；

所述防震支架，用于放置待标定光纤，防止待标定光纤因受到外力干扰而出现附加应变，保证待标定光纤只承受温度；

所述金属管，外壁上设有缠绕待标定光纤的螺纹，保证待标定光纤在金属管热膨胀时承受均匀的应变；

所述防震支架和金属管独立放置于恒温设备内；

所述恒温设备工作于N个温度点，保证待标定光纤承受可控的温度和应变，其中，N为设定值。

所述金属管的外径大于待标定光纤最小弯曲直径的2.5倍，金属管厚度大于2毫米；所述金属管的外表面螺纹凹槽宽度等于待标定光纤的外径，深度等于待标定光纤外径的一半，螺纹的节距大于待标定光纤的外径。

所述防震支架为不锈钢材质，具有3个支脚，支架的支撑面成环状，外环设有阻挡待标定光纤滑落的挡板，内环直径大于待标定光纤最小弯曲直径的2.5倍，内外环直径差大于2厘米。

一种基于布里渊散射的光纤应变和温度同时标定方法，包括以下步骤：

步骤1：将待标定光纤缠绕在金属管上，并进行固定，同时留出一定长度的松弛光纤放置在防震支架上；

首先，选择设定长度待标定光纤，将其一端固定在金属管的下端，然后以恒定拉力拉直待标定光纤，并匀速地转动金属管，这样使待标定光纤沿金属管的螺纹凹槽缠绕在金属管上，当绕制圈数达到待标定光纤设定绕制圈数时，停止转动金属管，并将缠绕在金属管上的待标定光纤固定在金属管管壁上；其次，将未缠绕在金属管上的待标定光纤松弛地盘绕设定匝数，且弯曲直径大于待标定光纤最小弯曲直径的2.5倍，平放在防震支架上；最后，将待标定光纤的另一端从防震支架引出接到光纤布里渊传感器测量设备上；

步骤2：将待标定光纤放入恒温设备内，控制待标定光纤承受的温度和应变；

将步骤1中缠绕了待标定光纤的金属管和放置松弛待标定光纤的防震支架同时放入恒温设备内，所述恒温设备内的控温精度比光纤布里渊传感器测量设备的精度至少高一个数量级，控制恒温设备的温度，使恒温设备内的温度分别稳定工作于N个温度点；在每一个温度点上，用光纤布里渊传感器测量设备对待标定光纤进行测量和记录；

步骤3：根据测量数据进行光纤布里渊散射频移的应变和温度系数标定，过程如下：

（1）控制恒温设备工作于N个温度点T=[T(1)，T(2)，T(3)，…，T(N)]，其中N是大于5的整数；分别记录N个温度点处，放置在防震支架上的待标定光纤的布里渊散射频移v_BT=[v_BT(1)，v_BT(2)，v_BT(3)，…，v_BT(N)],缠绕在金属管上待标定光纤的布里渊散射频移v_BS=[v_BS(1)，v_BS(2)，v_BS(3)，…，v_BS(N)]；

（2）定义每个温度点处放置在防震支架上的待标定光纤上由温度变化导致的布里渊散射频移变化量△v_BT(n)=v_BT(n)-v_BT(1)，每个温度点处由金属管热膨胀带来的缠绕在金属管上的待标定光纤应变变化导致的布里渊散射频移变化量△v_BS(n)=v_BS(n)-v_BS(1)-△v_BT(n)，每个温度点处的温度变化量△T(n)=T(n)-T(1)，每个温度点处由金属管热膨胀带来的缠绕在金属管上的待标定光纤应变变化量△ε(n)=C_m×△T(n)，其中，1≤n≤N，C_m是金属管的线膨胀系数；

（3）用最小二乘法对△v_BT(n)和△T(n)进行线性拟合，获得光纤布里渊散射频移的温度系数C_vT；用最小二乘法对△v_BS(n)和△ε(n)进行线性拟合，获得光纤布里渊散射频移的应变系数C_vε；

（4）计算金属管上T(1)温度时光纤的预应变值ε₀=(v_BS(1)-v_BT(1))/C_vε；

步骤4：在实际测量时，根据光纤布里渊传感器测量设备测出的布里渊散射频移v_B计算传感光纤的应变ε和温度T为：

ε=ε₀+(v_B-v_BS(1))/C_vε，

T=T(1)+(v_B-v_BT(1))/C_vT。

所述将缠绕在金属管上的待标定光纤固定在金属管管壁上采用防水胶黏贴方式固定。

所述待标定光纤沿金属管的螺纹凹槽缠绕在金属管上，使待标定光纤至少在金属管上缠绕1圈以上，缠绕时施加的恒定拉力应小于待标定光纤极限拉力的五十分之一，螺纹凹槽内和待标定光纤上均匀涂抹润滑剂。

放置在防震支架上的待标定光纤长度和缠绕在金属管上的待标定光纤长度均应大于标定时光纤布里渊传感器测量设备空间分辨率设定值的两倍。

步骤2中每一个温度点上，温度稳定持续时间超过5分钟后，再进行测量和记录。

本发明的有益效果：1、应变标定在恒温装置内进行，保证了应变标定环境温度的一致性，减少了标定误差；2、光纤以恒定拉力均匀绕制在带螺纹的金属管外壁上，保证了应变施加的均匀性；3、通过设计合适的金属管外径和螺纹圈数，可以灵活的控制应变标定的长度，实现各种长度光纤的应变标定；4、应变和温度标定同时进行，提高了标定效率。

附图说明

图1为金属管尺寸与待标定光纤绕制方式示意图；

图2为待标定光纤在金属管上绕制方法的示意图；

图3为该装置的整体结构示意图；

其中，1-待标定光纤；2-金属管；3-恒温设备；4-防震支架；5-光纤布里渊传感器测量设备。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步的说明：

1、选择牌号为1Cr18Ni9的不锈钢管，其线膨胀系数为15.5um/m*k（在20~100℃范围内），确定金属管外径为80mm，管壁厚度4mm。在外壁上均匀刻出槽宽125um、槽深62.5um、节距200um的螺纹，如图1所示。

2、用防水胶将距离末端2.5m处的待标定光纤固定在金属管外壁上，固定位置应在螺纹的凹槽延伸线上，以保证受力均匀。从固定位置起，沿金属管壁上螺纹凹槽以恒定拉力缠绕2m的待标定光纤，并将缠绕在金属管上的待标定光纤的末端用防水胶固定在金属管管壁上。为保证以恒定拉力缠绕，需要在凹槽内涂抹起润滑作用的凡士林油，另外，用10g砝码产生恒定拉力，通过匀速转动金属管实现待标定光纤绕制，如图2所示。另外，将未缠绕在金属管上的待标定光纤引出后，留2m长的待标定光纤，使其松弛盘绕放置在防震支架上，且弯曲直径大于80mm。将未放置在防震支架上的待标定光纤留出0.5m长接到光纤布里渊传感器测量设备上。

3、将缠绕待标定光纤的金属管和放置松弛待标定光纤的防震支架同时放入恒温水浴内，让二者保持一定距离，使其不会相互影响，如图3所示。恒温水浴的控温精度为0.1℃。

4、按以下步骤进行标定：

（1）控制恒温水浴使其分别稳定工作于8个温度点T=[20，30，40，50，60，70，80，90]℃。分别记录8个温度点处，松弛光纤上的布里渊散射频移v_BT=[v_BT(1)，v_BT(2)，v_BT(3)，…，v_BT(8)],金属管上光纤的布里渊散射频移v_BS=[v_BS(1)，v_BS(2)，v_BS(3)，…，v_BS(8)]。

（2）定义每个温度点处放置在防震支架上的待标定光纤上由温度变化导致的布里渊散射频移变化量△v_BT(n)=v_BT(n)-v_BT(1)，每个温度点处由金属管热膨胀带来的缠绕在金属管上的待标定光纤应变变化导致的布里渊散射频移变化量△v_BS(n)=v_BS(n)-v_BS(1)-△v_BT(n)，每个温度点处的温度变化量△T(n)=T(n)–T(1)，每个温度点处由金属管热膨胀带来的缠绕在金属管上的待标定光纤应变变化量△ε(n)=C_m×△T(n)，其中，1≤n≤8，C_m＝15.5um/m*k是金属管的线膨胀系数。

（3）用最小二乘法对△v_BT(n)和△T(n)进行线性拟合，获得光纤布里渊散射频移的温度系数C_vT；用最小二乘法对△v_BS(n)和△ε(n)进行线性拟合，获得光纤布里渊散射频移的应变系数C_vε。

（4）计算金属管上20℃时光纤的预应变值ε₀=(v_BS(1)-v_BT(1))/C_vε。

5、在实际测量时，根据光纤布里渊传感器测量设备测出的布里渊散射频移v_B计算待标定光纤的应变ε和温度T为：

ε=ε₀+(v_B-v_BS(1))/C_vε，

T=T(1)+(v_B-v_BT(1))/C_vT。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在未脱离本发明技术实质的情况下，对以上实施例所作的任何修改、等同变化与修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种基于布里渊散射的光纤应变和温度同时标定装置，该装置包括光纤布里渊传感器测量设备，其特征在于，还包括防震支架、金属管以及恒温设备，其中，

所述防震支架和金属管独立放置于恒温设备内；

2.根据权利要求1所述一种基于布里渊散射的光纤应变和温度同时标定装置，其特征在于，所述金属管的外径大于待标定光纤最小弯曲直径的2.5倍，金属管厚度大于2毫米；所述金属管的外表面螺纹凹槽宽度等于待标定光纤的外径，深度等于待标定光纤外径的一半，螺纹的节距大于待标定光纤的外径。

3.根据权利要求1所述一种基于布里渊散射的光纤应变和温度同时标定装置，其特征在于，所述防震支架为不锈钢材质，具有3个支脚，支架的支撑面成环状，外环设有阻挡待标定光纤滑落的挡板，内环直径大于待标定光纤最小弯曲直径的2.5倍，内外环直径差大于2厘米。

4.一种基于布里渊散射的光纤应变和温度同时标定方法，其特征在于，包括以下步骤：

首先，选择设定长度待标定光纤，将其一端固定在金属管的下端，然后以恒定拉力拉直待标定光纤，并匀速地转动金属管，使待标定光纤沿金属管的螺纹凹槽缠绕在金属管上，当绕制圈数达到待标定光纤设定绕制圈数时，停止转动金属管，并将缠绕在金属管上的待标定光纤固定在金属管管壁上；其次，将未缠绕在金属管上的待标定光纤松弛地盘绕设定匝数，且弯曲直径大于光纤最小弯曲直径的2.5倍，平放在防震支架上；最后，将待标定光纤的另一端从防震支架引出接到光纤布里渊传感器测量设备上；

（1）控制恒温设备工作于N个温度点T=[T(1)，T(2)，T(3)，…，T(N)]，其中N是大于5的整数；分别记录N个温度点处，放置在防震支架上的待标定光纤的布里渊散射频移v_BT＝[v_BT(1)，v_BT(2)，v_BT(3)，…，v_BT(N)],缠绕在金属管上待标定光纤的布里渊散射频移v_BS=[v_BS(1)，v_BS(2)，v_BS(3)，…，v_BS(N)]；

（2）定义每个温度点处放置在防震支架上的待标定光纤上由温度变化导致的布里渊散射频移变化量△v_BT(n)=v_BT(n)-v_BT(1)，每个温度点处由金属管热膨胀带来的缠绕在金属管上的待标定光纤应变变化导致的布里渊散射频移变化量△v_BS(n)=v_BS(n)-v_BS(1)-△v_BT(n)，每个温度点处的温度变化量△T(n)=T(n)–T(1)，每个温度点处由金属管热膨胀带来的缠绕在金属管上的待标定光纤应变变化量△ε(n)=C_m×△T(n)，其中，1≤n≤N，C_m是金属管的线膨胀系数；

ε=ε₀+(v_B-v_BS(1))/C_vε，

T=T(1)+(v_B-v_BT(1))/C_vT。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述将缠绕在金属管上的待标定光纤固定在金属管管壁上采用防水胶粘贴方式固定。

6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述待标定光纤沿金属管的螺纹凹槽缠绕在金属管上，使待标定光纤至少在金属管上缠绕1圈以上，缠绕时施加的恒定拉力应小于待标定光纤极限拉力的五十分之一，螺纹凹槽内和待标定光纤上均匀涂抹润滑剂。

7.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，放置在防震支架上的待标定光纤长度和缠绕在金属管上的待标定光纤长度均应大于标定时光纤布里渊传感器测量设备空间分辨率设定值的两倍。

8.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤2中每一个温度点上，温度稳定持续时间超过5分钟后，再进行测量和记录。