CN103323142A - Botdr工程应用中剔出温度因素对应力监测影响的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种BOTDR工程应用中能够剔出温度因素对应力监测影响的方法，在被测结构中铺设一根传感光纤时，每铺设一段间距N的传感光纤即留下一段补偿光纤，每段补偿光纤的长度n≥N/10，前述补偿光纤保持松弛状态并与被测结构接触，监测***测量得到每段间距N的传感光纤以及补偿光纤的布里渊频移后，通过对测量数据进行分析处理得到分别由温度和应变造成的布里渊频移。本发明的方法通过一根传感光纤同时监测温度和应力，解决了BOTDR在工程应用中的温度应变交叉敏感问题，而且还降低了***成本，提高了监测可靠性。

Description

BOTDR工程应用中剔出温度因素对应力监测影响的方法

技术领域

本发明涉及BOTDR工程应用技术领域，具体而言涉及一种BOTDR工程应用中能够剔出温度因素对应力监测影响的方法.。

背景技术

在BOTDR（Brillouin Optical Time-Domain Reflectometry）***中，向光纤中注入的探测脉冲光与光纤中的声学声子相互作用产生自发布里渊散射，在光纤同一端检测布里渊后向散射光，通过测量光纤沿线的布里渊频移分布实现应变和温度的连续分布式测量。

光纤中布里渊后向散射光的频率受到光纤散射点轴向应变和温度的影响而发生改变，布里渊后向散射光的频移随应变和温度成线性变化的关系，如下式：

ΔV_B(z)＝C₁·Δε(z)+C₂·ΔT(z)    (0)

其中ΔV_B(z)为光纤中布里渊频移变化量，Δε(z)为光纤z(离入射端面距离)处应力变化，ΔT(z)光纤z处温度变化，C₁，C₂为光纤中布里渊频移应变系数和温度系数。BOTDR就是通过光纤中布里渊散射效应将光纤沿线温度和应变信息实时检测出来，结合光时域反射技术通过光纤中光波的传播速度及入射光与反射光的时间差定位事件发生地点。目前BOTDR分布式光纤传感技术已在桥梁、大坝、隧道、周界和高速铁路等结构健康监测中取得一系列应用成果。

由公式(0)知，光纤中布里渊频移同时受应变和温度的影响，仅由单一的布里渊频移无法分辨出该频移是由应变还是由温度所引起，这就是BOTDR的温度应变交叉敏感问题，工程应用时温度应变交叉问题影响了BOTDR分布式光纤传感器测量的可靠性。解决BOTDR温度应变交叉敏感问题的最初方案是同时布置多根光纤，一根光纤处于松弛状态作为参考光纤，通过测量参考光纤获得待测量场的温度信息，然后从测量光纤中扣除温度信息以获得待测量场的应变信息，从而实现实验温度和应变的同时测量。但是，如果参考光纤和监测光纤的布里渊中心频率不一致，反而造成测量误差，而且工程应用中铺设多根传感光纤并保证其存活很多情况下难以实现，反而增加了成本和施工难度，降低测量效率。其他解决方法则是从光纤自身来解决交叉敏感问题，例如基于布里渊散射谱的双参量矩阵法、基于特种光纤的双频移矩阵法和联合拉曼散射等物理效应法来实现温度和应变的同时测量。但是，这些方法大多尚不成熟，仍需改进。本发明就是根据实际的工程应用背景，提出了一种不需增加***成本，并能提高测量效率，切实解决BOTDR工程应用中温度应变交叉敏感问题的新方法。

发明内容

本发明目的在于提供一种BOTDR工程应用中同时监测温度和应力的方法，通过一根传感光纤实现应变和温度的同时测量，解决BOTDR工程应用中温度和应变交叉敏感问题。

为达成上述目的，本发明所采用的技术方案如下：

一种BOTDR工程应用中同时监测温度和应力的方法，在被测结构中铺设一根传感光纤时，每铺设一段间距N的传感光纤即留下一段补偿光纤，每段补偿光纤的长度n≥N/10，前述补偿光纤保持松弛状态并与被测结构接触，监测***测量得到每段间距N的传感光纤以及补偿光纤的布里渊频移后，通过对测量数据进行分析处理得到分别由温度和应变造成的布里渊频移。

进一步，前述间距N的大小为100米，前述每段补偿光纤的长度n为10米。

进一步，前述监测***测量得到布里渊频移后，将每段间距N的传感光纤段内各处的布里渊频移扣除温度变化引起的频移即得到该段传感光纤中由应力变化引起的布里渊频移分布，前述温度变化引起的频移即为补偿光纤的布里渊频移。

进一步，前述补偿光纤的长度,即每段补偿光纤的长度大于或等于监测***的空间分辨率，下面实例中的BOTDR的空间分辨率就小于每段10m的补偿光纤长度。

进一步，前述传感光纤采用全面接着铺设和定点接着铺设中一种方式粘贴布设在被测结构上。

进一步，前述粘贴布设的步骤如下：

1）将传感光纤拉直并直接与被测结构接触，然后利用胶带做初步固定；

2）在初步固定好的传感光纤上涂抹快干胶进行二次固定，以保证光纤不受外力因素脱落；

3）在步骤2）基础上对传感光纤进行堆胶保护，堆胶采用硅胶或环氧树脂；

4）待堆胶凝结以后，使用与待测结构颜色相同的工程胶带覆盖在堆胶表面，对传感光纤进行保护和美观作用。

由以上本发明的技术方案可知，本发明的有益效果在于依据实际的BOTDR工程应用背景，通过在传感光纤铺设时预留补偿光纤，使补偿光纤保持松弛状态与被测结构接触用于获取待测结构的温度信息，由于工程环境中小范围内温度基本保持不变，通过扣除补偿光纤的温度信息引起的布里渊频移就能得到被测结构的应变信息而引起的布里渊频移，从而将光纤中温度和应变变化引起的布里渊频移分开，解决了BOTDR在工程应用中的温度应变交叉敏感问题。

附图说明

图1为本发明的传感光纤铺设示意图。

图2为本发明的传感光纤粘贴方式示意图。

图3为本发明方法的在一监测工程项目的应用实例中的补偿光纤具体测量结果图。

图4为图3应用实例中扣除了温度影响的频移后获得的传感光纤中因应力变化引起的布里渊频移分布示意图。

图5为图3应用实例中扣除温度后的应变分布和原始应变分布的比较图。

具体实施方式

为了更了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下。

在利用BOTDR进行结构健康监测工程应用时，传感光纤被敷设到被测结构上，采用粘贴方式保证传感光纤与被测结构同步变形。设被测结构的某一z₁段传感光纤在t₀时刻的应变值为ε₀，温度为T₀，被测结构z₁段内温度基本保持不变，在t₁时刻被测结构发生变形，导致光纤中布里渊频率变化，此时传感光纤中应变值变为ε₁，其温度为T₁，则使用BOTDR检测可得到传感光纤的布里渊频移ΔV_B1，表达为：ΔV_B1＝C₁·(ε₁-ε₀)+C₂·(T₁-T₀)，C₁，C₂为光纤的布里渊应变系数和温度系数，这个频移同时包含了温度和应力变化的信息，通过ΔV_B1是无法将温度和应变区分出来的。

参考图1-2所示，根据本发明的较优实施例，BOTDR工程应用中同时监测温度和应力的方法包括以下步骤：在被测结构1中铺设一根传感光纤2时，每铺设一段间距N的传感光纤即留下一段补偿光纤3，每段补偿光纤3的长度n≥N/10，前述补偿光纤3保持松弛状态并与被测结构1接触，监测***由光纤和BOTDR共同组成,光纤起到将温度和应力的信息感知回来的作用,而BOTDR是对这些回来的数据进行分析处理,给出最终的处理结果数据；测量得到每段间距N的传感光纤以及补偿光纤的布里渊频移后，通过对测量数据进行分析处理得到分别由温度和应变造成的布里渊频移。

如图1和图2所示，为了保证传感光纤2和被测结构1的变形一致，传感光纤2采用粘结剂4粘贴布设在被测结构1上。根据被测结构待测场不同，可以选择全面接着铺设和定点接着铺设两种方式进行粘贴布设。

本实施例中采用全面接着铺设方式，具体的粘贴布设步骤如下：

1）将传感光纤拉直并直接与被测结构接触，然后利用胶带做初步固定；

2）在初步固定好的传感光纤上涂抹快干胶进行二次固定，以保证光纤不受外力因素脱落；

3）在步骤2）基础上对传感光纤进行堆胶保护，堆胶采用硅胶或环氧树脂；

4）待堆胶凝结以后，使用与待测结构颜色相同的工程胶带覆盖在堆胶表面，对传感光纤进行保护和美观作用。

如图1所示，在铺设传感光缆2时，每铺设隔一定间距N的传感光纤就留下一段补偿光纤3，前述间距的大小可依据待测结构的尺寸以及实际的工程环境来决定。优选地，补偿光纤被绕成圈形以方便铺设和放置。每段补偿光纤3的长度n≥N/10，补偿光纤3保持松弛状态并与被测结构1接触，这样可保证补偿光纤处于自由状态，任何时刻都不受应力作用，补偿光纤中布里渊频移只受到温度影响。由于工程环境中小范围内温度基本保持不变，通过在每段传感光纤的布里渊频移中扣除补偿光纤的布里渊频移（由于温度引起）就能得到被测结构的因为应力变化而引起的布里渊频移。

因此，如前所述，在t₁时刻，BOTDR测得补偿光纤3中的布里渊频移为ΔV_B2＝C₂ΔT，从而获得补偿光纤3的温度变化ΔT，ΔT是z₁段内温度变化，t₁时刻测得z₁段布里渊频移为ΔV_B1，通过扣除温度变化造成的频移，即ΔV_ε＝ΔV_B1-C₂ΔT＝C₁Δε就得到z₁段内光纤应力变化引起的布里渊频移信息。

本实施例中，被测结构中传感光纤2铺设长度为1km，以100m的距离为间隔N并留下10m长度的补偿光纤3，为了保证补偿光纤3能够准确获得被测结构的温度信息，补偿光纤3的长度指每段补偿光纤的长度还是补偿光纤的总长度应当大于或等于监测***的空间分辨率，补偿光纤越长，在测量段获得温度信息越准确。补偿光纤不宜放置过长，只要能获取被测结构温度信息即可，过长的补偿光纤造成***成本增加，因此，可根据待测结构的尺寸以及实际的工程环境来确定。

下面结合本发明方法的在一监测工程项目的应用实例中，进一步说明本发明。在某一BOTDR监测工程项目的应用实例中，依据本发明方法进行传感光纤的铺设，采用的传感光纤在20℃时，布里渊中心零频率为10.80GHz，温度系数约为1.2MHz/℃,应变系数为4.78MHz/100με。传感光纤2按定点接着方式进行粘贴铺设，每隔100m预留10m的补偿光纤3，补偿光纤保持松弛状态与被测结构接触，监测***测量得到传感光纤的布里渊频移后，通过对测量数据进行处理得到分别由温度和应变造成的布里渊频移。

某日于监测工程现场采集测量结果时，天气为多云天气，被测结构温度变化主要由气温变化造成。BOTDR中传感光纤的布里渊中心零频率设定为10.8042GHz，第一次数据采集时气温为20℃，第二次采集时气温为25℃。

以340m-440m传感光纤段内数据为例，段内补偿光纤长为10m，补偿光纤中布里渊频移ΔV_B2＝C₂·ΔT反映了被测结构温度变化，两次采集数据中补偿光纤中的布里渊频率变化如图3所示，由图知，补偿光纤中的布里渊频率变化约为6MHz，与气温变化5℃相对应。

在实际的工程应用环境内，通常认定100m的范围内环境温度变化保持一致，因此将段内其余各处传感光纤的布里渊频移扣除温度变化引起的频移就获得了该段传感光纤中因应力变化引起的布里渊频移分布，如图4所示。

在图5中显示了340m-440m段传感光纤上两次测量时得到的段内光纤应变分布信息，结果显示，两次测量时，光纤上的应变分布基本没有发生变化，表明被测结构上没有发生变形事件。

综上所述，本发明的方法通过在传感光纤铺设时预留补偿光纤，使补偿光纤保持松弛状态与被测结构接触用于获取待测结构的温度信息，由于工程环境中小范围内温度基本保持不变，通过扣除补偿光纤的温度信息引起的布里渊频移就能得到被测结构的应变信息而引起的布里渊频移，从而将光纤中温度和应变变化引起的布里渊频移分开，解决了BOTDR在工程应用中的温度应变交叉敏感问题，而且还降低了***成本，提高了监测可靠性。

虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中具有通常知识者，在不脱离本发明的精神和范围内，当可作各种的更动与润饰。因此，本发明的保护范围当视权利要求书所界定者为准。

Claims (6)

1.一种BOTDR工程应用中能够剔出温度因素对应力监测影响的方法，其特征在于，在被测结构中铺设一根传感光纤时，每铺设一段间距N的传感光纤即留下一段补偿光纤，每段补偿光纤的长度n≥N/10，前述补偿光纤保持松弛状态并与被测结构接触，监测***测量得到每段间距N的传感光纤以及补偿光纤的布里渊频移后，通过对测量数据进行分析处理得到分别由温度和应变造成的布里渊频移。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，前述间距N的大小为100米，前述每段补偿光纤的长度n为10米。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，前述监测***测量得到布里渊频移后，将每段间距N的传感光纤段内各处的布里渊频移扣除温度变化引起的频移即得到该段传感光纤中由应力变化引起的布里渊频移分布，前述温度变化引起的频移即为补偿光纤的布里渊频移。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，前述补偿光纤的长度即每段补偿光纤的长度大于或等于监测***的空间分辨率。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，前述传感光纤采用全面接着铺设和定点接着铺设中一种方式粘贴布设在被测结构上。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，粘贴布设的步骤如下：

1）将传感光纤拉直并直接与被测结构接触，然后利用胶带做初步固定；

2）在初步固定好的传感光纤上涂抹快干胶进行二次固定，以保证光纤不受外力因素脱落；

3）在步骤2）基础上对传感光纤进行堆胶保护，堆胶采用硅胶或环氧树脂；

4）待堆胶凝结以后，使用与待测结构颜色相同的工程胶带覆盖在堆胶表面，对传感光纤进行保护和美观作用。

Images