CN105333834B - 一种光纤应变系数自动标定***及方法 - Google Patents

一种光纤应变系数自动标定***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种光纤应变系数自动标定***及方法，通过读取布里渊光时域反射计测试的中心频移分布曲线，根据光纤原始长度的估测值，依靠应变区域识别算法，通过大间隔改变位移长度完成应变区域的自动识别；在识别应变区域后，依次从大到小改变位移长度，令光纤依次产生从大到小的应变，利用光纤应变系数分析算法计算出光纤理论应变值以及实际布里渊谱频移值，实现对光纤应变系数的全自动标定。本发明能够实现光纤应变系数的全自动标定，有效提升应变系数标定准确度和应变系数标定效率。

Description

一种光纤应变系数自动标定***及方法
技术领域
本发明涉及一种光纤应变系数自动标定***及方法。
背景技术
在光纤传感***中，布里渊光时域反射计(简称BOTDR)是不可或缺的测试仪器，在其使用过程中，必须先确定被测光纤的应变系数，才能准确的计算出光纤的应变分布，而该系数与光纤的材料有关，是光纤自身的物理参数，无法直接测试，只能通过间接测试并经标定获得。
目前，常用的光纤应变系数标定方案是利用等强度梁变形令粘贴的光纤产生应变，依据等强度梁应变等同于光纤应变，利用粘贴的应变片测试应变，通过换算得到光纤的应变系数，此方法需要手动操作，精度很差，而且应变片粘贴方式对应变数据的读取影响很大，导致应变系数标定结果误差很大，难以满足标定要求；另一种常用的光纤应变系数标定方案是使用电控位移台，将光纤粘贴在位移台两侧，手动移动位移台拉伸光纤，令光纤产生应变，通过测量位移台移动距离以及原始长度，从物理意义计算光纤应变系数，由于原始长度需要通过长度尺测试，长度误差较大，手动操作步骤繁琐，导致光纤应变系数标定结果误差较大，标定效率很低，难以满足实际应用中不同光纤应变系数的快速标定要求。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种光纤应变系数自动标定***及方法，本发明能够实现光纤应变系数的全自动标定，有效提升应变系数标定准确度和应变系数标定效率。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种光纤应变系数自动标定***，包括电控位移台、布里渊光时域反射计、控制器和双频激光干涉装置，其中，电控位移台包括第一位移台和第二位移台，光纤固定于第一位移台和第二位移台上，控制器控制第一位移台和第二位移台运动，使光纤产生应变，双频激光干涉装置测量光纤的原始长度以及位移长度，布里渊光时域反射计测试光纤的中心频移分布曲线，控制器根据中心频移分布曲线和光纤原始长度的估测值，采用应变区域识别算法，通过快速大间隔改变位移长度完成应变区域的自动识别。
优选的，所述光纤粘贴于第一位移台和第二位移台上。
一种光纤应变系数自动标定方法，包括读取布里渊光时域反射计测试的中心频移分布曲线，根据光纤原始长度的估测值，依靠应变区域识别算法，通过大间隔改变位移长度完成应变区域的自动识别；在识别应变区域后，依次从大到小改变位移长度，令光纤依次产生从大到小的应变，利用光纤应变系数分析算法计算出光纤理论应变值以及实际布里渊谱频移值，实现对光纤应变系数的全自动标定。
具体包括以下步骤：
(1)设置第一位移台和第二位移台之间的原始位移、拉伸位移变化量，移动第二位移台，使光纤拉伸位移变化量的长度，利用布里渊光时域反射计检测当前微应变，不断重复，直到当前微应变连续两次大于设定值，记录当前的应变位置，根据累积次数，计算当前光纤长度；
(2)根据当前光纤长度，确定收缩位移变化量，继续移动第二位移台，使光纤依次收缩确定的收缩位移变化量，直到测试的当前微应变小于设定值，计算此时的光纤长度；
(3)进行自动标定，按照需要设置额定光纤拉伸量、重复总次数，移动第二位移台使光纤拉伸设定的光纤拉伸量，不断重复直到达到设定的重复总次数，计算每次拉伸的应变值，利用布里渊光时域反射计测出每次拉伸的应变，拟合应变的计算值和测量值，确定其线性关系进行标定。
所述步骤(1)中，具体包括：
(1-1)参数初始化，初始时两个位移台光纤夹具紧贴，设置第一位移台和第二位移台之间的原始位移、位移变化量和拉伸次数，其中拉伸次数初始化为零；
(1-2)移动第二位移台，使光纤拉伸位移变化量，使拉伸次数加1，布里渊光时域反射计测出当前微应变；
(1-3)若当前微应变大于设定值，进行下一步；否则转至步骤(1-2)；
(1-4)移动第二位移台，使光纤拉伸位移变化量，使拉伸次数加1，布里渊光时域反射计测出当前微应变；
(1-5)若当前微应变大于设定值，进行下一步；否则转至步骤(1-2)；
(1-6)记录当前应变位置，计算当前光纤长度。
所述设定值为500με。
所述步骤(1)中，当前光纤长度为第一位移台和第二位移台之间的原始位移加上位移变化量与拉伸次数的乘积。
所述步骤(2)中，具体步骤包括：
(2-1)参数初始化，设置收缩位移变化量和收缩次数，其中收缩次数初始化为零；
(2-2)使第二位移台运动，使光纤收缩设置的收缩位移变化量，使收缩次数加1，布里渊光时域反射计测出当前微应变；
(2-3)若当前微应变小于设定值，进行下一步；否则转至步骤(2-2)；
(2-4)计算当前光纤长度，为拉伸后的第一位移台和第二位移台之间的位移减去收缩位移变化量与收缩次数的乘积。
所述步骤(2)的设定值为50με。
所述步骤(3)的具体方法包括：
(3-1)根据需要设置光纤拉伸量ΔL，重复次数n＝0，总次数n0；
(3-2)移动第二位移台，使光纤拉伸设置光纤拉伸量ΔL，重复次数n加1，布里渊光时域反射计测出当前应变εtn，计算出应变εn＝n·ΔL/L2，L2为标定前第一位移台和第二位移台之间的位移；
(3-3)利用线性拟合算法拟合εtn与εn的线性关系，完成自动标定。
所述步骤(3-3)中，线性拟合算法为线性最小二乘法。
所述步骤(1)中，拉伸位移变化量的选取参照第一位移台和第二位移台之间的位移L与拉伸位移变化量ΔL1的对应关系表：
L ΔL1(μm)
L≤2m 100μm
2m＜L≤5m 500μm
5m＜L≤10m 1000μm
10m＜L≤20m 2000μm
L＞20m 5000μm。
所述步骤(2)中，收缩位移变化量的选取参照第一位移台和第二位移台之间的位移L1与拉伸位移变化量ΔL2的对应关系表：
本发明的有益效果为：
(1)利用电控位移台的移动令光纤产生应变，利用双频激光干涉装置测量光纤的原始长度以及位移长度，并结合光栅尺对位移台的位移长度进行二次校正，能够实现光纤应变系数的全自动标定；
(2)依次从大到小改变位移长度，令光纤产生一系列从大到小的应变，利用光纤应变系数自动分析算法计算出光纤理论应变值以及实际布里渊谱频移，实现对光纤应变系数的全自动标定，有效的提升应变系数标定准确度和应变系数标定效率。
附图说明
图1为本发明装置连接示意图；
图2为本发明的电控位移台示意图；
图3为本发明的粗调详细步骤示意图；
图4为本发明的精调详细步骤示意图；
图5为本发明的自动标定详细步骤示意图；
其中，C1为控制第一电控位移台的控制开关，C2为第二电控位移台的控制开关，L为第一电控位移台、第二电控位移台之间的端面距离。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
本发明提出的光纤应变系数自动标定方法中使用计算机控制电控位移台、双频激光干涉装置、布里渊光时域反射计等装置完成光纤应变系数的自动标定。装置连接如图1所示。利用电控位移台的移动使光纤产生应变，利用双频激光干涉装置测量光纤的原始长度以及位移长度，并结合光栅尺对位移台的位移长度进行二次校正。
本方法将自动读取布里渊光时域反射计测试的中心频移分布曲线，根据光纤原始长度的估测值，依靠应变区域识别算法，通过快速大间隔改变位移长度完成应变区域的自动识别；在识别应变区域后，本方法将依次从大到小改变位移长度，令光纤产生一系列从大到小的应变，利用光纤应变系数自动分析算法计算出光纤理论应变值以及实际布里渊谱频移，实现对光纤应变系数的全自动标定。
其中电控位移台有两个，摆放如图2所示。C1、C2分别控制1号、2号电控位移台。其端面距离为L。
粗调详细步骤如图3所示：
步骤101根据L查表1得2号电控位移台的位移变化量ΔL1；
表1 L与ΔL1的对应关系表
L ΔL1(μm)
L≤2m 100μm
2m＜L≤5m 500μm
5m＜L≤10m 1000μm
10m＜L≤20m 2000μm
L＞20m 5000μm
步骤102初始化，设置L，ΔL1；n1＝0；
步骤103移动2号电控位移台，使光纤拉伸ΔL1；
步骤104n1自加1，布里渊光时域反射计测出当前微应变Δs1；
步骤105若Δs1＞500με，进行下一步；否则转至步骤103；
步骤106移动2号电控位移台，使光纤拉伸ΔL1；
步骤107n1加1，布里渊光时域反射计测出当前微应变Δs1；
步骤108若Δs1＞500με，进行下一步；否则转至步骤103；
步骤109记录当前应变位置Ps，计算当前光纤长度L1＝L+n1·ΔL1；
步骤110粗调结束。
精调详细步骤如图4所示：
步骤201根据L1查表2得2号电控位移台的位移变化量ΔL2；
步骤202初始化，设置L1，ΔL2；n2＝0；
表2 L1与ΔL2的对应关系表
步骤203移动2号电控位移台，使光纤收缩ΔL2；
步骤204n2加1，布里渊光时域反射计测出当前微应变Δs2；
步骤205若Δs2＜50με，进行下一步；否则转至步骤203；
步骤206计算当前光纤长度L2＝L1–n2·ΔL2；
步骤207精调结束。
自动标定详细步骤如图5所示：
步骤301初始化，根据需要设置光纤拉伸量ΔL，重复次数n＝0，总次数n0；
步骤302移动2号电控位移台，使光纤拉伸ΔL；
步骤303n加1，布里渊光时域反射计测出当前应变εtn，公式计算出应变εn＝n·ΔL/L2；
步骤304若n＝n0，进行下一步，否则转至步骤302；
步骤305拟合εtn与εn的线性关系εtn＝k·εn+b；
步骤306自动标定结束。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.基于光纤应变系数自动标定***的标定方法，所述光纤应变系数自动标定***包括电控位移台、布里渊光时域反射计、控制器和双频激光干涉装置，其中，电控位移台包括第一位移台和第二位移台，光纤固定于第一位移台和第二位移台上，控制器控制第一位移台和第二位移台运动，使光纤产生应变，双频激光干涉装置测量光纤的原始长度以及位移长度，布里渊光时域反射计测试光纤的中心频移分布曲线，控制器根据中心频移分布曲线和光纤原始长度的估测值，采用应变区域识别算法，通过快速大间隔改变位移长度完成应变区域的自动识别；
其特征是：具体包括以下步骤：
(1)设置第一位移台和第二位移台之间的原始位移、拉伸位移变化量，移动第二位移台，使光纤拉伸位移变化量的长度，利用布里渊光时域反射计检测当前微应变，不断重复，直到当前微应变连续两次大于设定值，记录当前的应变位置，根据累积次数，计算当前光纤长度；
(2)根据当前光纤长度，确定收缩位移变化量，继续移动第二位移台，使光纤依次收缩确定的收缩位移变化量，直到测试的当前微应变小于设定值，计算此时的光纤长度；
(3)进行自动标定，按照需要设置额定光纤拉伸量、重复总次数，移动第二位移台使光纤拉伸设定的光线拉伸量，不断重复直到达到设定的重复总次数，计算每次拉伸的应变值，利用布里渊光时域反射计测出每次拉伸的应变，拟合应变的计算值和测量值，确定其线性关系进行标定。
2.如权利要求1所述的一种光纤应变系数自动标定方法，其特征是：所述步骤(1)中，具体包括：
(1-1)参数初始化，设置第一位移台和第二位移台之间的原始位移、位移变化量和拉伸次数，其中拉伸次数初始化为零；
(1-2)移动第二位移台，使光纤拉伸位移变化量，使拉伸次数加1，布里渊光时域反射计测出当前微应变；
(1-3)若当前微应变大于设定值，进行下一步；否则转至步骤(1-2)；
(1-4)移动第二位移台，使光纤拉伸位移变化量，使拉伸次数加1，布里渊光时域反射计测出当前微应变；
(1-5)若当前微应变大于设定值，进行下一步；否则转至步骤(1-2)；
(1-6)记录当前应变位置，计算当前光纤长度。
3.如权利要求1所述的一种光纤应变系数自动标定方法，其特征是：所述设定值为500με。
4.如权利要求1所述的一种光纤应变系数自动标定方法，其特征是：所述步骤(1)中，当前光纤长度为第一位移台和第二位移台之间的原始位移加上位移变化量与拉伸次数的乘积。
5.如权利要求1所述的一种光纤应变系数自动标定方法，其特征是：所述步骤(2)中，具体步骤包括：
(2-1)参数初始化，设置收缩位移变化量和收缩次数，其中收缩次数初始化为零；
(2-2)使第二位移台运动，使光纤收缩设置的收缩位移变化量，使收缩次数加1，布里渊光时域反射计测出当前微应变；
(2-3)若当前微应变小于设定值，进行下一步；否则转至步骤(2-2)；
(2-4)计算当前光纤长度，为拉伸后的第一位移台和第二位移台之间的位移减去收缩位移变化量与收缩次数的乘积。
6.如权利要求1所述的一种光纤应变系数自动标定方法，其特征是：所述步骤(3)的具体方法包括：
(3-1)根据需要设置光纤拉伸量ΔL，重复次数n＝0，总次数n0；
(3-2)移动第二位移台，使光纤拉伸设置光纤拉伸量ΔL，重复次数n加1，布里渊光时域反射计测出当前应变εtn，计算出应变εn＝n·ΔL/L2，L2为标定前第一位移台和第二位移台之间的位移；
(3-3)利用线性拟合算法拟合εtn与εn的线性关系，完成自动标定。
7.如权利要求1所述的一种光纤应变系数自动标定方法，其特征是：所述步骤(1)中，拉伸位移变化量的选取参照第一位移台和第二位移台之间的位移L与拉伸位移变化量ΔL1的对应关系表：
L ΔL1(μm) L≤2m 100μm 2m＜L≤5m 500μm 5m＜L≤10m 1000μm 10m＜L≤20m 2000μm L＞20m 5000μm。
8.如权利要求1所述的一种光纤应变系数自动标定方法，其特征是：所述步骤(2)中，收缩位移变化量的选取参照第一位移台和第二位移台之间的位移L1与拉伸位移变化量ΔL2的对应关系表：
L1 ΔL2(μm) L≤2m 10μm 2m＜L≤5m 50μm 5m＜L≤10m 100μm 10m＜L≤20m 200μm L＞20m 500μm。
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