CN103344192B - 一种长距离大范围光纤应变产生装置及产生方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种长距离大范围光纤应变产生装置，其中，包括双频激光干涉测长装置光源及探测器固定在左夹具承载平台上，全反射装置固定在右夹具承载平台上，所述双频激光干涉测长装置光源及探测器与所述全反射装置组成测距激光光路，用于测量光纤距离及光纤应变值。采用上述方案，通过利用长距离移动滑轨，将距离测量转化为位移测量，通过高精度长距离的双频激光测长装置精确的测量光纤应变产生部分的原始长度与伸长长度，并利用电控位移台精确地产生应变，提高了应变产生精度及作用的光纤长度，克服了现有应变产生装置精度较低、光纤作用距离较短的缺陷。

Description

一种长距离大范围光纤应变产生装置及产生方法

技术领域

本发明属于光纤应变产生装置领域，尤其涉及的是一种长距离大范围光纤应变产生装置及产生方法。

背景技术

光纤传感器由于不受电磁影响、能在恶劣环境下长期工作、本质安全、灵敏度高，在工程上的应用越来越多，尤其是光纤应变传感器，是光纤传感器的主要研究方向之一，现已经被广泛应用于建筑、安全、堤坝、工业等领域中。在光纤分布式应变测试仪(简称BOTDR)的研制、生产及光纤传感系统的施工、验收等过程中，需要应变产生装置产生确定的应变量以用于对光纤分布式应变测试仪进行应变校准及对光纤传感系统进行应变标定。传统的应变产生装置主要以等强度梁为主，作用光纤距离短，只能对不超过2m的短距离光纤产生应变，且产生的应变范围小，最大应变仅为2000με左右，无法满足BOTDR在20～200ns测试脉冲宽度的应变校准要求，也无法在2000～15000με应变范围内进行应变校准。

现有的光纤应变传感器在科研及测试过程中多采用等强度梁、悬挂重物等方法产生应变，专利ZL200410041124.0则提出了使用三维应变产生模拟台产生应变。

但是在实际使用过程中，等强度梁由于本身的结构限制，很难对长度超过2m的光纤产生应变，且其产生的应变范围也比较小(约为0-2000με)，同时由于使用等强度梁产生应变，光纤的受应变部分需要全部粘贴在等强度梁上，因此等强度梁产生的应变无法全部传递到光纤上，光纤所受到的应变受粘贴使用的胶的材质与粘贴手法的影响，其应变产生精度较低，误差较大；而使用悬挂重物法产生应变，虽然可对较长光纤产生应变，但也很难达到20m，其应变产生范围也同样较小，且悬挂重物法无法直接得到应变值，需要根据悬挂重物的质量及光纤的弹性模量参数通过换算得到，而光纤的弹性模量与光纤的材料及掺杂有关，真实的弹性模量难以获得，只能用理论值进行计算，因此，最终计算得到的应变值与实际应变值误差较大；三维应变模拟台则结构复杂，且应变产生长度较短，应变产生精度也较低。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种长距离大范围光纤应变产生装置及产生方法。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种长距离大范围光纤应变产生装置，其中，包括双频激光干涉测长装置光源及探测器固定在左夹具承载平台上，全反射装置固定在右夹具承载平台上，所述双频激光干涉测长装置光源及探测器与所述全反射装置组成测距激光光路，用于测量光纤位移及光纤应变值。

所述的光纤应变产生装置，其中，所述左夹具承载平台上及所述右夹具承载平台上分别设置左侧夹具及右侧夹具，所述左侧夹具及所述右侧夹具对应设置，且当所述左夹具承载平台上及所述右夹具承载平台上紧密接触时，所述左侧夹具及所述右侧夹具同时设置为紧密接触。

所述的光纤应变产生装置，其中，所述左侧夹具承载平台固定在电控位移台基座上。

所述的光纤应变产生装置，其中，所述电控位移台基座固定设置在长距离移动滑轨上。

所述的光纤应变产生装置，其中，所述测距激光光路的位移范围为1-30米。

本发明还提供一种长距离大范围光纤应变产生方法，其中，包括以下步骤：

步骤A：组成测距激光光路；

步骤B：记录位移原点；

步骤C：将电控平移台基座向左移动，使被测光纤受应变部分被绷直拉紧，再将电控平移台基座反方向向右小步距移动，每次移动后，都要启动BOTDR测试光纤被拉伸段的应变读数，并记录为Y，当Y减小至接近0时，记录双频激光干涉测长装置读数，并标记为L0；

步骤D：以L0为起始点，将电控平移台基座上的左夹具承载平台再次向左移动，被测光纤受应变部分被绷直拉紧，同时观测第二次BOTDR测试的应变读数，并记录为Z，记录双频激光干涉测长装置读数，并标记为L1；

步骤E：计算光纤被拉伸后的长度值及产生的理论应变值；

步骤F：将Y和/或Z，与光纤的理论应变值比较，并根据比较值进行光纤应变校准。

所述的光纤应变产生方法，其中，步骤A中：组成测距激光光路的步骤为：

步骤A1：将双频激光干涉测长装置光源及探测器固定在左夹具承载平台上；

步骤A2：将全反射装置固定于右夹具承载平台上与所述光源及探测器组成测距激光光路。

所述的光纤应变产生方法，其中，所述测距激光光路的位移范围为1-30米。

所述的光纤应变产生方法，其中，步骤B中，记录为位移原点的步骤为：调整电控平移台基座与左夹具承载平台的位置，使左夹具承载平台与右夹具承载平台紧密接触后，将左夹具承载平台的位置记录为位移原点。

所述的光纤应变产生方法，其中，步骤E中，所述长度值为ΔL＝L1-L0，所述理论应变值为：(L1-L0)/L0。

采用上述方案，通过利用长距离移动滑轨，将距离测量转化为位移测量，通过高精度长距离的双频激光测长装置精确的测量光纤应变产生部分的原始长度与伸长长度，并利用电控位移台精确地产生应变，提高了应变产生精度及作用的光纤长度，克服了现有应变产生装置精度较低、光纤作用距离较短的缺陷。本装置作用光纤距离可达20米以上，应变产生范围很大，可以达到0-15000με，可以满足现有光纤分布式应变测试仪的校准需求。

本发明的装置的具体优势在于：1、产生的应变精度高，重复性好；2、产生的应变范围大，理论上，产生的应变可大到把光纤拉断为止；3、作用光纤距离长，只要调整滑轨的长度，可对几米甚至几十米的光纤进行拉伸。

附图说明

图1为本发明光纤应变产生装置产生应变过程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，本发明一种长距离大范围光纤应变产生装置，包括双频激光干涉测长装置光源及探测器1，全反射装置2，左夹具承载平台3，右夹具承载平台4，长距离移动滑轨5，测距激光光路6，左侧夹具7，右侧夹具8，被测光纤受应变部分9，固定在滑轨上的电控位移台基座10。

本发明利用移动滑轨，将距离测量转化为位移测量，通过高精度的双频激光测长装置精确测量光纤的原始长度与被拉伸的长度，从而得到精确的应变测量结果，双频激光测长装置测量位移精度很高，可以溯源，从而克服了现有应变标定装置精度较低、难以溯源的缺陷。

本发明光纤应变产生过程如下：

1.如图1所示，将双频激光干涉测长装置光源及探测器1固定在左夹具承载平台3上，将全反射装置2固定于右夹具承载平台4上，与光源及探测器组成测距激光光路6，调整电控平移台基座10与左夹具承载平台3的位置，使左夹具承载平台3与右夹具承载平台4如图1中所示，紧密接触，打开双频激光干涉测长装置，以此时位置为位移原点。

2.如图1所示，将光纤通过左侧夹具7与右侧夹具8分别固定在左夹具承载平台3与右夹具承载平台4上，将电控平移台基座10向左移动，被测光纤受应变部分9被绷直拉紧，将电控平移台基座10向右移动，同时观测BOTDR测试的应变读数，当应变读数减小至接近0时，记录双频激光干涉测长装置读数，记为L0。

3.如图1所示，控制电控位移台，使电控平移台基座10上的左夹具承载平台3向左移动，记录双频激光干涉测长装置读数，记为L1，此时光纤被拉伸的长度值为ΔL＝L1-L0，则光纤被拉伸后产生的理论应变值为：(L1-L0)/L0，记录此时BOTDR测试的应变读数，通过与光纤的理论应变值对比即可进行应变校准。

实施例2

在上述实施例的基础上，如图1所示，本发明提供一种长距离大范围光纤应变产生装置，其中，包括双频激光干涉测长装置光源及探测器1固定在左夹具承载平台3上，全反射装置2固定在右夹具承载平台4上，所述双频激光干涉测长装置光源及探测器1与所述全反射装置2组成测距激光光路6，用于测量光纤位移及光纤应变值，本发明以位移测量代替了距离测量，大大提高了测量的精度。

进一步，所述左夹具承载平台3上及所述右夹具承载平台4上分别设置左侧夹具7及右侧夹具8，所述左侧夹具7及所述右侧夹具8对应设置，且当所述左夹具承载平台3上及所述右夹具承载平台4上紧密接触时，所述左侧夹具7及所述右侧夹具8同时设置为紧密接触，左侧夹具7的位置为记录位移原点的位置，需与右侧夹具8紧密接触设置，以保证测量的精度。

进一步，所述左侧夹具承载平台3固定在电控位移台基座10上，固定设置的好处在于测量时没有人手干扰因素，提高测量的精度。

进一步，所述电控位移台基座固定设置在长距离移动滑轨上，固定紧密设置的好处在于测量时没有人手干扰因素，提高测量的精度。

进一步，所述测距激光光路6的位移范围为1-30米，优选的为1-25米，在此范围内的测量更容易操作，计算光纤拉伸后的理论应变值。现有装置普遍的应变施加距离仅为0.5-1.5米左右，因此，本装置产生的应变范围更大。

实施例3

在上述实施例的基础上，进一步，如图1所示，本发明还提供一种长距离大范围光纤应变产生方法，其中，包括以下步骤：

步骤A：组成测距激光光路；

步骤B：记录位移原点；

步骤C：将电控平移台基座向左移动，使被测光纤受应变部分被绷直拉紧，再将电控平移台基座反方向向右小步距移动，每次移动后，都要启动BOTDR测试光纤被拉伸段的应变读数，并记录为Y，当Y减小至接近0时，记录双频激光干涉测长装置读数，并标记为L0；步骤C的目的是找出被拉伸的光纤段位置并确定其初始长度，方法是先拉紧光纤，然后启动BOTDR测试应变，应变较大的地方就是被拉伸的光纤区域，然后在逐步放松光纤，使得被拉伸的光纤段的应变为0，此时双频激光干涉测长装置的读数记为作用光纤的初始长度L0。

步骤D：以L0为起始点，将电控平移台基座上的左夹具承载平台再次向左移动，被测光纤受应变部分被绷直拉紧，同时观测第二次BOTDR测试的应变读数，并记录为Z，记录双频激光干涉测长装置读数，并标记为L1；将光纤夹具从L0位置向左移动是为了使光纤产生应变，并可以根据此时的距离L1与初始距离L0计算理论应变，并与BOTDR的读数Z比较。用于应变校准。

步骤E：计算光纤被拉伸后的长度值及产生的理论应变值；

步骤F：将Y和/或Z，与光纤的理论应变值比较，并根据比较值进行光纤应变校准。

进一步，步骤A中：组成测距激光光路的步骤为：

步骤A1：将双频激光干涉测长装置光源及探测器固定在左夹具承载平台上；

步骤A2：将全反射装置固定于右夹具承载平台上与所述光源及探测器组成测距激光光路。

进一步，所述测距激光光路的位移范围为1-30米，优选的为1-25米，在此范围内的测量更容易操作，计算光纤拉伸后的理论应变值。

进一步，步骤B中，记录为位移原点的步骤为：调整电控平移台基座与左夹具承载平台的位置，使左夹具承载平台与右夹具承载平台紧密接触后，将左夹具承载平台的位置记录为位移原点。

进一步，步骤E中，所述长度值为ΔL＝L1-L0，所述理论应变值为：(L1-L0)/L0。

本方法中只采用了二次BOTDR测试的应变读数，并记录的方式，基于本发明的技术方案进行了更多次BOTDR测试应变数并记录的方式，并依据记录双频激光干涉测长装置读数计算理论应变的方式，寻找初始距离L0时，需要寻找应变读数减小为0时的位置，后续的校准步骤则不需要应变读数减小至接近0，都应该包括在本发明的技术方案范围内，采用二次测试用时短，测量精确，采用更多次的测试，则会获得准确的数据。

采用上述方案，通过利用长距离移动滑轨，将距离测量转化为位移测量，通过高精度长距离的双频激光测长装置精确的测量光纤应变产生部分的原始长度与伸长长度，并利用电控位移台精确地产生应变，提高了应变产生精度及作用的光纤长度，克服了现有应变产生装置精度较低、光纤作用距离较短的缺陷。本装置作用光纤距离可达20米以上，应变产生范围很大，可以达到0-15000με，可以满足现有光纤分布式应变测试仪的校准需求。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种长距离大范围光纤应变产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：组成测距激光光路；

步骤B：记录位移原点；

步骤C：将电控平移台基座向左移动，使被测光纤受应变部分被绷直拉紧，再将电控平移台基座反方向向右小步距移动，每次移动后，都要启动BOTDR测试光纤被拉伸段的应变读数，并记录为Y，当Y减小至接近0时，记录双频激光干涉测长装置读数，并标记为L0；

步骤D：以L0为起始点，将电控平移台基座上的左夹具承载平台再次向左移动，被测光纤受应变部分被绷直拉紧，启动BOTDR测试光纤受应变部分的应变读数，并记录为Z，同时记录双频激光干涉测长装置读数，并标记为L1；

步骤E：计算光纤被拉伸后的长度值及产生的理论应变值；

步骤F：将Y和/或Z，与光纤的理论应变值比较，并根据比较值进行光纤应变校准。

2.如权利要求1所述的光纤应变产生方法，其特征在于，步骤A中：组成测距激光光路的步骤为：

步骤A1：将双频激光干涉测长装置光源及探测器固定在左夹具承载平台上；

步骤A2：将全反射装置固定于右夹具承载平台上与所述光源及探测器组成测距激光光路。

3.如权利要求2所述的光纤应变产生方法，其特征在于，所述测距激光光路的位移范围为1-30米。

4.如权利要求3所述的光纤应变产生方法，其特征在于，步骤B中，记录为位移原点的步骤为：调整电控平移台基座与左夹具承载平台的位置，使左夹具承载平台与右夹具承载平台紧密接触后，将左夹具承载平台的位置记录为位移原点。

5.如权利要求4所述的光纤应变产生方法，其特征在于，步骤E中，所述长度值为ΔL＝L1-L0，所述理论应变值为：(L1-L0)/L0。