CN107478353A - 一种分布式传感光纤温度应变同时标定装置 - Google Patents

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Abstract

一种分布式传感光纤温度应变同时标定装置，属于光电技术中的分布式光纤传感技术领域，用于对分布式传感光纤温度应变同时标定，其包括待标定传感光纤、光纤标定结构、静态应变仪、温度检测仪、计算机系统和基于布里渊散射的分布式光纤检测系统。解决的技术问题是：温度和应变的分别标定降低了标定效率，增加了标定误差，在标定温度时，水浴或油浴等过程所用设备体积巨大、材料及能源耗费严重。本发明的有益效果在于：温度与应变同时标定，标定效率高；采用陶瓷作为加热介质，对传感光纤均匀加热，成本低；基于BOTDR技术，标定精度高；自动化程度高，可操控性强。

Description

一种分布式传感光纤温度应变同时标定装置
技术领域
本发明涉及光电技术中的分布式光纤传感技术领域，基于布里渊散射的分布式光纤检测系统，具体为一种分布式传感光纤温度应变同时标定装置。
背景技术
分布式光纤是一种利用光纤作为传感敏感元件和传输信号介质的传感系统，布里渊散射是光在光纤中传输过程中发生的一种非线性效应。由于它的存在使光信号产生传输损耗,这对信号传输而言是不利的,但人们可以利用这种效应对光纤进行测量。布里渊散射是由光子与声子的相互作用产生的,其结果是散射光相对于入射光产生频移,频移的大小与材料的声速成正比,而声速与光纤应变成正比。
光在光纤中传播时，从光纤返回的后向散射光有三种成分：
(1)由光纤折射率的微小变化引起的瑞利散射，其频率与入射光相同；
(2)由光子与光声子相互作用而引起的拉曼散射，其频率与入射光相差几十太赫兹；
(3)由光子与光纤内弹性声波场低频声子相互作用而引起的布里渊散射。其频率与入射光相差几十吉赫兹。
因此，时域分布光纤检测系统按光的载体可分为三种形式：基于拉曼散射的分布式光纤检测系统、基于瑞利散射的分布式光纤监测系统和基于布里渊散射的分布式光纤检测系统(BOTDR)，后一种形式是国际上近年来才研发出来的一项尖端技术。
基于布里渊散射的分布式光纤检测系统(BOTDR)是一种利用光在光纤内散射光频率变化来测量光纤应变(温度)变化的一种技术，可对温度和应变进行同时测量，其工作原理是：光纤两端的激光发射器分别给光纤注入一束脉冲光和一束连续光，当脉冲光与连续光的频率差与光纤中某个区间的布里渊频移相等时，该区域就会发生受激布里渊放大效应，两束光之间发生能量转移。当光纤沿线的温度发生变化或者存在轴向应变时，光纤中的背向布里渊散射光的频率将发生漂移，频率的漂移量与光纤应变和温度的变化呈良好的线性关系，通过测量光纤中的背向布里渊散射光的频率漂移量，就可以得到光纤沿线温度和应变的分布信息。因此该技术在测量、控制技术领域中，特别是在建筑、石油、采矿、化工、电力、交通等产业中得到了广泛的应用。
基于布里渊散射的分布式光纤检测系统(BOTDR)技术,其沿光纤轴向的应变信息与单模光纤的基本参量有关,而不同的单模光纤由于光纤材料和生产工艺等的不同,不同厂家、不同型号、不同护套材料的单模光纤,其基本参量有一定的差异。因此，在将通信用的单模光纤作为分布式的传感光纤之前,必须进行标定。
在标定光纤中常采用的是温度、应变分开标定。温度的标定常采用恒温水浴或油浴，逐级改变温度，进行标定得到温度响应系数；应变的标定有定滑轮式测应变、等强度梁式测应变和高准确度位移平台测应变三种形式。不足之处有：
(1)在标定温度时，水浴或油浴等过程所用设备体积巨大、材料及能源耗费严重；
(2)在标定应变时，温度的波动会再次增加应变标定的误差；
(3)温度和应变的分别标定降低了标定效率。
鉴于以上原因，迫切需要一种传感光纤温度应变同时标定装置，提高当前的传感光纤标定精度和标定效率。
发明内容
本发明的目的在于提供一种分布式传感光纤温度应变同时标定装置，该装置可以对分布式光纤进行精确高效地标定。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：一种分布式传感光纤温度应变同时标定装置，其特征在于包括待标定传感光纤、光纤标定结构、静态应变仪、温度检测仪、计算机系统和基于布里渊散射的分布式光纤检测系统；
所述的待标定传感光纤为分布式光纤，是一种传感敏感元件和传输信号介质，将感知到的信息传给基于布里渊散射的分布式光纤检测系统；
所述的光纤标定结构包括陶瓷壳体、内腔1、热电偶、等强度梁及其附属元件、内腔2和加热件；所述的等强度梁及其附属元件固定在内腔2中；所述的等强度梁及其附属元件包括温度补偿板、等强度梁、待标定传感光纤、应变片、容纳箱和压电片；所述的容纳箱中放置有一段自由的待标定传感光纤，长度不低于6m，默认不产生任何应变，容纳箱既起到容纳待标定传感的作用，又保护待标定传感光纤避免与陶瓷壳体接触，起到隔离作用；所述的压电片作为产生应变激励，固定在等强度梁根部，通过外界电压作用，使等强度梁产生应变；所述的应变片有四个，每两个应变片一组，第一组贴在等强度梁上方，第二组贴在温度补偿板上方，等强度梁上方还缠绕有1.2m长的传感光纤，第一组应变片用来检测等强度梁的应变，将信号传递给静态应变仪，第二组应变片用来检测温度补偿板的应变，作为参考值,将信号传递给静态应变仪，静态应变仪对应变信号进行处理，将数据传送给计算机系统；
所述的内腔1内部放置有1个加热件，安置在所述内腔1中，用于对光纤标定结构加热；所述的内腔2内部放置有3个热电偶，均匀分布在所述内腔2中，用于监测光纤标定结构内部温度变化；所述的温度检测仪通过热电偶采集温度标定系统的温度信号，并通过以太网口传给计算机系统；
所述的基于布里渊散射的分布式光纤检测系统用于测量基于布里渊散射单脉冲的应变和温度，并将布里渊信号转换成电信号，以数据形式通过以太网口传给计算机系统，进行数据的综合处理；
所述的计算机系统主要实现数据接收、原始曲线和数据查询、动态直方显示，温度值、应变值及应力值自动识别和曲线报表与报告的综合处理，并具有打印和输出功能；
本发明的有益效果如下。
(1)温度与应变同时标定，标定效率高。
(2)采用陶瓷作为加热介质，对传感光纤均匀加热，成本低。
(3)基于BOTDR技术，标定精度高。
(4)自动化程度高，可操控性强。
附图说明
图1为本发明的的整体示意图。
图2为本发明的光纤标定结构截面图。
图3为本发明的等强度梁及其附属元件图。
图中：1待标定传感光纤、2光纤标定结构、3静态应变仪、4温度检测仪、5计算机系统、6基于布里渊散射的分布式光纤检测系统、21陶瓷壳体、22内腔2、23热电偶、24等强度梁及其附属元件、25加热件、26内腔1、41压电片、43等强度梁、44温度补偿板、45应变片、46容纳箱
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案作进一步说明。
图1为本发明的的整体示意图。图2为本发明的光纤标定结构截面图。图3为本发明的等强度梁及其附属元件图。
如图1所示，本发明中的分布式传感光纤温度应变同时标定装置包括：待标定传感光纤1、光纤标定结构2、静态应变仪3、温度检测仪4、计算机系统5和基于布里渊散射的分布式光纤检测系统6；如图1-2本发明中的光纤标定结构2：包括陶瓷壳体21、3个热电偶23、等强度梁及其附属元件24、1个加热件25以及两个内腔22和26；如图2-3本发明中的等强度梁及其附属元件24包括：压电片41、待标定传感光纤1、等强度梁43、温度补偿板44、容纳箱46和四个应变片45。
光纤标定结构2是分布式传感光纤温度应变同时标定装置的核心部分，用于分布式传感光纤温度应变同时标定。待标定传感光纤1一端与基于布里渊散射的分布式光纤检测系统6相连接，基于布里渊散射的分布式光纤检测系统6用于测量基于布里渊散射单脉冲的应变和温度，并将布里渊信号转换成电信号，以数据形式通过以太网口传给计算机系统5，进行数据的综合处理；待标定传感光纤1另一端缠绕在等强度梁43上。压电片41作为产生应变激励，固定在等强度梁43根部，通过外界电压作用，使等强度梁43产生应变。应变片45有四个，每两个应变片一组，第一组贴在等强度梁43上方，第二组贴在温度补偿板44上方，第一组应变片用来检测等强度梁43的应变，将信号传递给静态应变仪3，第二组应变片检测温度补偿板44的应力变化，作为参考值,将信号传递给静态应变仪3，静态应变仪3对应变信号进行处理，将数据传送给计算机系统5。
光纤标定结构2使用的是陶瓷壳体21，陶瓷壳体21中有两个内腔22和26，内腔26内部放置有1个加热件25，安置在所述内腔26中，用于对光纤标定结构2逐级均匀加热；所述的内腔22内部放置有3个热电偶23，均匀分布在所述内腔22中，用于监测光纤标定结构2内部和容纳箱46中自由的待标定传感光纤1温度变化；温度检测仪4通过热电偶23采集内腔22内部的温度信号，并通过以太网口传给计算机系统；
计算机系统5主要实现数据接收、原始曲线和数据查询、动态直方显示，温度值、应变值及应力值自动识别和曲线报表与报告的综合处理，并具有打印和输出功能，通过计算机系统的综合分析处理，得到待测传感光纤的测应变系数和温度系数，完成分布式传感光纤应变与温度的同时标定。
按照本发明的实施实施方式，即可达到本发明的有益效果：
第一，本发明提供的分布式传感光纤温度应变同时标定装置，可以对温度与应变同时标定，标定效率高。
第二，本发明提供的分布式传感光纤温度应变同时标定装置，采用陶瓷作为加热介质，对传感光纤均匀加热，成本低。
第三，本发明提供的分布式传感光纤温度应变同时标定装置，基于BOTDR技术，而且可以在同一空间对传感光纤进行温度与应变的同时标，定标定精度高。
第四，本发明提供的分布式传感光纤温度应变同时标定装置，植入了静态应变仪、温度检测仪、计算机系统和基于布里渊散射的分布式光纤检测系统，自动化程度高，可操控性强。
发明原理
1.温度标定原理：通过对一段自由(不受应变的)传感光纤置于容纳箱中，对其进行逐级加温(或降温)，根据布里渊频域光频移的漂移和温度的关系：
式中：νB(0，T)为温度T下自由光纤(不受应变的)的布里渊频率漂移量，为温度系数。再运用最小二乘法进行拟合，可得到温度系数。
2.应变标定原理：将温度保持在某一恒定温度下，利用等截面梁对应变进行标定，根据材料力学相关理论知，等截面的任一点应变可由挠度、横截面宽度和距固定端的距离得到
式中：h为梁的横截面高度，x为距固定端距离，y(x)为计算点挠度，ε(x)为该点应变。再根据布里渊光时域可得到应变系数：
式中：ΔνB(ε)以不加载荷时的νB(ε)为初值，其他各级均与其作差，Δε为逐级真实参考应变。
以上所述，仅为本发明的较佳具体实施方式，但本发明的保护范围并不限于此，凡在本发明的精神的原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应视为侵犯本发明的保护范围，因此本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种分布式传感光纤温度应变同时标定装置，其特征在于包括待标定传感光纤、光纤标定结构、静态应变仪、温度检测仪、计算机系统和基于布里渊散射的分布式光纤检测系统；所述的光纤标定结构包括陶瓷壳体、内腔1、热电偶、等强度梁及其附属元件、内腔2和加热件；所述的等强度梁及其附属元件包括温度补偿板、等强度梁、待标定传感光纤、应变片、容纳箱和压电片。
2.根据权利要求1所述的一种分布式传感光纤温度应变同时标定装置，其特征在于：所述的等强度梁及其附属元件固定在内腔2中。
3.根据权利要求1所述的一种分布式传感光纤温度应变同时标定装置，其特征在于：所述的压电片作为产生应变激励，固定在等强度梁根部，通过外界电压作用，使等强度梁产生应变。
4.根据权利要求1所述的一种分布式传感光纤温度应变同时标定装置，其特征在于：所述的应变片有四个，每两个应变片一组，第一组贴在等强度梁上方，第二组贴在温度补偿板上方，等强度梁上方还缠绕有1.2m长的传感光纤，第一组应变片用来检测等强度梁的应变，第二组应变片用来检测温度补偿板的应变。
5.根据权利要求1所述的一种分布式传感光纤温度应变同时标定装置，其特征在于：所述的内腔1内部放置有1个加热件，安置在所述内腔1中，用于对光纤标定结构加热；所述的容纳箱中放置有一段自由的待标定传感光纤，长度不低于6m；所述的内腔2内部放置有3个热电偶，均匀分布在所述内腔2中，用于监测光纤标定结构内部和容纳箱中自由的待标定传感光纤温度变化；所述的温度检测仪通过热电偶采集温度标定系统的温度信号，并通过以太网口传给计算机系统。
6.根据权利要求1所述的一种分布式传感光纤温度应变同时标定装置，其特征在于：所述的基于布里渊散射的分布式光纤检测系统用于测量基于布里渊散射单脉冲的应变和温度，并将布里渊信号转换成电信号，以数据形式通过以太网口传给计算机系统，进行数据的综合处理；所述的计算机系统主要实现数据接收、原始曲线和数据查询、动态直方显示，温度值、应变值及应力值自动识别和曲线报表与报告的综合处理。
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