CN108180854A - 一种全分布式光纤不同温度下的应变系数标定装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种全分布式光纤不同温度下的应变系数标定装置及方法，标定装置包括实验台、液压拉伸机构和光纤夹具，液压拉伸机构包括滑台和滑块，光纤夹具包括第一夹具和第二夹具，标定装置还包括具有水温调节功能的浴槽和位移测量机构，浴槽固定于第一夹具与第二夹具之间，位移测量机构包括滑轨、第一防水位移计、第二防水位移计、第一被动滑块和第二被动滑块，滑轨固定于浴槽内第一夹具与第二夹具连线上，滑轨两端分别固定着第一防水位移计和第二防水位移计，滑轨上安装着第一被动滑块和第二被动滑块，第一被动滑块和第二被动滑块均与光纤同步运动。本发明的有益效果：浴槽和液压拉伸机构独立调节协同工作实现光纤在不同温度下应变系数的标定。

Description

一种全分布式光纤不同温度下的应变系数标定装置及方法
技术领域
本发明涉及全分布式光纤传感技术领域，尤其涉及一种全分布式光纤不同温度下应变系数标定装置及方法。
背景技术
全分布式光纤传感技术的基本原理为当光纤受到外界应力、温度等环境因素影响时，光纤中传输的光波特性参量如相位、频率、偏振态等会发生相应变化，通过检测这些参量的变化，就可以获得外界被测参量的信息。目前基于布里渊散射的全分布式光纤感测技术主要有布里渊光时域反射(BOTDR)技术、布里渊光时域分析(BOTDA)技术、布里渊光频域分析(BOFDA)技术和基于布里渊光栅的传感技术。其中在岩土工程领域和结构物健康监测领域应用较为广泛的为基于布里渊光时域反射(BOTDR)技术和布里渊光时域分析(BOTDA)技术。布里渊散射光的频移变化与光纤所受的轴向应变以及环境温度之间存在线性关系,通过测量布里渊频移量,就可以得到光纤的轴向应变和环境温度，计算公式如下：其中：
ν(ε，Τ)是光纤应变为ε，温度为Τ时的布里渊频移值
为应变系数
为温度系数
光纤应变系数标定常规方法包括三种，分别是：等强度梁法、定滑轮法和定点拉伸法；光纤温度系数的标定方法，一般采用恒温水浴/油浴法。传统标定设备中这两个参数的标定都是分开进行，但是由于光纤加工工艺及护套等的影响其在不同的温度环境下，应变系数可能会发生变化，这对于一些特殊工作环境下的光纤应变测量而言非常重要，因此对于光纤标定不仅要标定温度系数和常温下的应变系数，还需要标定光纤不同温度下的应变系数，以使测量结果更精确，但目前并没有相关设备可以实现上述目的。
发明内容
有鉴于此，本发明的实施例提供了一种全分布式光纤不同温度下应变系数标定装置。
本发明的实施例提供一种全分布式光纤不同温度下应变系数标定装置，包括实验台、液压拉伸机构和光纤夹具，所述液压拉伸机构包括下部的滑台和上部的滑块，所述滑台固定于所述实验台上，所述光纤夹具包括用于夹紧光纤的相对设置的第一夹具和第二夹具，所述第一夹具固定于所述滑块上，所述第二夹具固定于所述实验台上，所述标定装置还包括具有水温调节器的浴槽和位移测量机构，所述浴槽固定于所述实验台上所述第一夹具与所述第二夹具之间，所述位移测量机构包括滑轨、第一防水位移计、第二防水位移计、第一被动滑块和第二滑被动滑块，所述滑轨固定于所述浴槽内且位于所述第一夹具与所述第二夹具连线上，所述滑轨的两端分别固定着所述第一防水位移计和所述第二防水位移计，所述滑轨上靠近所第一防水位移计还安装着用于夹紧所述光纤的第一被动滑块，所述滑轨上靠近所述第二防水位移计安装着用于夹紧所述光纤的第二被动滑块，所述液压拉伸机构工作时，所述滑块沿着所述滑台滑动从而拉伸所述光纤向着远离所述浴槽方向运动，所述第一被动滑块和所述第二被动滑块均与所述光纤同步运动。
进一步地，所述浴槽的形状为长方体，所述浴槽与所述滑轨平行的两侧面均为透明钢化玻璃或有机玻璃。
进一步地，所述浴槽相对两侧面所述光纤穿过处分别安转着第一防水孔塞和第二防水孔塞，所述第一防水孔塞靠近所述第一防水位移计且距离大于1/2 个空间分辨率，所述第二防水孔塞靠近所述第二防水位移计且距离大于1/2个空间分辨率。
进一步地，所述第一夹具包括相同的两金属块和两橡胶垫，两所述金属块夹紧相互贴合的两橡胶垫，所述光纤穿过两所述橡胶垫之间后，两所述金属块通过两螺栓分别固定于所述滑台上。
进一步地，所述第二夹具固定于承载台上，所述承载台固定于实验台上。
进一步地，所述第二夹具包括相同的两金属块和两橡胶垫，两所述金属块夹紧相互贴合的两橡胶垫，所述光纤穿过两所述橡胶垫之间后，两所述金属块通过两螺栓分别固定于所述承载台上。
本发明的实施例还提供使用上述全分布式光纤不同温度下应变系数标定装置进行光纤不同温度下的应变系数标定的方法，包括以下步骤：
S1：调节水温调节器至预设温度T1，将光纤紧绷安装于光纤夹具上并用第一被动滑块和第二被动滑块夹紧，分别调整第一被动滑块和第二被动滑块至预设初始位置，测量第一被动滑块和第二被动滑块之间距离L0，使用光纤传感解调设备测量第一被动滑块和第二被动滑块之间光纤的布里渊频移值VT1ε0；
S2：控制液压拉伸装置使滑块移动n次，其中n≥10，每次移动相同的预设距离，通过第一防水位移计测量出第n次移动后第一被动滑块移动距离△Lan，通过第二防水位移计测量出第二被动滑块对应的移动距离△Lbn，使用光纤传感解调设备测量出第一被动滑块和第二被动滑块之间光纤对应的布里渊频移值VT1εn；
S3：以初始光纤紧绷状态为零点，计算第n次光纤移动时第一被动滑块和第二被动滑块之间光纤的实际伸长量△Ln＝△Lan-△Lbn，第一被动滑块和第二被动滑块之间光纤对应的应变值εn＝△Ln/L0，第一被动滑块和第二被动滑块之间应变光纤的布里渊频移VT1εn，以εn为横轴，VT1εn为纵轴进行线性拟合，斜率k即为光纤的应变系数Cε1。
S4：重复步骤S1-S3，对光纤进行m次实验获得每次实验对应的应变系数C εm，m≥2，直至Cεm满足不等式|△Vmax/Cεm-1-△Vmax/Cεm|≤2δ，判断测试结果合格，定义合格光纤应变系数Cε＝(Cεm-1+Cεm)/2，△Vmax表示最大布里渊频移与最小布里渊频移的差值，δ表示光纤传感解调设备应变测量精度。
S5：调节水温调节器至不同的预设温度，重复步骤S1～S4，测量出不同温度下的合格光纤应变系数。
进一步地，所述光纤解调设备为BOTDR或BOTDA。
本发明的实施例提供的技术方案带来的有益效果是：本发明一种全分布式光纤不同温度下应变系数标定装置与方法的浴槽和拉伸装置的独立调节协同工作设计使光纤在不同温度条件下的应变系数测量得以实现，且温度系数和应变系数可以进行分别测量。
附图说明
图1是本发明一种全分布式光纤不同温度下的应变系数标定装置的示意图；
图2是图1的防水孔塞的示意图的示意图；
图3是图1的第一夹具的示意图。
图中:1-实验台、2-滑台、3-滑块、4-光纤、5-第一夹具、6-第二夹具、7- 承载台、8-滑轨、9-第一防水位移计、10-第二防水位移计、11-第一被动滑块、 12-第二被动滑块、13-浴槽、14-第一防水孔塞、15-第二防水孔塞、16-软橡胶圈、17-高弹橡胶膜、18-硬橡胶圈、19-金属块、20-橡胶垫、21-螺栓。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
请参考图1、图2和图3，本发明的实施例提供了一种全分布式光纤不同温度下的应变系数标定装置，包括实验台1、液压拉伸机构和光纤夹具，所述液压拉伸机构包括下部的滑台2和上部的滑块3，所述滑台2固定于所述实验台1上，所述光纤夹具包括用于夹紧光纤4的相对设置的第一夹具5和第二夹具6，所述第一夹具包括相同的两金属块19和相同的两橡胶垫20，两所述金属块19夹紧相互贴合的两橡胶垫20，所述光纤4穿过两所述橡胶垫20之间后，两所述金属块19通过两螺栓21分别固定于所述滑台3上，所述第二夹具6与所述第一夹具5具有相同的结构特征，所述第二夹具6通过两螺栓21固定于承载台7上，所述承载台7固定于所述实验台1上。
所述标定装置还包括具有水温调节器的浴槽13和位移测量机构，所述浴槽 13固定于所述实验台上所述第一夹具5与所述第二夹具6之间，所所述位移测量机构包括滑轨8、第一防水位移计9、第二防水位移计10、第一被动滑块11 和第二被动滑块12，所述滑轨8固定于所述浴槽13内且位于所述第一夹具5与所述第二夹具6连线上，所述滑轨8的两端分别固定着所述第一防水位移计9 和所述第二防水位移计10，所述浴槽13相对两侧面所述光纤4穿过处分别安转着第一防水孔塞14和第二防水孔塞15，所述第一防水孔塞14靠近所述第一防水位移计9且距离大于1/2个空间分辨率，所述第二防水孔塞14靠近所述第二防水位移计10且距离大于1/2个空间分辨率，所述滑轨8上靠近所述第一防水位移计9还安装着用于夹紧所述光纤的第一被动滑块11，所述滑轨8上靠近所述第二防水位移计10安装着用于夹紧所述光纤的第二被动滑块12，所述液压拉伸机构工作时，所述滑块3沿着所述滑台2滑动从而拉伸所述光纤4向着远离所述滑轨8方向运动，所述第一被动滑块11和所述第二被动滑块12均与所述光纤4同步运动。
所述第一防水孔塞14为圆形，圆心处设有16软橡胶圈，沿圆周设有18硬橡胶圈，所述软橡胶圈16与所述硬橡胶圈18之间还设有高弹橡胶模17，所述光纤4与所述软橡胶圈16过盈配合，所述硬橡胶圈18通过胶粘固定于所述浴槽13上且所述高弹橡胶模17与所述浴槽13紧贴，所述第二防水孔塞15与所述第一防水孔塞14具有相同的结构特征。
本发明的实施例还提供了使用上述标定装置进行光纤不同温度下的应变系数的标定方法，包括以下步骤：
S1：调节水温调节器至预设温度T1，将光纤4紧绷安装于光纤夹具上并用第一被动滑块11和第二被动滑块12夹紧，分别调整第一被动滑块11和第二被动滑块12至预设初始位置，测量第一被动滑块11和第二被动滑块12之间距离 L0，使用光纤传感解调设备测量第一被动滑块11和第二被动滑块12之间光纤的布里渊频移值VT1ε0；
S2：控制液压拉伸装置使滑块3移动n次，其中n≥10，每次移动相同的预设距离，通过第一防水位移计9测量出第n次移动后第一被动滑块11移动距离△Lan，通过第二防水位移计10测量出第二被动滑块12对应的移动距离△Lbn，使用光纤传感解调设备测量出第一被动滑块11和第二被动滑块12之间光纤对应的布里渊频移值VT1εn；
S3：以初始光纤紧绷状态为零点，计算第n次光纤移动时第一被动滑块11 和第二被动滑块12之间光纤的实际伸长量△Ln＝△Lan-△Lbn，第一被动滑块11和第二被动滑块12之间光纤对应的应变值εn＝△Ln/L0，第一被动滑块11和第二被动滑块12之间光纤应变产生的布里渊频移量VT1εn，以εn为横轴，VT1εn为纵轴进行线性拟合，斜率k即为光纤4的应变系数Cε1；
S4：重复步骤S1-S3，对光纤4进行m次实验获得每次实验对应的应变系数 Cεm，m≥2，直至Cεm满足不等式|△Vmax/Cεm-1-△Vmax/Cεm|≤2δ，判断测试结果合格，定义合格光纤应变系数Cε＝(Cεm-1+Cεm)/2，△Vmax表示最大布里渊频移与最小布里渊频移的差值，δ表示光纤传感解调设备应变测量精度；
S5：调节水温调节器至不同的预设温度，重复步骤S1～S4，测量出不同温度下的合格光纤应变系数。
所述光纤解调设备为BOTDR或BOTDA。
本发明的实施例还提供了使用上述标定装置进行光纤温度系数标定的方法，包括以下步骤：
步骤a：将光纤4松散安装于光纤夹具上，使浴槽内的光纤完全浸没在水中，光纤两端连接传感解调设备(BOTDR/BOTDA)；
步骤b：调节水温调节器至预设温度Tn，待浴槽13内水温稳定5分钟后测量出对应的光纤布里渊频移值VTn，n大于10；
步骤c：取光纤布里渊频移值VTn与浴槽温度Tn采用最小二乘法进行线性拟合，斜率k即为温度系数Ct1。
步骤d：重复步骤b、c，测量出第二个温度系数Ct2；
步骤e：对比每一预设温度Tn情况下的VTn和VTn1，若|△Vmax/Ct1-△Vmax/Ct2| ≤2ω，则判定测量结果有效，光纤布里渊频移最大改变量△Vmax＝|VTn-VT1|，ω为光纤传感解调设备温度测量精度。否则重复步骤b、步骤c和步骤d直至满足| △Vmax/Ct1-△Vmax/Ct2|≤2ω，则判定测量结果有效，光纤布里渊频移最大改变量△Vmax＝|VTn-VT1|，ω为光纤传感解调设备温度测量精度。
温度系数可能并不是完全的线性关系，可能是分段的线性关系，在进行标定过程中出现转折点时分段拟合。
在本文中，所涉及的前、后、上、下等方位词是以附图中零部件位于图中以及零部件相互之间的位置来定义的，只是为了表达技术方案的清楚及方便。应当理解，所述方位词的使用不应限制本申请请求保护的范围。
在不冲突的情况下，本文中上述实施例及实施例中的特征可以相互结合。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种全分布式光纤不同温度下的应变系数标定装置，其特征在于：包括实验台、液压拉伸机构和光纤夹具，所述液压拉伸机构包括下部的滑台和上部的滑块，所述滑台固定于所述实验台上，所述光纤夹具包括用于夹紧光纤的相对设置的第一夹具和第二夹具，所述第一夹具固定于所述滑块上，所述第二夹具固定于所述实验台上，所述标定装置还包括具有水温调节器的浴槽和位移测量机构，所述浴槽固定于所述实验台上所述第一夹具与所述第二夹具之间，所述位移测量机构包括滑轨、第一防水位移计、第二防水位移计、第一被动滑块和第二滑被动滑块，所述滑轨固定于所述浴槽内且位于所述第一夹具与所述第二夹具连线上，所述滑轨的两端分别固定着所述第一防水位移计和所述第二防水位移计，所述滑轨上靠近所第一防水位移计还安装着用于夹紧所述光纤的第一被动滑块，所述滑轨上靠近所述第二防水位移计安装着用于夹紧所述光纤的第二被动滑块，所述液压拉伸机构工作时，所述滑块沿着所述滑台滑动从而拉伸所述光纤向着远离所述浴槽方向运动，所述第一被动滑块和所述第二被动滑块均与所述光纤同步运动。
2.如权利要求1所述的一种全分布式光纤不同温度下的应变系数标定装置，其特征在于：所述浴槽的形状为长方体，所述浴槽与所述滑轨平行的两侧面均为透明钢化玻璃或有机玻璃。
3.如权利要求1所述的一种全分布式光纤不同温度下的应变系数标定装置，其特征在于：所述浴槽相对两侧面所述光纤穿过处分别安转着第一防水孔塞和第二防水孔塞，所述第一防水孔塞靠近所述第一防水位移计且距离大于1/2个空间分辨率，所述第二防水孔塞靠近所述第二防水位移计且距离大于1/2个空间分辨率。
4.如权利要求1所述的一种全分布式光纤不同温度下的应变系数标定装置，其特征在于：所述第一夹具包括相同的两金属块和两橡胶垫，两所述金属块夹紧相互贴合的两所述橡胶垫，所述光纤穿过两所述橡胶垫之间后，两所述金属块通过两螺栓分别固定于所述滑台上。
5.如权利要求1所述的一种全分布式光纤不同温度下的应变系数标定装置，其特征在于：所述第二夹具固定于承载台上，所述承载台固定于所述实验台上。
6.如权利要求5所述的一种全分布式光纤不同温度下的应变系数标定装置，其特征在于：所述第二夹具包括相同的两金属块和两橡胶垫，两所述金属块夹紧相互贴合的两所述橡胶垫，所述光纤穿过两所述橡胶垫之间后，两所述金属块通过螺栓固定于所述承载台上。
7.使用权利要求1所述的全分布式光纤不同温度下的应变系数标定装置进行光纤不同温度下的应变系数标定的方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：调节水温调节器至预设温度T1，将光纤紧绷安装于光纤夹具上并用第一被动滑块和第二被动滑块夹紧，分别调整第一被动滑块和第二被动滑块至预设初始位置，测量第一被动滑块和第二被动滑块之间距离L0，使用光纤传感解调设备测量第一被动滑块和第二被动滑块之间光纤的布里渊频移值VT1ε0；
S2：控制液压拉伸装置使滑块移动n次，其中n≥10，每次移动相同的预设距离，通过第一防水位移计测量出第n次移动后第一被动滑块移动距离△Lan，通过第二防水位移计测量出第二被动滑块对应的移动距离△Lbn，使用光纤传感解调设备测量出第一被动滑块和第二被动滑块之间光纤对应的布里渊频移值VT1εn；
S3：以初始光纤紧绷状态为零点，计算第n次光纤移动时第一被动滑块和第二被动滑块之间光纤的实际伸长量△Ln＝△Lan-△Lbn，第一被动滑块和第二被动滑块之间光纤对应的应变值εn＝△Ln/L0，第一被动滑块和第二被动滑块之间光纤应变产生的布里渊频移改变量VT1εn，以εn为横轴，VT1εn为纵轴进行线性拟合，斜率k即为光纤的应变系数Cε1；
S4：重复步骤S1-S3，对光纤进行m次实验获得每次实验对应的应变系数Cεm，m≥2，直至Cεm满足不等式|△Vmax/Cεm-1-△Vmax/Cεm|≤2δ，判断测试结果合格，定义合格光纤应变系数Cε＝(Cεm-1+Cεm)/2，△Vmax表示最大布里渊频移与最小布里渊频移的差值，δ表示光纤传感解调设备应变测量精度；
S5：调节水温调节器至不同的预设温度，重复步骤S1～S4，测量出不同温度下的合格光纤应变系数。
8.如权利要求7所述的光纤不同温度下的应变系数标定方法，其特征在于：所述光纤解调设备为BOTDR或BOTDA。
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