CN109211325B - 一种分布式传感光纤(缆)的应变和温度同步标定装置及方法 - Google Patents

一种分布式传感光纤(缆)的应变和温度同步标定装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种分布式传感光纤(缆)的应变和温度同步标定装置及方法，包括如下步骤：标定应变系数时，先将待标定光纤(缆)均匀地缠绕于标定桶外壁，逐级加砝码，根据标定桶的弹性模量及泊松比计算不同载重下标定桶的环向应变，并利用光纤数据解调仪读取各级载荷下的光谱信息，建立环向应变和光谱信息之间的关系，标定出应变系数；标定温度系数时，利用温度控制箱实现对标定桶温度的控制，通过解调仪获得不同温度下的光谱信息，标定出温度系数。本发明可以对应变系数和温度系数单独或同步标定，可以同时确定由外力作用产生的应变和环境温度变化对光谱信息的影响，分析两者之间的交叉效应。标定结果具有精度高，与实际应用条件更加符合等优点。

Description

一种分布式传感光纤(缆)的应变和温度同步标定装置及方法
技术领域
本发明涉及分布式传感光纤(缆)传感器标定技术领域，尤其涉及一种分布式传感光纤(缆)的应变和温度同步标定装置及方法。
背景技术
在分布式光纤传感系统中，使用光纤作为传感器，可以实时监测应变或温度的变化。当外界温度或应变发生变化时，通过解调仪对光纤的波长、频率等光谱信息变化进行分析，再通过理论计算，获得温度或应变。使用该方法前，必须先确定理论公式中被测光纤的应变系数和温度系数，而两个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，只能通过解调仪间接测试并经标定获得。
目前，常用的光纤应变系数标定方法主要为等强度梁法和定点拉伸法。等强度梁法是将光纤粘贴在等强度梁上，利用等强度梁变形令光纤产生应变，依据等强度梁应变等于光纤应变，利用等强度梁上粘贴的应变片等测试应变，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，标定结果误差较大，难以满足要求，而且等强度梁长度一般都小于2米，而目前常用解调仪空间分辨率一般都大于1米，所获得的数据点太少，往往不具有代表性。此外，使用应变片或百分表测量、计算得到的通常是等强度梁的应变，而等强度梁与光纤之间有胶存在，并不是完全耦合，导致等强度梁所受应变与光纤所受应变无法直接传递，也会产生相应的误差。
定点拉伸法是将光纤用夹具固定在位移台上，精确测量两夹具之间的距离，利用电动或液压位移装置对光纤施加拉力，位移台的位移量作为受拉段光纤的变形量，建立应变参量与实际位移的函数关系，计算后得到光纤的应变系数，定点拉伸法是目前行业内应用最多的方法，但也存在不足：①夹具与光纤接触部位在拉伸过程中，由于护套变形使光纤纤芯的拉伸变形量与位移台实际产生的位移量不一致；②由于测量结果代表空间分辨率长度范围内的布里渊频率漂移量的平均值，因此在光纤受拉段与未受拉段交接的地方，其测量结果是递进变化的，而不是截然变化的，受拉段端部1/2空间分辨率距离内的布里渊频移量是偏小的，这会使光纤应变系数标定出现误差。
在标定光纤(缆)的温度系数时，目前一般采用恒温水浴/油浴法，多在高低温箱中进行，只能获得温度对光谱信息的影响，无法同时获得应变和温度变化对光谱信息的影响，因此在实际应用过程难以区分应变和温度对监测读数的交叉效应，限制了进一步的精细化测试。另外，传统标定装置无法实现对应变和温度的同步标定，只能分别标定，有很大的局限性。
发明内容
本发明的目的就是为了解决上述问题，提供一种分布式传感光纤(缆)应变和温度的标定装置及方法，体积小巧，标定难度低，过程简单，易于操作。
本发明的技术方案为：一种分布式传感光纤(缆)应变和温度同步标定方法，包括如下步骤：
第一步，准备工作：将装置安装连接好；
第二步，将待标定光纤(缆)均匀缠绕于标定桶外壁上，缠绕长度取决于光纤数据解调仪的空间分辨率；
第三步，标定应变系数：标定过程保持标定桶温度恒定，固定住标定桶上待标定光纤(缆)的两端，在标定桶顶部逐级增加载荷，使标定桶不断竖向压缩，等变形稳定后，采集光谱信息，感测元件为待标定光纤(缆)；
第四步，在不同的载荷加载条件下标定温度系数：标定过程如步骤三所述固定住光纤不滑动，调节标定桶内导热流体的温度，当温度稳定时采集光谱信息，然后调节到下一预设温度值，重复上述操作；
第五步，标定步骤三和四中应变、温度与光谱信息之间的相关系数。
标定过程所采集光谱信息包括反射光、散射光和透射光的频率、强度、波长、相位。
所述预设温度分为6～10级，应变分为4～6级。
用于所述的分布式传感光纤(缆)应变和温度同步标定方法中的装置，包括温度控制箱、标定桶、载荷加载装置、待标定光纤(缆)、光纤数据解调仪和数据处理器，温度控制箱通过绝热管与标定桶连接，标定桶顶部设有载荷加载装置，标定桶外缠绕待标定光纤(缆)，待标定光纤(缆)与光纤数据解调仪和数据处理器连接。
所述标定桶是中空弹性桶，圆形截面，外部直径≥10cm，所述的标定桶材质为轧制铝或铝合金。
所述的标定桶外侧表面刻有螺纹凹槽，凹槽与待标定的分布式传感光纤(缆)外径相匹配，保证光纤与标定桶之间的变形耦合性。
所述温度控制箱与标定桶通过绝热管相连，绝热管分进液管和回液管。
所述温度控制箱内设置温度控制装置。
所述的标定桶内导热流体为水、乙二醇或导热油。
所述的载荷加载装置为砝码与砝码连接杆。
本发明的原理：弹性材料制作成的标定桶在竖向受到压力时，侧向会均匀向周围膨胀，产生应变，所产生应变与竖向荷载大小成正比，可通过荷载大小及材料本身弹性模量及泊松比计算，光谱信息可通过分布式光纤解调仪测得，光谱信息参数和应变之间关系可通过数据处理器拟合标定。
标定应变系数时，先将待标定光纤(缆)均匀地缠绕于标定桶外壁，通过砝码杆逐级加砝码，根据标定桶的弹性模量及泊松比计算不同载重下标定桶的环向应变，并利用光纤数据解调仪读取各级载荷下的光谱信息，建立环向应变和光谱信息之间的关系，标定出应变系数；在不同的砝码加载条件下标定温度系数时，利用温度控制箱来控制箱内导热流体的温度，促进温度控制箱和标定桶之间的水循环，以实现对标定桶温度的控制，通过解调仪获得不同温度下的光谱信息，标定出温度系数。本发明可以对分布式传感光纤(缆)的应变系数和温度系数单独或同步标定，可以同时确定由外力作用产生的应变和环境温度变化对光谱信息的影响，分析两者之间的交叉效应。标定结果具有精度高，与实际应用条件更加符合，性能价格比更好等优点。
有益效果：
(1)本发明体积较小，测试过程简单易行，降低了标定的难度；
(3)本发明利用同一装置可实现对温度和应变的标定；
(3)本发明在标定应变系数时，标定光纤(缆)长度不受限制，可适用于各种空间分辨率解调仪，标定结果可通过求平均值降低误差；
(4)本发明标定温度系数时，不仅能测定温度对光谱信息的影响，还可测出温度变化导致光纤所依附的构件热胀冷缩对光谱的影响，所标定更加符合实际应用条件，标定结果用于应变温度补偿时，能够准确获知外力作用下构件变形。
(5)本发明装置的标定桶是中空的，当受压或升温时均匀膨胀，弹性模量小，导热系数大。标定桶外侧表面刻有用来缠绕光纤的螺纹凹槽，凹槽与待标定的分布式传感光纤(缆)外径相匹配，用以保证光纤与标定桶之间的变形耦合性。温度控制箱与标定桶通过绝热管相连，绝热管分进液管和回液管，测定时通过温度控制箱保持标定桶内温度恒定。能够高精度地同步测定外力引起应变和环境温度变化对光纤(缆)光谱信息的影响。
附图说明
图1是一种分布式传感光纤(缆)应变系数和温度同步标定装置的结构示意图；
图2是本发明一实例的温度系数标定拟合曲线；
图3是本发明一实例的应变系数标定拟合曲线。
具体实施方式
下面结合附图和优选实施例对本发明作更为具体的描述。
一种分布式传感光纤(缆)应变和温度系数标定装置，包括温度控制箱、标定桶、砝码杆、待标定光纤(缆)、光纤数据解调仪和数据处理器。采用所述装置进行分布式传感光纤(缆)温度系数的标定方法，标定应变系数时，先将待标定光纤(缆)均匀地缠绕于标定桶外壁，逐级加砝码，根据标定桶的弹性模量及泊松比计算不同载重下标定桶的环向应变，并利用光纤数据解调仪读取各级载荷下的光谱信息，建立环向应变和光谱信息之间的关系，标定出应变系数；在不同的砝码加载条件下标定温度系数时，利用温度控制箱实现对标定桶温度的控制，通过解调仪获得不同温度下的光谱信息，标定出温度系数。本发明可以对应变系数和温度系数单独或同步标定，可以同时确定由外力作用产生的应变和环境温度变化对光谱信息的影响，分析两者之间的交叉效应。标定结果具有精度高，与实际应用条件更加符合，性能价格比更好等优点。具体包括以下步骤：
第一步，将温度控制箱、标定桶、待标定光纤(缆)、夹具、光纤数据解调仪和数据处理器连接，温度控制箱和标定桶用隔热水管相连，通过水循环实现对标定桶温度控制，所述标定桶为圆柱中空弹性桶，导热性好，弹性模量低，泊松比大；
第二步，将待标定光纤(缆)均匀缠绕于步骤一所述标定桶外壁上，缠绕长度取决于光纤数据解调仪的空间分辨率；
第三步，标定应变系数，标定过程保持标定桶温度恒定，用夹具固定住标定桶上光纤的两端，通过砝码杆在标定桶顶部逐级加砝码，使标定桶不断竖向压缩，等变形稳定后，利用步骤一所述分布式光纤解调仪采集光谱信息，感测元件为步骤一所述待标定光纤(缆)；
第四步，在不同的砝码加载条件下标定温度系数，标定过程如步骤三所述用夹具固定住光纤不滑动，通过步骤一所述温度控制箱调节标定桶内导热流体的温度，当温度稳定时利用步骤一所述分布式光纤解调仪采集光谱信息，然后调节到下一预设温度值，重复上述操作；
第五步，利用数据处理器标定步骤三和四中应变、温度与光谱信息之间的系数。
所述的标定过程所测光谱信息包括频率、强度、波长等各类参量。
所述的预设温度分为6～10级，预设应变分为4～6级。
所述的一种分布式传感光纤(缆)应变和温度同步标定装置，其特征在于，包括温度控制箱、标定桶、砝码连接杆、待标定光纤(缆)、光纤数据解调仪和数据处理器。
所述的标定桶是中空的，其特点是受压或升温时均匀膨胀，弹性模量小，导热系数大。标定桶外侧表面刻有用来缠绕光纤的螺纹凹槽，内径与待标定的分布式传感光纤(缆)相匹配，用以保证光纤与标定柱之间的耦合性。
所述的温度控制箱与标定桶通过绝热管相连，绝热管分进液管和回液管，测定时通过温度控制箱保持标定桶内温度恒定。
实施例
如图1所示，一种分布式传感光纤(缆)应变系数和温度系数标定装置包括：1、温度控制箱，2、绝热进液管，3、温度控制装置，4、砝码连接杆，5、标定桶内侧，6、光纤夹具，7、标定光纤，8、数据处理器，9、分布式光纤解调仪，10、液面、11、标定桶外壁，12、外壁凹槽，13、砝码。所述分布式光纤解调仪为布里渊光时域反射光纤应变/温度测量仪(BOTDR)，型号为AV6419。标定桶高度为20cm，底面半径为6cm，，桶体体积较小，便于携带和测试；所述标定柱为中空的，其侧表面螺纹优选凹槽深度为2mm，间隔为5mm；所述导热流体优选乙二醇，进行温度标定时其最高可进行200℃下的测试。
应变系数和温度系数标定系数标定试验包括如下步骤：
第一步，将温度控制箱、标定桶、待标定光纤(缆)、夹具、光纤数据解调仪和数据处理器连接，温度控制箱和标定桶用绝热水管相连，通过进液管和回液管构成导热流体循环实现对标定桶温度控制，所述标定桶为圆柱中空弹性桶，导热性好，弹性模量低，泊松比大，本实施例优选轧制铝；
第二步，将待标定光纤(缆)均匀缠绕于步骤一所述标定桶外壁上，缠绕长度取决于光纤数据解调仪的空间分辨率，本实施例选用AV6419型BOTDR，其空间分辨率为1m，为了保证缠绕长度大于该解调仪的空间分辨率，根据实施例中标定桶的尺寸，优选光纤在标定桶外壁缠绕4圈，缠绕长度为1.5m，本实施例中，桶壁外侧表面螺纹优选凹槽深度为2mm，间隔为5mm；
第三步，标定应变系数，进一步地，应变系数标定过程可分为以下步骤：
步骤一，标定过程保持标定桶温度恒定，用夹具固定住标定桶上光纤的两端，通过砝码杆在标定桶顶部逐级加砝码，使标定桶不断竖向压缩，计算出不同荷载下应变值ε1、ε2、ε3、ε4…εn，本实施例共分9级加载，应变从0变化到900με；
步骤二，利用BOTDR解调仪测量出相应的布里渊频率漂移量νB(ε0)、νB(ε1)、νB(ε2)…νB(εn)；
步骤三，对应变ε1～εn及对应频率漂移量νB(ε1)～νB(εn)，通过拟合得到被测光纤的应变系数；
第四步，标定温度系数。进一步地，温度系数标定过程可分为以下步骤：
步骤一，夹具固定住光纤不滑动，通过温度控制箱调节标定桶内导热流体的温度，当温度稳定时利用步骤一所述分布式光纤解调仪采集光谱信息，然后调节到下一预设温度值，重复上述操作，本实施例共分10级，温度从15℃上升到65℃；
步骤二，利用BOTDR解调仪测量不同温度T0、T1、…Tn下对应的被测光纤频率漂移量νB(θ1)、νB(θ2)、…νB(θn)；
步骤三，对温度T0～Tn及对应频率漂移量νB(0)～νB(θn)，通过拟合得到被测光纤的温度系数。
将本实施例中标定桶上竖向施加荷载大小与环向应变的推导过程阐述如下：
已知标定柱的弹性模量E和泊松比ν以及因上部砝码的重力而产生的压力FN，因此根据材料力学相关公式，有：
Figure BDA0001839214520000061
ε1＝νε (2)
式中，ε为标定柱的轴向应变值，ε1为标定柱的侧表面应变值，l为标定柱的初始高度，A为标定柱的底面面积。通过计算，可以得到标定柱侧面的应变值ε1，由于被测光纤与标定柱紧密贴合，具有良好的耦合性，因此此时被测光纤的应变值也为ε1，使用光纤解调仪测得对应的被测光纤频率漂移量为νB(ε1)，数据分析装置记录下该应变与光纤频率漂移数据。
布里渊光频率的漂移量(νB)与光纤的温度θ和所受应变ε有关，其关系如下式：
Figure BDA0001839214520000062
式中，νB(ε，θ)为光纤在温度θ下受到应变ε时的布里渊频率漂移量，νB(0)为常温θ0下自由光纤(应变为0)的布里渊频率漂移量，ξε为应变系数，ξθ为温度系数。
本实施例中，对温度系数标定时，竖向不加载，则有：
νB(ε，θ)＝νB(0，θ0)+ξθ·(θ-θ0) (4)
此时常温条件为θ0＝15℃，在此条件下使用解调仪测得对应频率漂移量νB(0)，考虑到工程应用实践情况，本次标定选取加温区间为15℃～60℃，加温梯度为5℃。对所得数据进行拟合，如图2所示，拟合曲线为式可表示为(5):
Figure BDA0001839214520000071
温度系数即为拟合曲线的斜率平均值，ξθ＝0.0035GHz/℃。在应变系数标定时，去除常温条件(θ0＝15℃)下温度产生的频率漂移量，即计自由状态(应变为0)下的频率漂移量为0，标定选取加压产生的应变区间,100～800με，加压梯度为100με。对所得数据进行拟合，如图3所示，拟合结果可表示为式(6)：
Figure BDA0001839214520000072
应变系数即为拟合曲线的斜率平均值，ξε＝0.0561MHz/με。
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，凡是按照本发明提出的技术思想，在本技术方案基础上所做的任何等同变化或等效的改动，均仍属于本发明技术方案包括的范围。

Claims (9)

1.一种分布式传感光纤应变和温度同步标定方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步，准备工作：将装置安装连接好；
第二步，将待标定光纤均匀缠绕于标定桶外壁相应位置，缠绕长度取决于光纤数据解调仪的空间分辨率；
第三步，标定应变系数：标定过程保持标定桶温度恒定，固定住标定桶上待标定光纤的两端，在标定桶顶部逐级增加载荷，使标定桶不断竖向压缩，等变形稳定后，采集光谱信息，感测元件为待标定光纤；
第四步，在不同的载荷加载条件下标定温度系数：标定过程如步骤三所述固定住光纤不滑动，调节标定桶内导热流体的温度，当温度稳定时采集光谱信息，然后调节到下一预设温度值，重复上述操作；
第五步，标定步骤三和四中应变、温度与光谱信息之间的相关系数。
2.根据权利要求1所述的分布式传感光纤应变和温度同步标定方法，其特征在于，所述预设温度分为6～10级，应变分为4～6级。
3.用于权利要求1或2所述的分布式传感光纤应变和温度同步标定方法中的装置，其特征在于，包括温度控制系统、标定桶、载荷加载装置、待标定光纤、光纤数据解调仪和数据处理器；温度控制系统由温度控制箱、绝热管、导热流体组成，温度控制箱通过绝热管与标定桶连接，标定桶顶部中心位置设有载荷加载装置，标定桶外对应位置缠绕待标定光纤，待标定光纤与光纤数据解调仪和数据处理器连接。
4.根据权利要求3所述用于分布式传感光纤应变和温度同步标定方法中的装置，其特征在于，所述标定桶是中空弹性桶，圆形截面，外部直径≥10cm，所述的标定桶材质为轧制铝或铝合金。
5.根据权利要求3所述用于分布式传感光纤应变和温度同步标定方法中的装置，其特征在于，所述的标定桶外侧表面刻有螺纹凹槽，凹槽与待标定的分布式传感光纤外径相匹配，保证光纤与标定桶之间的变形耦合性。
6.根据权利要求3所述用于分布式传感光纤应变和温度同步标定方法中的装置，其特征在于，所述温度控制箱与标定桶通过绝热管相连，绝热管分进液管和回液管。
7.根据权利要求3所述用于分布式传感光纤应变和温度同步标定方法中的装置，其特征在于，所述温度控制箱内设置精准温度控制装置。
8.根据权利要求3所述用于分布式传感光纤应变和温度同步标定方法中的装置，所述的标定桶内导热流体为水、乙二醇或导热油。
9.根据权利要求3所述用于分布式传感光纤应变和温度同步标定方法中的装置，所述的载荷加载装置为砝码与砝码连接杆。
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