CN112945369A - 用于分布式光纤声音传感系统的环境仿真测试系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于分布式光纤声音传感系统的环境仿真测试系统及方法，结构简单，设计合理，操作方便，测量精度和定位精度高，测量距离和测量范围大，能够实现环境仿真，保证测试的可信度。所述系统包括信号发生器，光纤压电陶瓷环，减震平台和若干测试光纤；测试光纤和光纤压电陶瓷环置于减震平台上，光纤压电陶瓷环的光纤一端与测试光纤一端连接，光纤压电陶瓷环的光纤另一端空接，测试光纤另一端连接被测的光纤声音传感系统的光纤接口；光纤压电陶瓷环的电源线连接信号发生器的信号输出端正负极。

Description

用于分布式光纤声音传感系统的环境仿真测试系统及方法

技术领域

本发明涉及光纤声音传感系统的标定检测，具体为用于分布式光纤声音传感系统的环境仿真测试系统及方法。

背景技术

光纤传感的机理是将光源入射的光束经由光纤送入传感前端，在传感前端内与外界被测参数发生相互作用，使传感前端中光的光学性质如光的强度、波长、频率、相位、偏振态等发生变化，成为被调制的光信号，再经过光纤送入光电器件、经解调后获得被测参数。

光纤传感具有很多优异的性能，例如：具有抗电磁和原子辐射干扰的性能，径细、质软、重量轻的机械性能；绝缘、无感应的电气性能；耐水、耐高温、耐腐蚀的化学性能；温度、应变、位移、振动、声波、辐射等多种物理量的感知性能；光损小、易集成、长距离的工程适用性能等，它能够在人达不到的地方(如高温区)，或者对人有害的地区(如核辐射区、危化场所)，起到实时感知监测的作用。

光纤传感技术是近十多年来的热点技术，其在石油石化、土木建筑、航空航天、交通运输、军工、电力、消防、安防、医疗等行业得到快速发展，并取得不少落地技术应用。不同光感原理的光纤传感产品众多，光纤传感仪器设备基本上都已经成熟，但光纤传感设备的标定检测设备匮乏且技术不成熟，严重制约传感精度等关键指标，使得光纤传感器的发展远远不能满足市场需求。

现有技术中公开的标定装置和系统，对于关键部件压电陶瓷与光纤结合存在缺陷，直接影响频响测量精度、定位精度、测量距离和测量范围；同时，仅给出了定位精度测试方法，不具备标准化的、无干扰的环境仿真测试系统，其出厂产品性能及安装产品的可靠性缺乏可信度；同时对于频率标定精度、测量范围、测量距离、定位精度等标准化检测和出厂标定必须的指标实施手段欠缺，无法提供完整的产品指标信息。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于分布式光纤声音传感系统的环境仿真测试系统及方法，结构简单，设计合理，操作方便，测量精度和定位精度高，测量距离和测量范围大，能够实现环境仿真，保证测试的可信度。

本发明是通过以下技术方案来实现：

用于分布式光纤声音传感系统的环境仿真测试系统，包括信号发生器，光纤压电陶瓷环，减震平台和若干测试光纤；

测试光纤和光纤压电陶瓷环置于减震平台上，光纤压电陶瓷环的光纤一端与测试光纤一端连接，光纤压电陶瓷环的光纤另一端空接，测试光纤另一端连接被测的光纤声音传感系统的光纤接口；光纤压电陶瓷环的电源线连接信号发生器的信号输出端正负极。

优选的，当用于振动测量距离测试标定、振动测量频率范围测试标定和振动频率精度测试标定时，采用一个光纤压电陶瓷环和一个测试光纤。

优选的，当用于振动定位精度测试标定时，采用二个光纤压电陶瓷环和二个测试光纤；

第一光纤压电陶瓷环的光纤一端与第一测试光纤一端连接，第一光纤压电陶瓷环的光纤另一端经标准光纤连接第二光纤压电陶瓷环的一端，第一测试光纤另一端连接被测的光纤声音传感系统的光纤接口；第二光纤压电陶瓷环的另一端连接第二测试光纤的一端，第二测试光纤的另一端空接；

第一光纤压电陶瓷环和第二光纤压电陶瓷环的电源线分别连接信号发生器的信号输出端正负极。

优选的，光纤压电陶瓷环包括压电陶瓷环和预张力缠绕并固定在压电陶瓷环外表面上的光纤；压电陶瓷环和光纤表面均匀固化环氧树脂或紫外固化胶水；压电陶瓷环a的内外表面导电连接两根电源线。

进一步，光纤密排缠绕在压电陶瓷环外表面上，预张力由缠绕时50g～400g的重物施加；光纤两端在压电陶瓷环上的固定位置位于压电陶瓷环的同一母线上。

用于分布式光纤声音传感系统的环境仿真测试方法，基于上述任意一项所述的测试系统，包括，

调节信号发生器的信号输出频率、幅度及波形，改变加在光纤压电陶瓷环上的电压波形，改变光纤压电陶瓷环的压电陶瓷环产生的振动频率和幅度，该振动会改变光纤压电陶瓷环表面的光纤中的光信息，通过测试光纤长度的变化，最终由分布式光纤声音传感系统感知并解调出准确的振动频率，进行对应参数的标定。

优选的，用于振动测量距离测试标定时，包括：

分别调节信号发生器输出频率信号，依次连接接入测试光纤长度为1km、5km和10km，并以10km整数倍递增；同时调节信号发生器输出信号幅度至光纤压电陶瓷环能承受电压，当分布式光纤声音传感系统的信噪比小于3dB时，即停止测试，该时刻的测试光纤长度即为振动测量距离。

优选的，用于振动测量频率范围测试标定时，包括：

依次连接接入测试光纤长度为1km、5km和10km，并以10km整数倍递增；测试光纤长度最大值为振动测量距离测试标定方法中所测试的振动测量距离；

在分布式光纤声音传感系统预期的振动频率范围内，均匀选取至少10个振动频率点，设定为检验测试振动频率，其中包括最高振动频率点和最低频率振动点；

记录与分布式光纤声音传感系统的测量频率，以及对应的测试光纤长度和信号发生器输出频率；

将信号发生器输出频率和分布式光纤声音传感系统的测量频率做差即得频率偏差值；

将频率偏差值小于±5Hz对应的频率范围记为该测试光纤长度情况下，分布式光纤声音传感系统的振动测量频率范围。

优选的，用于振动频率精度测试标定时，包括：

根据分布式声音传感系统的测量距离范围内选取测试光纤长度为1km、5km和10km，并以10km整数倍递增到最大测量距离；

根据分布式声音传感系统的测量频率范围内均匀选取至少10个频率点进行测量，每个频率点至少测量3次；

信号发生器输出频率为基准频率，分布式光纤声音传感系统读取的频率值为测量频率；每个频率点测量的三个数据分别与基准频率做差并取绝对值，其中最大的一个为分布式光纤声音传感系统在对应长度测量距离时的振动频率精度。

优选的，用于振动定位精度测试标定时，基于权利要求3所述的测试系统，包括：

第一、二测试光纤的长度相等，确定信号发生器的输出频率；

改变标准光纤的长度，当分布式光纤声音传感系统采集到的第一、二光纤压电陶瓷环的振动峰值波形距离最近时，即停止试验，对应标准光纤的长度即为分布式光纤声音传感系统的振动定位精度，即空间分辨率。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明通过光纤压电陶瓷环和若干测试光纤对使用环境进行了仿真模拟，通过利用减震平台提供了稳定的测试环境，从而能够通过给出的标准化的、无干扰的测试仿真环境，能够提供产品的测试标定、检验检测技术工况；进一步的，通过核心部件光纤压电陶瓷环的结构和工艺限定，得到更好的频响测量精度、定位精度、测量距离和频率测量范围。

本发明所述的方法在所述系统的基础上，通过针对性的连接关系和作用，得到的实施效果更好同时给出了频率精度、频率测量范围、测量距离和定位精度(空间分辨率)等标准化检测和出厂标定必须的指标测试实施方法，指导分布式光纤声音传感系统的行业标准及技术统一。

附图说明

图1为本发明实例中所述系统的基本组成框架图。

图2a为本发明实例中所述光纤压电陶瓷环结构示意图。

图2b为图2a的俯视图。

图3为本发明实例中所述系统的连接示意图。

图4为本发明实例中所述振动频率精度标定环境仿真测试系统示意图。

图5为本发明实例中所述振动定位精度标定环境仿真测试系统示意图。

图6为本发明实例中所述两个振动波形相碰示意图。

图7为本发明实例中所述两个振动波形相交示意图。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”，不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

本发明的目的在于提供一种用于分布式光纤声音传感系统的环境仿真测试系统及方法，解决分布式光纤声音传感系统产品出厂标定和系统检测认证用测量仪器、测试标准化的问题，以提高分布式光纤声音传感系统产品的出厂及安装施工的声音及振动频率精度、测量距离、测量范围等的指标准确性，确保工程应用效果优良。所述的标定就是指传感器出厂前进行灵敏度、精度、测量范围等关键指标的测试，并出具传感器的指标参数说明书。

本发明用于分布式光纤声音传感系统的环境仿真测试系统，如图1所示，包括一台信号发生器1，两个光纤压电陶瓷环2，一台减震平台3，一张设备置物架4，若干测试光纤5，及被测试的光纤声音传感系统6。

其中，本发明的核心部件光纤压电陶瓷环2是将一定长度的光纤施加一定预张力缠绕并固定在压电陶瓷环外表面上制成。具体的其结构如图2a和图2b所示，光纤压电陶瓷环2制作过程包括：光纤b一端A在K点处用紫外固化胶粘接牢固在压电陶瓷环a外表面上，另一端B加一重物，重物的重量在50g～400g，给光纤b加上恒定的预张力，然后将光纤b密排缠绕在压电陶瓷环a外表面上，注意光纤b不应交叉层叠，缠绕完成后在B端的L点用紫外固化胶粘接牢固，之后在缠绕光纤b的压电陶瓷环a表面均匀满涂抹环氧树脂热固化或紫外固化胶水，将光纤b完全固化在压电陶瓷环a外表面，最后将两根导线C和D用锡焊方式固定在压电陶瓷环a的内外表面，得到本发明所述的光纤压电陶瓷环2。

目前，市场上几种主要的压电陶瓷有：钛酸钡BaTiO₃、锆钛酸铅PZT、偏铌酸铅PbNb₂O₆、铌酸钾钠(Na,K)NbO₃、钛酸铅PbTiO₃等，本发明根据需要选择不同振动频率范围的压电陶瓷，例如铌酸钾钠压电陶瓷适合10-100MHz振动频率范围。

所述的信号发生器1与被测试的光纤声音传感系统6放置在同一支撑面上；支撑面由桌子或置物架4提供；测试光纤5和光纤压电陶瓷环2放在减震平台3上，信号发生器1和光纤声音传感系统6放置在旁边桌子上或置物架4上，其中光纤压电陶瓷环2的光纤两端与测试光纤5连接，光纤压电陶瓷环2的电源线跟信号发生器1的信号输出端正负极连接。

具体的，测试光纤5和光纤压电陶瓷环2放在减震平台3上，信号发生器1和光纤声音传感系统6放置在旁边设备置物架4上，其中，一种连接方式如图3所示，光纤压电陶瓷环2包括第一光纤压电陶瓷环2-1和第一光纤压电陶瓷环2-2；第一光纤压电陶瓷环2-1的光纤与测试光纤5连接，第一光纤压电陶瓷环2-1的电源线C1和D1跟信号发生器1的信号输出端E和F连接，即正负极连接；光纤声音传感系统6的光纤接口G与测试光纤5的光纤端I连接，测试光纤5的光纤端H与第一光纤压电陶瓷环2-1的A1端连接，B1端与第二光纤压电陶瓷环2-2的光纤A2端连接，B2空接，第二光纤压电陶瓷环2-2的电源线C2和D2空接。

另一种连接方式如图4所示，当用于振动测量距离测试标定、振动测量频率范围测试标定和振动频率精度测试标定时，采用一个光纤压电陶瓷环2和一个测试光纤5；第一光纤压电陶瓷环2-1的电源线C1和D1跟信号发生器1的信号输出端E和F连接，即正负极连接；光纤声音传感系统6的光纤接口G与测试光纤5的光纤端I连接，测试光纤5的光纤端H与第一光纤压电陶瓷环2-1的A1端连接，B1端空接。

再一种连接方式如图5所示，当用于振动定位精度测试标定时，采用二个光纤压电陶瓷环2和二个测试光纤5；

第一光纤压电陶瓷环2-1的光纤一端与第一测试光纤5-1一端连接，第一光纤压电陶瓷环2-1的光纤另一端经标准光纤连接第二光纤压电陶瓷环2-2的一端，第一测试光纤5-1另一端连接被测的光纤声音传感系统6的光纤接口；第二光纤压电陶瓷环2-2的另一端连接第二测试光纤5-2的一端，第二测试光纤5-2的另一端空接；

第一光纤压电陶瓷环2-1和第二光纤压电陶瓷环2-2的电源线分别连接信号发生器1的信号输出端正负极。

调节信号发生器1的信号输出频率、幅度及波形，可以改变加在光纤压电陶瓷环2上的电压波形，从而改变压电陶瓷环a产生的振动频率和幅度，该振动会改变光纤压电陶瓷环2表面的光纤中的光信息，最终由分布式光纤声音传感系统6感知并解调出准确的振动频率。

在上述环境仿真测试系统下，对于分布式光纤声音传感系统6的振动频率精度、测量频率范围、测量距离、定位精度的测试标定实施操作方法如下：

第一，振动测量距离测试标定方法：

按照图4所示搭建测试试验环境，分别调节信号发生器1输出频率信号为10Hz、100Hz、500Hz、1000Hz，依次连接接入测试光纤5长度分别为1km、5km、10km、20km、30km、40km、50km、60km、70km、80km、90km、100km等10km整数倍递增，同时调节信号发生器1输出信号幅度至光纤压电陶瓷环2能承受电压，当测试光纤5增加到某一长度时，分布式光纤声音传感系统6的信噪比小于3dB时，即停止测试，该时刻的测试光纤5长度即为振动测量距离。

第二，振动测量频率范围测试标定方法：

按照图4所示搭建测试试验环境，依次连接接入测试光纤5长度分别为1km、5km、10km、20km、30km、40km、50km、60km、70km、80km、90km、100km等10km整数倍递增，测试光纤5长度最大值为振动测量距离测试标定方法中所测试的分布式光纤声音传感系统6振动测量距离；应根据分布式光纤声音传感系统6预期的振动频率范围内，均匀选取至少10个振动频率点，设定为检验测试震动频率，其中包括最高振动频率点和最低频率振动点。在测试光纤5某个长度时，调节信号发生器1输出频率，然后记录分布式光纤声音传感系统6的测量频率，将信号发生器1输出频率和分布式光纤声音传感系统6的测量频率做差即得频率偏差值，将频率偏差值小于±5Hz对应的频率范围记为该测试光纤长度情况下，分布式光纤声音传感系统6的振动测量频率范围。

第三，振动频率精度测试标定方法：

按照图4所示搭建测试试验环境，根据分布式声音传感系统6的测量距离范围内选取测试光纤5长度应该为1km、5km、10km、20km、30km、40km、50km、60km、70km、80km、90km、100km等10km整数倍递增，如果分布式声音传感系统6的标称测量距离范围为90km，则需要选择1km、5km、10km、20km、30km、40km、50km、60km、70km、80km、90km长度的测试光纤分别做测试标定；根据分布式声音传感系统6的测量频率范围内均匀选取至少10个频率点进行测量，每个频率点至少测量3次；信号发生器1输出频率为基准频率，分布式光纤声音传感系统6读取的频率值为测量频率；每个频率点测量的三个数据分别与基准频率做差并取绝对值，其中最大的一个为分布式光纤声音传感系统6在对应长度测量距离时的振动频率精度，例如测试光纤5选取长度为5km时，三个基准频率与测量频率差值绝对值为α，则该精度为αHz，对应5km的长度测量距离。

第四，振动定位精度测试标定方法，即空间分辨率测试标定方法：

按照图5所示搭建测试试验环境，第一、二测试光纤5-1和5-2长度都为1km，信号发生器1输出频率为200Hz，标准光纤M的长度选择依次为20m、15m、10m、5m、2m、1m、0.5m，当选取某个标准光纤M长度情况下，第一、二光纤压电陶瓷环2-1和2-2给分布式光纤声音传感系统6制作的振动峰值波形相碰时，如图6所示，不能如图7所示的相交；或者选择某个标准光纤M长度情况下两个振动峰值波形距离最近，即停止试验，该标准光纤M的长度即为分布式光纤声音传感系统6的振动定位精度，即空间分辨率。

本发明所述的环境仿真测试系统及方法可用于分布式光纤声音传感系统的出厂测试标定、检测机构的检测认证等，规范化标准化现有产品的测试验证。

本发明给出了关键部件压电陶瓷与光纤结合的工艺，此部件直接影响频响测量精度、定位精度、测量距离和频率测量范围，因此本发明实施效果更好；另外，本发明给出了标准化的、无干扰的测试仿真环境，能够提供产品的测试标定、检验检测技术工况；同时给出了频率精度、频率测量范围、测量距离和定位精度(空间分辨率)等标准化检测和出厂标定必须的指标测试实施方法，指导分布式光纤声音传感系统的行业标准及技术统一。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.用于分布式光纤声音传感系统的环境仿真测试系统，其特征在于，包括信号发生器(1)，光纤压电陶瓷环(2)，减震平台(3)和若干测试光纤(5)；

测试光纤(5)和光纤压电陶瓷环(2)置于减震平台(3)上，光纤压电陶瓷环(2)的光纤一端与测试光纤(5)一端连接，光纤压电陶瓷环(2)的光纤另一端空接，测试光纤(5)另一端连接被测的光纤声音传感系统(6)的光纤接口；光纤压电陶瓷环(2)的电源线连接信号发生器(1)的信号输出端正负极。

2.根据权利要求1所述的用于分布式光纤声音传感系统的环境仿真测试系统，其特征在于，当用于振动测量距离测试标定、振动测量频率范围测试标定和振动频率精度测试标定时，采用一个光纤压电陶瓷环(2)和一个测试光纤(5)。

3.根据权利要求1所述的用于分布式光纤声音传感系统的环境仿真测试系统，其特征在于，当用于振动定位精度测试标定时，采用二个光纤压电陶瓷环(2)和二个测试光纤(5)；

第一光纤压电陶瓷环(2-1)的光纤一端与第一测试光纤(5-1)一端连接，第一光纤压电陶瓷环(2-1)的光纤另一端经标准光纤连接第二光纤压电陶瓷环(2-2)的一端，第一测试光纤(5-1)另一端连接被测的光纤声音传感系统(6)的光纤接口；第二光纤压电陶瓷环(2-2)的另一端连接第二测试光纤(5-2)的一端，第二测试光纤(5-2)的另一端空接；

第一光纤压电陶瓷环(2-1)和第二光纤压电陶瓷环(2-2)的电源线分别连接信号发生器(1)的信号输出端正负极。

4.根据权利要求1所述的用于分布式光纤声音传感系统的环境仿真测试系统，其特征在于，光纤压电陶瓷环(2)包括压电陶瓷环和预张力缠绕并固定在压电陶瓷环外表面上的光纤；压电陶瓷环和光纤表面均匀固化环氧树脂或紫外固化胶水；压电陶瓷环a的内外表面导电连接两根电源线。

5.根据权利要求4所述的用于分布式光纤声音传感系统的环境仿真测试系统，其特征在于，光纤密排缠绕在压电陶瓷环外表面上，预张力由缠绕时50g～400g的重物施加；光纤两端在压电陶瓷环上的固定位置位于压电陶瓷环的同一母线上。

6.用于分布式光纤声音传感系统的环境仿真测试方法，其特征在于，基于权利要求1-5任意一项所述的测试系统，包括，

调节信号发生器(1)的信号输出频率、幅度及波形，改变加在光纤压电陶瓷环(2)上的电压波形，改变光纤压电陶瓷环(2)的压电陶瓷环产生的振动频率和幅度，该振动会改变光纤压电陶瓷环(2)表面的光纤中的光信息，通过测试光纤长度的变化，最终由分布式光纤声音传感系统(6)感知并解调出准确的振动频率，进行对应参数的标定。

7.根据权利要求6所述的用于分布式光纤声音传感系统的环境仿真测试方法，其特征在于，用于振动测量距离测试标定时，包括：

分别调节信号发生器(1)输出频率信号，依次连接接入测试光纤(5)长度为1km、5km和10km，并以10km整数倍递增；同时调节信号发生器(1)输出信号幅度至光纤压电陶瓷环(2)能承受电压，当分布式光纤声音传感系统(6)的信噪比小于3dB时，即停止测试，该时刻的测试光纤(5)长度即为振动测量距离。

8.根据权利要求6所述的用于分布式光纤声音传感系统的环境仿真测试方法，其特征在于，用于振动测量频率范围测试标定时，包括：

依次连接接入测试光纤(5)长度为1km、5km和10km，并以10km整数倍递增；测试光纤(5)长度最大值为振动测量距离测试标定方法中所测试的振动测量距离；

在分布式光纤声音传感系统(6)预期的振动频率范围内，均匀选取至少10个振动频率点，设定为检验测试振动频率，其中包括最高振动频率点和最低频率振动点；

记录与分布式光纤声音传感系统(6)的测量频率，以及对应的测试光纤长度和信号发生器(1)输出频率；

将信号发生器(1)输出频率和分布式光纤声音传感系统(6)的测量频率做差即得频率偏差值；

将频率偏差值小于±5Hz对应的频率范围记为该测试光纤(5)长度情况下，分布式光纤声音传感系统(6)的振动测量频率范围。

9.根据权利要求6所述的用于分布式光纤声音传感系统的环境仿真测试方法，其特征在于，用于振动频率精度测试标定时，包括：

根据分布式声音传感系统(6)的测量距离范围内选取测试光纤(5)长度为1km、5km和10km，并以10km整数倍递增到最大测量距离；

根据分布式声音传感系统(6)的测量频率范围内均匀选取至少10个频率点进行测量，每个频率点至少测量3次；

信号发生器(1)输出频率为基准频率，分布式光纤声音传感系统(6)读取的频率值为测量频率；每个频率点测量的三个数据分别与基准频率做差并取绝对值，其中最大的一个为分布式光纤声音传感系统(6)在对应长度测量距离时的振动频率精度。

10.根据权利要求6所述的用于分布式光纤声音传感系统的环境仿真测试方法，其特征在于，用于振动定位精度测试标定时，基于权利要求3所述的测试系统，包括：

第一、二测试光纤的长度相等，确定信号发生器(1)的输出频率；

改变标准光纤的长度，当分布式光纤声音传感系统(6)采集到的第一、二光纤压电陶瓷环的振动峰值波形距离最近时，即停止试验，对应标准光纤的长度即为分布式光纤声音传感系统(6)的振动定位精度，即空间分辨率。

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