CN115452213A - 一种光纤敏感环温变条件下分布式高精度应变测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光纤敏感环内部应力测试领域。其特征在于在T0℃下，分别利用DTS系统测试出光纤敏感环在不同长度的温度分布数据，利用BOTDA系统测试出光纤敏感环的分布式布里渊频移数据，根据DTS测试出的温度分布数据实现对BOTDA测试光纤环内分布式布里渊频移数据进行温度补偿，推算得到高精度的光纤敏感环内部应力分布情况；使用温箱改变光纤环敏感环所处环境的温度，重复测试光纤敏感环内部应力分布情况；将不同温度下的环内应力分布情况进行比较，以判断光纤敏感环的在高温下的稳定性。本方法可对光纤敏感环内部应力分布在不同温度下的稳定性进行全面评估，可用于光纤敏感环的制作工艺改进、光纤敏感环评价筛选以及高性能传感器制作过程，以减少生产成本。
Description
技术领域
本发明属于光纤敏感环内部应力测试领域，具体涉及到一种光纤敏感环温变条件下分布式高精度应变测量方法。
背景技术
光纤敏感环广泛应用于光纤陀螺和光纤加速度计等高精度测量领域。其中盘式光纤加速度计的工作原理是弹性盘受外界振动作用而产生应变，固定在弹性盘表面的传感光纤也会产生应变，采用光学相干原理将光纤应变转换为光学相位变化即可检测外界加速度，具有动态范围大、灵敏度高、工作频带宽的优点。
光纤敏感环作为盘式光纤加速度传感器的核心元件，其性能的一致性关系传感器的最终性能。由于公里级别的光纤敏感环在绕制、固化、脱模等生产过程中存在极强的不稳定性，使得不同批次的光纤敏感环的性能差异很大，进而影响到盘式光纤加速度传感器的性能。评价光纤敏感环的指标包括配对光纤环的长度匹配度、偏振串扰特性、绕制应力分布状况、以及各项性能的温度稳定性等。其中环内应力分布状况不仅可以判断光纤敏感环的绕制情况，还可以通过应力双折射影响光纤环的偏振串扰特性，导致传感器的偏振相关噪声改变，同时应力分布状况的温度稳定性也影响到了传感器在不同温度下的性能稳定性，限制了传感器的工作环境温度。
2014年，第七一五研究所的冯亚非等人针对光纤分布式应变监测中的温度、应变分离问题，设计了温度补偿方案(基于BOTDA光纤分布式应变监测的温度补偿方法.声学与电子工程，2014(2)：3.)。试验验证了温度补偿光缆的应变隔离。但由于盘式光纤加速计所用的光纤敏感环为裸纤，且绕制过程中内部本身存在应力，因此无法采用该方法进行温度补偿。
2021年太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室的刘靖阳等人对BOTDA系统温度应变双参量传感技术研究进展进行了综述(BOTDA系统温度应变双参量传感技术研究进展.激光与光电子学进展，2021.)。其中提到了参考光纤法，该方法在22km传感距离上实现了5m空间分辨率的测量，且温度和应变的分辨率分别为2℃和20με。但是该方法测量效率低，若光纤所处环境差异大也会影响导致测量精度降低，两条光纤的长度差异也会在传感位置处引起测量误差。
2013年中国电力科学研究院，国家电网公司发明了一种分布式光纤温度应变测量方法(CN103335668A)，该发明提出通过采集数据后期处理的方式替代直接探测，能够有效克服测量时间增长的问题。软件对高空间分辨率的数据进行相邻数据点累加平均的，不仅能够有效降低空间分辨率，而且通过优化累加平均点数能够快速实现与DTS空间分辨率精确匹配。
2017年浙江杰昆科技有限公司的刘航杰等人发明了一种分布式光纤温度和应变传感装置(CN207636092U)，该发明能够发挥BOTDR、BOTDA和DTS的技术优势，实现快速、单端、双端、高精度对光纤温度和应变同时测量功能，但是没有考虑到温度应变交叉耦合司题。
目前针对于光纤敏感环内部不同长度的应变分布的测试方法的精度还不够高，在测试结果中还包含温度带来的应变影响，无法高精度地判断光纤环绕制、固化过程中带来的内部应力的分布情况。因此，迫切的需要建立一种光纤敏感环温变条件下分布式高精度应变测量方法。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是对光纤敏感环温变条件下进行分布式高精度应变测量，该方法结合了DTS和BOTDA系统，通过推算实现光纤敏感环的分布式应力测试的温度补偿，判定其内部应力分布的温度稳定性，筛选出可用于制作高性能传感器的光纤敏感环，同时获取性能较差的光纤敏感环的缺陷信息，用于光纤敏感环的性能改进。
本发明的目的是采用以下技术方案实现的：
一种光纤敏感环温变条件下分布式高精度应变测量方法，其改进之处在于下述步骤：
步骤S1：测试不同温度下光纤敏感环的内部温度分布结果；
步骤S2：测试不同温度下光纤敏感环的内部布里渊频移分布结果；
步骤S3：通过插值，对温度分布结果和布里渊频移分布结果进行数据对齐；
步骤S4：进行温度补偿，推算出温度补偿后的应力分布结果；
步骤S5：比较不同温度下的应力分布结果，判断光纤敏感环的性能好坏。
其中，所述步骤S1中利用采样率为fs0的DTS系统分别得到T0℃和T0+40℃下光纤敏感环内部的温度分布结果T0(m)和T1(m)，其中m为第m采样点，有m＝0、1、2....M，M为总数据点数。
所述步骤S2中利用采样率为fs1的BOTDA系统分别得到T0℃和T0+40℃下光纤敏感环内的布里渊频移分布结果vB0(n)和vB1(n)，其中n为第n采样点，有n＝0、1、2....N，N为总数据点数。
所述步骤S3中，通过插值的方法，将温度分布结果和布里渊频移分布结果的总数据点增加到M和N最小公倍数P，实现数据对齐，得到T0(p)、T1(p)、vB0(p)、vB1(p)，包括以下步骤：
S3.1：利用DTS测试温度分布结果的过程中将手放置于附图1端口①与端口④的连接处a点，得到反射峰1；
S3.2：利用BOTDA测试布里渊频移分布结果的过程中将手放置于附图1端口②与端口④的连接处b点，端口③与端口⑤的连接处c点，得到反射峰2；
S3.3：将反射峰1和反射峰2对齐，并以该点为起点，对温度分布结果和布里渊频移分布结果进行插值，使总数据点增加到M和N的最小公倍数P，实现数据对齐，得到T0(p)、T1(p)、vB0(p)、vB1(p)，其中p为第p采样点，有p＝0、1、2....P，P为总数据点数。
所述步骤S4中应力分布公式具体推算过程：
布里渊频移公式：
其中，
为一个常数，与光纤自身材质参数有关；
折射率为：
n(T(p)，ε(p))＝βn0 3ε(p)+Cn0(T(p)-T0) (2)
其中，β为光纤的弹光系数，C为光纤的热光系数，n0为光纤在T0℃下的折射率；
将数据T0(p)、T1(p)、vB0(p)、vB1(p)带入式(1)、(2)可得应力分布结果为：
转化为长度表达形式如下：
即表示长度为l处的光纤应变，其中光纤长度
L0表示总光纤环长度。
所述步骤S4中温度补偿的具体方法为：
将数据对齐后的温度分布结果和布里渊频移分布结果代入公式(4)完成温度补偿后，可推算出不同温度下的应力分布结果：
A. T0℃下的应力分布结果：
B. T1+40℃下的应力分布结果：
所述步骤S5中，通过判断温度补偿后，不同温度下的高精度应力分布测试结果ε0(l)和ε1(l)是否满足标准max|ε0(l)-ε1(l)|≤ε，确定光纤敏感环的性能好坏，满足标准表示光纤敏感环具有温度稳定性，可用于高性能传感器的制作，不满足标准则可进一步获得存在绕制缺陷的位置信息l，即得到绕制脱胶、脱匝、脱层的位置点，用于光纤敏感环绕制工艺的改进。
附图说明：
图1是DTS和BOTDA测试光纤敏感环内部温度分布和布里渊频移的装置图；
图2是一种光纤敏感环温变条件下分布式高精度应变测量方法的基本流程图。
具体实施方式：
本发明提供的一种光纤敏感环温变条件下分布式高精度应变测量方法，下面结合附图举例对本发明进行更详细的描述：
本发明的测试装置如图1所示，包括分布式拉曼散射温度传感器DTS1，分布式布里渊时域分析BOTDA2，温箱3，光纤敏感环4。
将光纤敏感环放置于温箱之中，温箱温度设定值T0＝25℃，T1＝T0+40℃＝65℃。
本发明采用的光纤敏感环为L环＝260m的单模光纤环，两端与2m跳线连接，总长L0＝262m，其波长λ0＝1550nm，在T0＝25℃时，折射率n0＝1.46，分布式布里渊时域分析BOTDA采样率为100MHz，空间分辨率为0.04m，数据点M＝6550；分布式拉曼散射温度传感器DTS采样率为80MHz，空间分辨率为0.05m，数据点N＝5240；插值后的数据点P＝26200。
本发明的具体实施方式步骤如下：
步骤S1：测试不同温度下光纤敏感环的内部温度分布结果：
如图1所示，将两端连接跳线的光纤敏感环置于温箱中，先保持25℃状态，端口①连接至端口④，利用DTS系统，获得温度25℃下的温度分布信息T0(m)，其中m为第m采样点，有m＝0、1、2....M，M为总数据点数；
保持接口状态不变，改变并保持温箱温度为65℃，利用DTS系统，获得温度65℃下的温度分布信息T1(m)，其中m为第m采样点，有m＝0、1、2....M，M为总数据点数。
步骤S2：测试不同温度下光纤敏感环的内部布里渊频移分布结果：
先保持25℃状态，断开端口①与端口④的连接，将端口②连接至端口④，端口③连接至端口⑤，利用BOTDA系统测试，获得温度25℃下的布里渊频移分布信息vB0(n)，其中n为第n采样点，有n＝0、1、2....N，N为总数据点数；
保持接口状态不变，改变并保持温箱温度为65℃，利用BOTDA系统测试，获得温度65℃下的布里渊频移分布信息vB1(n)，其中n为第n采样点，有n＝0、1、2....N，N为总数据点数。
步骤S3：通过插值，对温度分布结果和布里渊频移分布结果进行数据对齐：
通过插值，对T0(m)和vB0(n)进行数据对齐得到T0(p)和vB0(p)；对T1(m)和vB1(n)进行数据对齐得到T1(p)和vB1(p)，其中p为第p采样点，有p＝0、1、2....P，P为总数据点数。
步骤S4：进行温度补偿，推算出温度补偿后的应力分布结果：
利用数据对齐后的结果T0(p)和vB0(p)，根据公式(4)进行推算，可得25℃下的应力分布结果：
利用数据对齐后的结果T1(p)和vB1(p)，根据公式(4)进行推算，可得65℃下的应力分布结果：
其中光纤长度
L0表示总光纤环长度。
步骤S5：比较不同温度下的应力分布结果，判断光纤敏感环的性能好坏：
将不同温度下的环内应力分布情况进行比较，选定应变标准为ε＝1με，若max|ε0(l)-ε1(l)|≤1με，表示光纤敏感环性能良好，具有温度稳定性，可用于高性能传感器的制作；若max|ε0(l)-ε1(l)|＞1με，则可进一步获得存在绕制缺陷的位置信息l，即得到绕制脱胶、脱匝、脱层的位置点，进而针对性地用于光纤敏感环绕制工艺的改进优化。
Claims (7)
1.一种光纤敏感环温变条件下分布式高精度应变测量方法，其特征在于，所述方法包括下述步骤：
步骤S1：测试不同温度下光纤敏感环的内部温度分布结果；
步骤S2：测试不同温度下光纤敏感环的内部布里渊频移分布结果；
步骤S3：通过插值，对温度分布结果和布里渊频移分布结果进行数据对齐；
步骤S4：进行温度补偿，推算出温度补偿后的应力分布结果；
步骤S5：比较不同温度下的应力分布结果，判断光纤敏感环的性能好坏。
2.根据权利要求书1所述的一种光纤敏感环温变条件下分布式高精度应变测量方法，其特征在于，所述步骤S1中利用采样率为fs0的DTS系统分别得到T0℃和T0+40℃下光纤敏感环内部的温度分布结果T0(m)和T1(m)，其中m为第m采样点，有m＝0、1、2....M，M为总数据点数。
3.根据权利要求书1所述的一种光纤敏感环温变条件下分布式高精度应变测量方法，其特征在于，所述步骤S2中利用采样率为fs1的BOTDA系统分别得到T0℃和T0+40℃下光纤敏感环内的布里渊频移分布结果vB0(n)和vB1(n)，其中n为第n采样点，有n＝0、1、2....N，N为总数据点数。
4.根据权利要求书1所述的一种光纤敏感环温变条件下分布式高精度应变测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，通过插值的方法，分别将温度分布结果M个数据点和布里渊频移分布结果N个数据点，增加到N和M的最小公倍数P个数据点，实现数据对齐，从而得到T0(p)、T1(p)、vB0(p)、vB1(p)，其中p为第p采样点，有p＝0、1、2....P，P为总数据点数。
5.根据权利要求书1所述的一种光纤敏感环温变条件下分布式高精度应变测量方法，其特征在于，所述步骤S4中温度补偿的具体方法为：
利用权利要求书1所述步骤S3所得结果对光纤敏感环不同长度处的布里渊频移公式
进行温度补偿，其中光纤长度
L0表示总光纤环长度。
6.根据权利要求书1所述的一种光纤敏感环温变条件下分布式高精度应变测量方法，其特征在于，经过温度补偿后可推算出不同温度下的光纤敏感环内部应力分布情况ε0(l)和ε1(l)：
A.T0℃下的应力分布为：
B.T0+40℃下的应力分布为：
7.根据权利要求书1所述的一种光纤敏感环温变条件下分布式高精度应变测量方法，其特征在于，所述步骤S5中，通过判断温度补偿后，不同温度下的高精度应力分布测试结果ε0(L)和ε1(L)是否满足max|ε0(L)-ε1(L)|≤ε，确定光纤敏感环的性能好坏，满足要求表示光纤敏感环具有温度稳定性，可用于高性能传感器的制作，不满足要求则需要进一步获得有绕制缺陷的信息，用于光纤敏感环性能的改进。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN116046026A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-05-02 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法及系统 |
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2022
- 2022-08-19 CN CN202211009570.8A patent/CN115452213A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN116046026A (zh) * | 2023-03-31 | 2023-05-02 | 中国船舶集团有限公司第七〇七研究所 | 一种基于应力因子的光纤陀螺性能测量方法及系统 |
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