TWI725396B

TWI725396B - 利用光纖檢測應變及溫度之方法

Info

Publication number: TWI725396B
Application number: TW108108739A
Authority: TW
Inventors: 林煜程; 陸新強
Original assignee: 萬業科技股份有限公司
Priority date: 2019-03-14
Filing date: 2019-03-14
Publication date: 2021-04-21
Also published as: TW202033942A

Abstract

本發明為一種利用光纖檢測應變及溫度之方法，該方法包含：設置複數條光纖在一受測物表面，其中，在設置光纖時，在該受測物切面上定義出不同象限，該複數條光纖係分別排列貼附在不同象限之受測物表面，藉由量測各光纖的信號頻率後，將頻率值代入布里淵關係式，根據該複數光纖之布里淵關係式即可簡單聯立求解該受測物的溫度變化及受力應變；本發明可應用於長時間持續觀測受測物之溫度變化及應變程度，並提供作為警示或其它應用。

Description

利用光纖檢測應變及溫度之方法

本創作關於一種檢測應變量及溫度之方法，特別是指一種根據布里淵(Brillouin)頻移量測受測物之應變及溫度的技術。

當光波在光纖中向前傳播時，因光纖材料的原故會不可避免的產生光的散射。光纖中的散射包含有雷利散射(Rayleigh scattering)、拉曼散射(Raman scattering)及布里淵散射(Brillouin scattering)，其中，雷利散射的頻率變化與溫度與應變有關，但因為表現不明顯而不易觀測；布里淵散射(Brillouin scattering)的頻移亦會隨著溫度及應變而變化；拉曼散射則與溫度變化有較顯著的關係。

但光纖中的散射態樣並非只有單一型態，而是同時存在前述多種散射，因此以往在量測所需參數時，便難以根據單一種散射原理測得精確的溫度及／或應變量。例如根據兩種散射態樣測得之參數，相互進行比對、換算或校正等複雜運算，最後才能得到需要的參數。

本發明之主要目的是提供一種「利用光纖檢測應變及溫度之方法」，藉由適當的排列光纖在一受測物的位置並測量光纖的頻率，即可簡單估算出受測物之溫度及應變的變化狀態。

為達成前述目的，本發明的方法包含：

設置複數條光纖在一受測物表面，其中，於該受測物之切面以一水平對稱軸與一垂直對稱軸交叉定義出逆時針排列的第一象限～第四象限，該複數條光纖係分別設在不同象限之受測物表面；量測各光纖的信號頻率；根據量測到的該些光纖的信號頻率，根據該複數條光纖之布里淵關係式聯立求解該受測物的溫度變化ΔT 及應變

、

，其中，各光纖之布里淵關係式為：

f_r ：在參考溫度下測量光纖所得之參考頻率；f ：在實際溫度下測量光纖所得之頻率；Cϵ ：光纖應變比例常數；C_t ：溫度比例常數； y：光纖與該垂直對稱軸之間的距離，當光纖位於第一或第四象限，該距離y為正值；當光纖位於第二或第三象限，該距離y為負值； x：光纖與該水平對稱軸之間的距離，當光纖位於第一或第二象限，該距離x為正值；當光纖位於第三或第四象限，該距離x為負值。

依據本發明的方法，當光纖適當排列在受測物的表面後，藉由量測各光纖的頻率後，依據布里淵頻移關係可簡單分離得出受測物的溫度變化、應力，故可用於長期觀測受測物之溫度變化、應力狀態。

本發明為一種利用光纖檢測應變及溫度之方法，包含如圖1所示的下列步驟：

S11：於一受測物表面設置複數條光纖，其中，於該受測物之切面以一水平對稱軸與一垂直對稱軸交叉劃分出第一象限～第四象限，該複數條光纖係分別設在不同象限之受測物表面；

S12：量測每一光纖的信號頻率，例如利用光時域反射儀(OTDR)量測各光纖的信號頻率；

S13：根據量測到的該些信號頻率，計算該受測物的溫度變化及應變。本發明的各個步驟詳細說明。

首先，在步驟S11中，請參考圖2及圖3所示，以軌道100作為受測物舉例說明，該軌道可以是鐵軌軌道，在該軌道100的表面固定有複數條光纖a, b, c。較佳設置光纖a, b, c的方式是在軌道100橫截面沿著一水平對稱軸X與一垂直對稱軸Y交叉劃分為第一象限～第四象限，沿逆時針方向分別定義為第一象限至第四象限，該水平對稱軸X將受測物的上下兩側劃分為相同面積，垂直對稱軸Y將受測物的左右兩側劃分為相同面積，因此受測物在第一象限～第四象限中具有相等的截面面積；在另一實施例中，水平對稱軸X與垂直對稱Y的交叉點為受測物的質心。圖3中不同光纖a, b, c分別設置在不同象限的軌道表面，例如第一光纖a位在第三象限(即軌道左下側表面)，第二光纖b位在第四象限(即軌道右下側表面)，第三光纖c位在第一象限(即軌道右上側表面)。

當各光纖a, b, c設置的位置均對稱的情況下，即各光纖a, b, c與水平對稱軸X均維持等距離Δx，與垂直對稱軸Y也是均維持等距離Δy，其中Δx可以不需等於Δy。

在步驟S13中，一計算裝置可根據步驟S12中測得的頻率值計算出受測物的溫度變化及應變。本發明利用布里淵頻移與應變、溫度存在特定的關係，計算受測物的溫度變化及應變。首先，布里淵頻移與應變、溫度之間的關係式如下：

f_r 代表在參考溫度(T_r =25攝氏度)下所測得之參考頻率，f 代表在一實際溫度T所實際測得之頻率，Cϵ 代表光纖應變比例常數，C_t 代表溫度比例常數，該光纖應變比例常數及溫度比例常數皆是光纖製造商提供的已知參數，Δf表示頻移變化率，E 表示應變，ΔT表示實際溫度T相對於參考溫度Tr的溫度變化。

假設在軌道100切面任何一點的溫度均相同，且受到外力後該切面的形狀不變，則每一條光纖a, b, c的布里淵關係式可分別表示如下：

f_a 表示由第一條光纖a測得的頻率，f_b 表示由第二條光纖b測得的頻率，f_c 表示由第三條光纖c測得的頻率。利用上述三個關係式，可計算得到下列參數:

ΔT 表示軌道100相對於參考溫度Tr的溫度變化，可以看出只需要兩條光纖a、c就可以分離出溫度變化；

表示向右外力造成的應變(相對於垂直對稱軸距離Δy)，

表示向上外力造成的應變(相對於水平對稱軸距離Δx)。

請參考圖4所示，當各光纖a, b, c設置的位置沒有對稱的情況下，即各光纖a, b, c與水平對稱軸X與垂直對稱軸Y的距離各不相同。以第一光纖a而言，相對於水平對稱軸X的距離表示為

，相對於垂直對稱軸Y的距離表示為

；同理，第二光纖b相對於水平對稱軸X的距離表示為

，相對於垂直對稱軸Y的距離表示為

；第三光纖c相對於水平對稱軸X的距離表示為

，相對於垂直對稱軸Y的距離表示為

，該些距離均為可量測出來的已知數據。則每一條光纖a, b, c的布里淵關係式分別表示如下：

在上式中，向右外力對三條光纖a, b, c造成的應變分別表示為

(第一條光纖a在垂直對稱軸左側，以負號表示)、

、

；向右外力對三條光纖a, b, c造成的應變分別表示為

(在水平對稱軸下方以負號表示)、

、

。前段三個關係式以下列矩陣表示：

上述矩陣可簡化表示為

，其中，該三條光纖a, b, c的位置可以任意設置，只要維持A矩陣的行列式值不為零即可，例如圖5所示的光纖設置方式分別位在第一、二、三象限。在上述矩陣中，因為A矩陣及b矩陣為已知數據或是，因此可以解開x矩陣，即

、

、ΔT 三個參數。同理，ΔT 表示軌道100相對於參考溫度Tr的溫度變化，

表示向右外力造成的應變(對於距離水平對稱軸)，

表示向上外力造成的應變(對於垂直對稱軸)。

本發明的方法可應用於具有截面積大致相同的受測物，例如軌道、隧道等受測物，該些受測物沿著縱向具有大致相同面積的截面，因此光纖可縱向延伸設置在受測物表面並分別排列於不同象限，藉由量測各光纖的頻率後，即可簡單分離得出受測物的溫度變化、應力；此方法可作為長期監測受測物之溫度變化、應力狀態，以作為即時警戒或其它應用之參考依據。

100:受測物 a, b, c:光纖

圖1：本發明方法流程圖。圖2：本發明將光纖對稱設置在受測物的立體剖面示意圖。圖3：圖2之平面示意圖。圖4：本發明將光纖非對稱設置在受測物的示意圖。圖5：本發明將光纖非對稱設置在受測物的另一示意圖。

Claims

一種利用光纖檢測應變及溫度之方法，包含：於一受測物表面設置複數條光纖，其中，於該受測物之切面以一水平對稱軸與一垂直對稱軸交叉定義出逆時針排列的第一象限~第四象限，該複數條光纖係分別設在不同象限之受測物表面；量測各光纖的信號頻率；根據量測到的該些光纖的信號頻率，根據該複數條光纖之布里淵關係式聯立求解該受測物的溫度變化△T及應變E _r、E _u，其中，各光纖之布里淵關係式為：
f _r：在參考溫度下測量光纖所得之參考頻率；f：在實際溫度下測量光纖所得之頻率；
：光纖應變比例常數；C _t：溫度比例常數；y：光纖與該垂直對稱軸之間的距離，當光纖位於第一或第四象限，該距離y為正值；當光纖位於第二或第三象限，該距離y為負值；x：光纖與該水平對稱軸之間的距離，當光纖位於第一或第二象限，該距離x為正值；當光纖位於第三或第四象限，該距離x為負值；其中，該複數條光纖包含第一光纖a、第二光纖b、第三光纖c，該些光纖的布里淵關係式分別為：
該布里淵關係式以矩陣表示為：
其中，矩陣
之行列值不為0。
如請求項1所述利用光纖檢測應變及溫度之方法，該受測物在第一象限至第四象限的切面具有相等的面積。
如請求項1所述利用光纖檢測應變及溫度之方法，該水平對稱軸及該垂直對稱軸的交叉點為該受測物之切面的質心。