馮亞非 鄭歡 鄭毅 葛輝良

（1.第七一五研究所，杭州，310023;2聲納技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，杭州，310023）

1 引言

與其他傳感技術(shù)相比，分布式光纖傳感器（DOFS）[1]具有一般光纖傳感器的抗電磁干擾、絕緣性好和耐腐蝕等優(yōu)點(diǎn)，還能沿光纖路徑測(cè)得被測(cè)量場(chǎng)在空間和時(shí)間上的連續(xù)分布信息，可用于測(cè)量外界環(huán)境的溫度、壓力、電磁場(chǎng)等參數(shù)信息。光纖分布式傳感技術(shù)在城市管道、油氣管道、橋梁、電纜、鐵路、大壩水庫、堤壩、隧道等領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用。

基于受激布里淵散射的光時(shí)域分析技術(shù)（BOTDA），原理如圖1所示[1]，泵浦光光源發(fā)出的光經(jīng)脈沖調(diào)制器調(diào)制成光脈沖，再經(jīng)耦合器進(jìn)入傳感光纖一端，探測(cè)光光源發(fā)出連續(xù)光進(jìn)入傳感光纖另一端。當(dāng)探測(cè)光和泵浦光的頻差與光纖中某個(gè)區(qū)域的布里淵頻移相同時(shí)，該區(qū)域就會(huì)發(fā)生布里淵放大效應(yīng)，兩光束之間發(fā)生能量轉(zhuǎn)移。由于布里淵頻移與外界應(yīng)變、溫度存在線性關(guān)系，因此，當(dāng)對(duì)探測(cè)光光源的頻率進(jìn)行連續(xù)調(diào)節(jié)時(shí)，通過檢測(cè)從光纖一端耦合出來的探測(cè)光的光功率，就可以確定光纖上各段區(qū)域能量轉(zhuǎn)移達(dá)到最大值時(shí)所對(duì)應(yīng)的頻率差，從而可以計(jì)算得到外界溫度或應(yīng)變的信息。

圖1 BOTDA系統(tǒng)原理圖

研究表明，光纖中的布里淵頻移是溫度和應(yīng)變的相關(guān)函數(shù)，并呈線性關(guān)系：

所以測(cè)量得到的布里淵頻移信息同時(shí)包含了溫度和應(yīng)變，而光纖分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)只需了解結(jié)構(gòu)的應(yīng)變情況，所以有必要進(jìn)行應(yīng)變、溫度的隔離，分離其中的溫度因素影響，得到其中的應(yīng)變信息。

2 原理

2.1 分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)溫度補(bǔ)償原理

分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)溫度補(bǔ)償利用隔離外界應(yīng)變的參考光纜測(cè)量溫度分布，并將測(cè)量結(jié)果用于清除應(yīng)變測(cè)試光纜的影響，在兩根光纜具有相同的溫度分布情況下，外界溫度分布和應(yīng)變引起的布里淵頻移可分別表示為[2-4]：

其中，Ct1、Ct2分別為應(yīng)變光纜，溫補(bǔ)光纜的頻移-溫度系數(shù)，Cε1為應(yīng)變光纜的頻移-應(yīng)變系數(shù)，從而得到應(yīng)變分布：

2.2 光纖分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)溫度補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)

光纖分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中的溫度傳感光纜只感受被測(cè)結(jié)構(gòu)的溫度變化，而應(yīng)變傳感光纜同時(shí)感受被測(cè)結(jié)構(gòu)的溫度和應(yīng)變變化，最后剝離溫度因素的影響，得到被測(cè)結(jié)構(gòu)體的應(yīng)變分布。技術(shù)關(guān)鍵有兩點(diǎn)：（1）兩光纜具有相同的溫度響應(yīng)；（2）溫補(bǔ)光纜能夠充分隔離應(yīng)變影響，以下重點(diǎn)介紹溫度和應(yīng)變光纜的具體實(shí)現(xiàn)方式。

2.2.1 溫補(bǔ)光纜實(shí)現(xiàn)方式

溫補(bǔ)纜的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)如圖 2所示，主要包括 5個(gè)組成部分，從內(nèi)到外的結(jié)構(gòu)組成依次為：雙芯G652B緊套光纖（直徑900 μm）；不銹鋼螺旋管（直徑2.3 mm）；抗拉元件（凱芙拉）；不銹鋼編織網(wǎng)；PE外護(hù)套。其中各個(gè)組成結(jié)構(gòu)的功能是：雙芯G652B緊套光纖，為溫度測(cè)量提供備份；不銹鋼螺旋管為測(cè)溫光纖提供抗壓保護(hù)；凱芙拉和不銹鋼編織網(wǎng)為溫度光纜提供抗拉保護(hù)和防扭曲保護(hù)；而外護(hù)套PE保護(hù)層，提供了防水防潮，阻燃等保護(hù)。

圖2 測(cè)溫光纜結(jié)構(gòu)示意圖

此雙芯鎧裝測(cè)溫光纜是專門為分布式測(cè)溫設(shè)計(jì)的，具有高性能的抗拉、抗壓、防扭、防水防潮、柔軟堅(jiān)韌等特點(diǎn)，可以適合各種惡劣的環(huán)境。光纜結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，容易實(shí)現(xiàn)，機(jī)械強(qiáng)度高，采用阻燃環(huán)保材料，可以滿足消防等防火等級(jí)要求，協(xié)調(diào)了導(dǎo)熱速度與光纜強(qiáng)度之間的矛盾，可以適用于BOTDA的測(cè)溫。

2.2.2 溫補(bǔ)光纜的工程加裝技術(shù)

溫補(bǔ)光纜主要起到溫度補(bǔ)償、隔離應(yīng)變的作用，所以在工程加裝過程中，溫度光纜要貼緊應(yīng)變光纜，與應(yīng)變纜感受同樣的外界環(huán)境溫度變化，具體工程安裝方式如下步驟：

（1）沿應(yīng)變光纜的標(biāo)記線5 mm處，重新平行的畫設(shè)溫度光纜的標(biāo)記線，待應(yīng)變光纜點(diǎn)焊完成之后，開始鋪設(shè)溫度光纜。

（2）將溫度光纜沿溫度纜標(biāo)記線平直鋪放，中間不能出現(xiàn)彎曲、拉力過緊等情況，然后在溫度光纜的起點(diǎn)和終點(diǎn)，分別涂抹少量的 406膠水，將溫度光纜固定在被測(cè)結(jié)構(gòu)表面。

（3）待應(yīng)變光纜涂抹完成E-44后，開始對(duì)溫度光纜進(jìn)行刷膠處理，溫度光纜的直徑為3.3 mm，所以刷膠的厚度要以覆蓋溫度纜為宜，待24 h后可達(dá)到最佳的粘接性能。

圖3 溫補(bǔ)纜、應(yīng)變纜的工程加裝效果圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

為了驗(yàn)證光纖分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)溫度補(bǔ)償?shù)挠行?，做如下?shí)驗(yàn)進(jìn)行驗(yàn)證：（1）應(yīng)變隔離實(shí)驗(yàn)，在簡(jiǎn)支梁模型情況下，對(duì)簡(jiǎn)支梁進(jìn)行逐級(jí)的載荷卸荷實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證溫度補(bǔ)償光纜不感受應(yīng)變的變化；（2）溫度補(bǔ)償效果實(shí)驗(yàn)，在外界溫度溫差變化較大的情況下，利用溫度補(bǔ)償纜對(duì)應(yīng)變光纜進(jìn)行溫度補(bǔ)償，評(píng)估效果。

3.1 應(yīng)變隔離實(shí)驗(yàn)

在 2.5 m長(zhǎng)的簡(jiǎn)支梁模型上同時(shí)鋪設(shè)應(yīng)變光纜和溫補(bǔ)光纜，兩光纜緊靠鋪設(shè)，應(yīng)變光纜光路位置在前，溫度光纜在后，兩者串聯(lián)形成回路。對(duì)簡(jiǎn)支梁模型進(jìn)行逐級(jí)卸荷，每級(jí)卸荷為 25 kg，然后采用NBX-7000A測(cè)量其布里淵頻移量，把得到的布里淵頻移與初始狀態(tài)進(jìn)行對(duì)比，得到的對(duì)比如圖4所示。

選取滿載荷時(shí)刻為初始狀態(tài)，圖 4第一幅圖為頻移絕對(duì)分布，第二幅圖為相對(duì)分布，根據(jù)定標(biāo)可得，10～12.5 m為應(yīng)變光纜；13.5 m到16 m為溫度光纜，六級(jí)卸荷應(yīng)變光纜的最大頻移量為6.6 MHz，根據(jù)標(biāo)定得到的應(yīng)變-頻移系數(shù)（20×10?6/MHz）可得簡(jiǎn)支梁模型最大應(yīng)變量為 132×10?6，而溫補(bǔ)光纜測(cè)量得到的頻移波動(dòng)范圍為±0.5 MHz，儀表正常波動(dòng)范圍為 ±1 MHz，屬于儀表的誤差范圍，可以認(rèn)為溫補(bǔ)光纜不受應(yīng)變變化，滿足應(yīng)用需求。

在室外情況下，搭建2 m長(zhǎng)簡(jiǎn)支梁模型，連續(xù)安裝10段，共計(jì)20 m，在簡(jiǎn)支梁上同時(shí)鋪設(shè)應(yīng)變光纜和溫度光纜，每隔15 min測(cè)量一次頻移量，進(jìn)行24 h溫度補(bǔ)償穩(wěn)定性測(cè)試，得到的對(duì)比結(jié)果如圖 5所示。第一幅圖代表了溫度光纜的相對(duì)溫度變化，選取多次測(cè)量結(jié)果的平均值為初始量，第二幅圖代表了應(yīng)變纜相對(duì)初始量的相對(duì)應(yīng)變變化，從相對(duì)應(yīng)變的分布圖看，每隔2 m呈現(xiàn)一個(gè)凹槽，代表簡(jiǎn)支梁銜接處。由于應(yīng)變光纜不受應(yīng)變，只受溫度變化影響，得到的相對(duì)應(yīng)變變化為?500×10?6～500 ×10?6嚴(yán)重偏離真實(shí)應(yīng)變量。

圖4 應(yīng)變隔離效果圖（上為絕對(duì)頻移；下為相對(duì)頻移）

圖5 溫度未補(bǔ)償效果圖(上為溫補(bǔ)光纜相對(duì)應(yīng)變;下為未補(bǔ)償應(yīng)變光纜相對(duì)應(yīng)變)

抽取圖5中溫補(bǔ)光纜36 m處，做其24 h相對(duì)溫度漂移圖；應(yīng)變纜24 h相對(duì)應(yīng)變變化圖，如圖6所示，從兩幅圖的變化趨勢(shì)可以看到，溫補(bǔ)纜和應(yīng)變纜具有相同的變化趨勢(shì)，可以利用溫補(bǔ)光纜對(duì)應(yīng)變纜進(jìn)行溫度補(bǔ)償驗(yàn)證。

圖6 單點(diǎn)未補(bǔ)償漂移圖(上為溫補(bǔ)纜相對(duì)溫度變化圖;下為應(yīng)變纜未補(bǔ)償應(yīng)變變化圖)

圖 7的第一幅圖代表系統(tǒng)校準(zhǔn)后得到的相對(duì)應(yīng)變，波動(dòng)范圍在?50×10?6～50×10?6，第二幅代表了多次測(cè)量各點(diǎn)的標(biāo)準(zhǔn)差，其標(biāo)準(zhǔn)差在20×10?6，誤差較大的地方代表了簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)的伸縮縫，由于伸縮縫的應(yīng)變光纜存在應(yīng)變突變情況，所以誤差較大，可以忽略。

圖7 溫度補(bǔ)償后應(yīng)變分布(上為補(bǔ)償后應(yīng)變分布; 下為各點(diǎn)標(biāo)準(zhǔn)差)

同樣抽取溫度補(bǔ)償后36 m處應(yīng)變變化值，做隨測(cè)量時(shí)間的變化曲線，如圖8所示。從圖8中可以得到，補(bǔ)償后，應(yīng)變分布集中在±20×10?6之間，最大偏差在40×10?6，而且整體誤差分布滿足正態(tài)分布效果。而NBX-7000A解調(diào)儀的精度在±1 MHz，為±20×10?6，說明該點(diǎn)補(bǔ)償后，除去了溫度因素的影響。

圖8 36 m處應(yīng)變補(bǔ)償效果圖(上為測(cè)量次數(shù)應(yīng)變分布；下為溫補(bǔ)后應(yīng)變概率分布)

從以上的實(shí)驗(yàn)可以證明，光纖分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)中，溫補(bǔ)光纜可以有效的感受外界環(huán)境溫度的變化，同時(shí)對(duì)應(yīng)變變化不敏感，溫度光纜測(cè)量得到的頻移變化為±1 MHz，在儀表測(cè)量誤差內(nèi)，可以起到溫度補(bǔ)償?shù)男Ч?/p>

4 結(jié)論

本文針對(duì)光纖分布式應(yīng)變監(jiān)測(cè)中的溫度、應(yīng)變分離問題，設(shè)計(jì)了溫度補(bǔ)償方案。試驗(yàn)驗(yàn)證了溫度補(bǔ)償光纜的應(yīng)變隔離。溫補(bǔ)測(cè)試應(yīng)變的可行性，為該技術(shù)廣泛用于橋梁、隧道、高鐵，地鐵等結(jié)構(gòu)的健康監(jiān)測(cè)提供了基礎(chǔ)。

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