基于BOTDA光纖分布式應變監(jiān)測的溫度補償方法

馮亞非 鄭歡 鄭毅 葛輝良

（1.第七一五研究所，杭州，310023;2聲納技術重點實驗室，杭州，310023）

1 引言

與其他傳感技術相比，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，還能沿光纖路徑測得被測量場在空間和時間上的連續(xù)分布信息，可用于測量外界環(huán)境的溫度、壓力、電磁場等參數(shù)信息。光纖分布式傳感技術在城市管道、油氣管道、橋梁、電纜、鐵路、大壩水庫、堤壩、隧道等領域有廣泛的應用。

基于受激布里淵散射的光時域分析技術（BOTDA），原理如圖1所示[1]，泵浦光光源發(fā)出的光經脈沖調制器調制成光脈沖，再經耦合器進入傳感光纖一端，探測光光源發(fā)出連續(xù)光進入傳感光纖另一端。當探測光和泵浦光的頻差與光纖中某個區(qū)域的布里淵頻移相同時，該區(qū)域就會發(fā)生布里淵放大效應，兩光束之間發(fā)生能量轉移。由于布里淵頻移與外界應變、溫度存在線性關系，因此，當對探測光光源的頻率進行連續(xù)調節(jié)時，通過檢測從光纖一端耦合出來的探測光的光功率，就可以確定光纖上各段區(qū)域能量轉移達到最大值時所對應的頻率差，從而可以計算得到外界溫度或應變的信息。

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變的相關函數(shù)，并呈線性關系：

所以測量得到的布里淵頻移信息同時包含了溫度和應變，而光纖分布式應變監(jiān)測系統(tǒng)只需了解結構的應變情況，所以有必要進行應變、溫度的隔離，分離其中的溫度因素影響，得到其中的應變信息。

2 原理

2.1 分布式應變監(jiān)測溫度補償原理

分布式應變監(jiān)測溫度補償利用隔離外界應變的參考光纜測量溫度分布，并將測量結果用于清除應變測試光纜的影響，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分別為應變光纜，溫補光纜的頻移-溫度系數(shù)，Cε1為應變光纜的頻移-應變系數(shù)，從而得到應變分布：

2.2 光纖分布式應變監(jiān)測溫度補償實現(xiàn)

光纖分布式應變監(jiān)測系統(tǒng)中的溫度傳感光纜只感受被測結構的溫度變化，而應變傳感光纜同時感受被測結構的溫度和應變變化，最后剝離溫度因素的影響，得到被測結構體的應變分布。技術關鍵有兩點：（1）兩光纜具有相同的溫度響應；（2）溫補光纜能夠充分隔離應變影響，以下重點介紹溫度和應變光纜的具體實現(xiàn)方式。

2.2.1 溫補光纜實現(xiàn)方式

溫補纜的設計實現(xiàn)如圖 2所示，主要包括 5個組成部分，從內到外的結構組成依次為：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；PE外護套。其中各個組成結構的功能是：雙芯G652B緊套光纖，為溫度測量提供備份；不銹鋼螺旋管為測溫光纖提供抗壓保護；凱芙拉和不銹鋼編織網為溫度光纜提供抗拉保護和防扭曲保護；而外護套PE保護層，提供了防水防潮，阻燃等保護。

圖2 測溫光纜結構示意圖

此雙芯鎧裝測溫光纜是專門為分布式測溫設計的，具有高性能的抗拉、抗壓、防扭、防水防潮、柔軟堅韌等特點，可以適合各種惡劣的環(huán)境。光纜結構簡單，容易實現(xiàn)，機械強度高，采用阻燃環(huán)保材料，可以滿足消防等防火等級要求，協(xié)調了導熱速度與光纜強度之間的矛盾，可以適用于BOTDA的測溫。

2.2.2 溫補光纜的工程加裝技術

溫補光纜主要起到溫度補償、隔離應變的作用，所以在工程加裝過程中，溫度光纜要貼緊應變光纜，與應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）沿應變光纜的標記線5 mm處，重新平行的畫設溫度光纜的標記線，待應變光纜點焊完成之后，開始鋪設溫度光纜。

（2）將溫度光纜沿溫度纜標記線平直鋪放，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和終點，分別涂抹少量的 406膠水，將溫度光纜固定在被測結構表面。

（3）待應變光纜涂抹完成E-44后，開始對溫度光纜進行刷膠處理，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后可達到最佳的粘接性能。

圖3 溫補纜、應變纜的工程加裝效果圖

3 實驗結果與討論

為了驗證光纖分布式應變監(jiān)測溫度補償?shù)挠行裕鋈缦聦嶒炦M行驗證：（1）應變隔離實驗，在簡支梁模型情況下，對簡支梁進行逐級的載荷卸荷實驗，驗證溫度補償光纜不感受應變的變化；（2）溫度補償效果實驗，在外界溫度溫差變化較大的情況下，利用溫度補償纜對應變光纜進行溫度補償，評估效果。

3.1 應變隔離實驗

在 2.5 m長的簡支梁模型上同時鋪設應變光纜和溫補光纜，兩光纜緊靠鋪設，應變光纜光路位置在前，溫度光纜在后，兩者串聯(lián)形成回路。對簡支梁模型進行逐級卸荷，每級卸荷為 25 kg，然后采用NBX-7000A測量其布里淵頻移量，把得到的布里淵頻移與初始狀態(tài)進行對比，得到的對比如圖4所示。

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

在室外情況下，搭建2 m長簡支梁模型，連續(xù)安裝10段，共計20 m，在簡支梁上同時鋪設應變光纜和溫度光纜，每隔15 min測量一次頻移量，進行24 h溫度補償穩(wěn)定性測試，得到的對比結果如圖 5所示。第一幅圖代表了溫度光纜的相對溫度變化，選取多次測量結果的平均值為初始量，第二幅圖代表了應變纜相對初始量的相對應變變化，從相對應變的分布圖看，每隔2 m呈現(xiàn)一個凹槽，代表簡支梁銜接處。由于應變光纜不受應變，只受溫度變化影響，得到的相對應變變化為?500×10?6～500 ×10?6嚴重偏離真實應變量。

圖4 應變隔離效果圖（上為絕對頻移；下為相對頻移）

圖5 溫度未補償效果圖(上為溫補光纜相對應變;下為未補償應變光纜相對應變)

抽取圖5中溫補光纜36 m處，做其24 h相對溫度漂移圖；應變纜24 h相對應變變化圖，如圖6所示，從兩幅圖的變化趨勢可以看到，溫補纜和應變纜具有相同的變化趨勢，可以利用溫補光纜對應變纜進行溫度補償驗證。

圖6 單點未補償漂移圖(上為溫補纜相對溫度變化圖;下為應變纜未補償應變變化圖)

圖 7的第一幅圖代表系統(tǒng)校準后得到的相對應變，波動范圍在?50×10?6～50×10?6，第二幅代表了多次測量各點的標準差，其標準差在20×10?6，誤差較大的地方代表了簡支梁結構的伸縮縫，由于伸縮縫的應變光纜存在應變突變情況，所以誤差較大，可以忽略。

圖7 溫度補償后應變分布(上為補償后應變分布; 下為各點標準差)

同樣抽取溫度補償后36 m處應變變化值，做隨測量時間的變化曲線，如圖8所示。從圖8中可以得到，補償后，應變分布集中在±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解調儀的精度在±1 MHz，為±20×10?6，說明該點補償后，除去了溫度因素的影響。

圖8 36 m處應變補償效果圖(上為測量次數(shù)應變分布；下為溫補后應變概率分布)

從以上的實驗可以證明，光纖分布式應變監(jiān)測中，溫補光纜可以有效的感受外界環(huán)境溫度的變化，同時對應變變化不敏感，溫度光纜測量得到的頻移變化為±1 MHz，在儀表測量誤差內，可以起到溫度補償?shù)男Ч?/p>

4 結論

本文針對光纖分布式應變監(jiān)測中的溫度、應變分離問題，設計了溫度補償方案。試驗驗證了溫度補償光纜的應變隔離。溫補測試應變的可行性，為該技術廣泛用于橋梁、隧道、高鐵，地鐵等結構的健康監(jiān)測提供了基礎。

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