基于布里淵散射的結(jié)構(gòu)應(yīng)力光纖測試技術(shù)研究

王先進(jìn)，李 青，丁克勤

(1.中國計量學(xué)院，災(zāi)害監(jiān)測與儀器國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

基于布里淵散射的結(jié)構(gòu)應(yīng)力光纖測試技術(shù)研究

王先進(jìn)1，李 青1，丁克勤2

(1.中國計量學(xué)院，災(zāi)害監(jiān)測與儀器國家地方聯(lián)合工程實(shí)驗(yàn)室，杭州 310018；2.中國特種設(shè)備檢測研究院，北京 100029)

作者通過分析一定功率的脈沖光射入光纖中的布里淵散射規(guī)律，介紹了分布式光纖測量測量軸向應(yīng)力的基本原理；制作實(shí)驗(yàn)裝置，測量單獨(dú)的應(yīng)變模型，分析散射回來的波形圖，初步了解應(yīng)力在光纖布里淵散射波譜上的圖像特征；將應(yīng)力作用于光纖的不同位置，對比它們與無應(yīng)力作用詩所得到的散射波形之間的圖像差異，研究其對光脈沖在光纖傳輸過程中的影響規(guī)律；結(jié)果表明，應(yīng)力的作用大小，作用位置的不同都會對脈沖光的傳播造成影響，主要在于影響布里淵散射的斯托克斯光和反斯托克斯光；本次研究所得可以為分布式光纖測量提供參考，為分布式光纖在測量微型形變的應(yīng)用中有一定的促進(jìn)作用；本次研究的創(chuàng)新點(diǎn)在于使用滑輪的方法，解決同等應(yīng)力在分布光纖的不同位置作用效果。

分布式光纖；布里淵散射；應(yīng)力；光脈沖

0 引言

光波在光纖中的傳播，由于光纖是非結(jié)晶材料，在微觀空間表現(xiàn)出的不均勻結(jié)構(gòu)，所以存在少量的散射的現(xiàn)象。布里淵散射是在光纖中傳播的光波與聲波在相互作用而產(chǎn)生的散射。

大型起重設(shè)備是非常常見的工業(yè)設(shè)備，隨著我國迅速的城鎮(zhèn)化，大型起重設(shè)備在工業(yè)生產(chǎn)中隨處可見，起重設(shè)備吊取重物時，橫梁受力應(yīng)變無法直觀表現(xiàn)，這樣頻繁過度的施工使用會使受力部分產(chǎn)生肉眼難以觀測的損傷，局部地區(qū)產(chǎn)生相對過大的形變，從而引起安全隱患。而這些形變可以通過應(yīng)變的分布式觀測其細(xì)微的應(yīng)力變化，從而達(dá)到預(yù)防的目的。光纖中光波傳播的布里淵散射效應(yīng)可以實(shí)現(xiàn)對變形應(yīng)力的分布式觀測。

1 基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術(shù)

1.1 布里淵光時域反射分析儀分布式光纖傳感技術(shù)

光波在光纖中傳播存在散射，散射的光波會隨著光纖所處的溫度、壓力、應(yīng)力和應(yīng)變等，產(chǎn)生頻率上的差異，從而達(dá)到測量的效果。在這種測量方式中，光纖既是環(huán)境信息的傳感介質(zhì)，又是信號傳輸?shù)膫鬏斀橘|(zhì)。這種傳感技術(shù)可以在很大的空間范圍內(nèi)連續(xù)的進(jìn)行傳感，傳感和傳光使用同一根光纖，傳感部分結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，而且和傳統(tǒng)的點(diǎn)式傳感器相比，單位長度內(nèi)信息獲取成本大大降低，性價比高。

布里淵光時域分析技術(shù)( BOTDA)是一種分布式光纖傳感技術(shù)，它是基于一定頻率的脈沖光射入光纖，通過反射回來的光波的頻率移動來測量環(huán)境信息的技術(shù)。該技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)溫度和應(yīng)變的同事測量，且測量精度、傳感距離和空間分辨率較高，該技術(shù)以巨大的優(yōu)勢，在海底光纜制造和施工維護(hù)、石油天然氣管道泄露、發(fā)電廠、變電站高壓設(shè)備、高壓電纜、廢氣處理廠的溫度監(jiān)測、大型混凝土結(jié)構(gòu)(大壩、隧道、建筑物等)的結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測，以及山體滑坡、河床塌陷等地質(zhì)災(zāi)害監(jiān)測、大型起重設(shè)備受力情況等方面有著廣泛的應(yīng)用前景，受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注與研究。

BOTDA技術(shù)是根據(jù)受激布里淵散射的一種光時域分析技術(shù)。在單模光纖的一端注入一定頻率為f的光脈沖信號，另一端注入頻率以f為中心上下波動fB的連續(xù)探測光，在兩束光相遇的位置會發(fā)生受激布里淵散射，f±fB頻率的連續(xù)探測光在這個位置會獲得增益或者衰減，從而整條光纖上的所有位置的光功率變換能在時域上被探測到。從而實(shí)現(xiàn)分布式光纖對環(huán)境變量的測量?；驹砣鐖D1所示。

圖1 布里淵光時域分析技術(shù)原理圖

1.2 布里淵散射頻率與軸向應(yīng)變之間的關(guān)系

當(dāng)沿著光纖方向的環(huán)境信息(溫度、壓力、應(yīng)力等)發(fā)生變化時，背向布里淵散射光方向的頻率會發(fā)生移動。其移動的多少與環(huán)境信息(溫度、壓力、應(yīng)力等)呈線性關(guān)系變化，所以可以通過測量頻移量的多少，從而間接獲取其環(huán)境信息(溫度、壓力、應(yīng)力等)。

根據(jù)光信號布里淵頻移與光纖溫度和軸向應(yīng)變之間的線性變化關(guān)系，在溫度補(bǔ)償(或應(yīng)變補(bǔ)償)條件下得到光纖的應(yīng)變變化量(或溫度變化量)用下式(1)表示：

(1)

式中，ΔVB為布里淵散射的頻率移動量，Cvt為布里淵散射頻率移動的溫度系數(shù)，Cvε為布里淵散射頻率移動的應(yīng)變系數(shù)，Δt為沿纖環(huán)境溫度的變化量，Δε為沿纖環(huán)境應(yīng)變變化量。在本試驗(yàn)中我們忽略溫度對布里淵頻移量的影響(假設(shè)溫度固定)，即認(rèn)為溫度不變化或者變化幅度非常小，所以布里淵頻移量和所受應(yīng)力存在一個明確的線性關(guān)系。

2 實(shí)驗(yàn)平臺的設(shè)計與搭建

2.1 實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計

筆者設(shè)計下列實(shí)驗(yàn)步驟來研究沿光纖方向的應(yīng)力對布里淵散射的影響規(guī)律：

(1)研究應(yīng)力作用位置對布里淵散射的影響規(guī)律，將不同的軸向應(yīng)力分別作用在分布光纖的不同位置，分別進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(2)研究光纖起始應(yīng)力狀態(tài)不同的情況下，增加等梯度應(yīng)力對布里淵散射頻移的作用影響規(guī)律，將同一段光纖的兩部分重合控制其繃緊程度不同，在相同的點(diǎn)加等量的軸向應(yīng)力，進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。

(3)進(jìn)行結(jié)果分析，結(jié)合所得實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，對其實(shí)用性進(jìn)行分析。

2.2 實(shí)驗(yàn)平臺的制作及搭建

實(shí)驗(yàn)平臺在此設(shè)計成一個管道體結(jié)構(gòu)，向管道上布設(shè)單模裸光纖，制作應(yīng)力分布模型，在用BOTDA設(shè)備測量得到布里淵散射波的頻移圖形。

實(shí)驗(yàn)管道截面尺寸為內(nèi)Φ0.6 m外Φ0.7 m，長度為7 m，底部為連體三角架整體把其在距中心總長度為6 m處支撐起來，并在裝置的中心位置添加了為管道施加應(yīng)變的部分，且支撐部分可以加固定螺絲，使其在中間處應(yīng)變的時候，兩端自由處不會移動。管道一側(cè)采取打磨的辦法使其表面光滑，易于布設(shè)光纖，布設(shè)完成后，為了使其應(yīng)變效果達(dá)到最大，在這里我們把光纖部分放在施加應(yīng)變裝置的對側(cè)，即整體光纖的布設(shè)部分在管道截面的距地最低點(diǎn)處。并在管道的各部分張貼距離標(biāo)簽，方便分析其距離和布里淵散射的頻移關(guān)系。整體裝置制作完成后如圖2所示。

圖2 整體裝置完成圖

2.3 實(shí)驗(yàn)儀器與相關(guān)參數(shù)設(shè)定

本次實(shí)驗(yàn)所使用的儀器是分布式光纖溫度應(yīng)變監(jiān)測系統(tǒng)DiTest STA-R 。該儀器是在windows xp系統(tǒng)下的數(shù)據(jù)采集和分析儀器，開啟儀器后，在參數(shù)調(diào)節(jié)區(qū)進(jìn)行如下表1所示參數(shù)的設(shè)置，完成后便可開始測量。

表1 DiTest STA-R設(shè)備參數(shù)設(shè)置

2.4 對布里淵散射頻移的影響研究

2.4.1 不同軸向應(yīng)力對頻移的影響

因?yàn)閱文Ｂ愎饫w極易折斷，所以在此實(shí)驗(yàn)中我們采取的是用兩個動滑輪可移動的固定光纖的方式，如下圖3所示，1、4線重合，并在圖中左端固定1、4線，右端動滑輪固定，然后把左端動滑輪移動到合適位置，觀察其布里淵散射頻移與自由段(固定在管道上之外不受力的光纖)做比較，得到的頻率變化如圖3所示。

圖3 光纖在鋼管上的粘合布設(shè)圖

圖4 布里淵頻率空間距離分布圖

由圖4可以看出自由端(27.46～82.88 m處)的布里淵頻率為10.78 GHz,相對于自由段可以看出在我們施加軸向應(yīng)力的部分段(3.51～27.46 m處)相對于自由端有不同程度的頻率移動，其中0～3.51 m處是BOTDA儀器的脈沖光發(fā)射口到開始固定端之間的跳線長度，3.51～9.74 m為固定的1號光纖的頻率狀態(tài)，9.74～21.55 m處為左側(cè)可動滑輪相連的2、3號光纖的頻率狀態(tài)，21.55～27.46處為固定的4號光纖的頻率狀態(tài)，由圖我們可以看出2、3號光纖相對于1、4號光纖有個明顯不同的頻率移動，這是因?yàn)槲覀儼?、2的左端以及右側(cè)滑輪固定了，在我們移動左側(cè)滑輪的時候，由于右側(cè)滑輪繞光纖的摩擦力的存在，導(dǎo)致1、4光纖和2、3光纖存在明顯不同的頻率移動，為了驗(yàn)證結(jié)論，從新設(shè)計一個驗(yàn)證試驗(yàn)滑輪之間的摩擦力導(dǎo)致了1、4光纖和2、3光纖之間的頻率差異。

2.4.2 滑輪之間的摩擦力對實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響

在上次實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，繼續(xù)左移左側(cè)滑輪，并把2號光纖向著1號光纖的方向稍微手動拉松弛一點(diǎn)，然后任其自由恢復(fù)，測的的光纖頻率狀態(tài)如圖5所示。

圖5 滑輪間摩擦力對布里淵頻移的影響

如圖5所示，光纖的總長度變?yōu)?0.47 m，這是因?yàn)樵趯?shí)驗(yàn)過程中，光纖拉斷一次，從新布設(shè)的光纖，斷裂部分測量長度為12.2 m，結(jié)合光纖熔接截取的長度約為0.2 m，所以減少長度為12.4 m，結(jié)合圖中82.88-70.47=12.41 m，故此關(guān)于布里淵散射測量光纖長度的精度還是非常高的。分析圖中頻移大小我們可以看到3號光纖的頻移相對于1、2、4不同，理論上1、2、3、4號光纖的頻移都應(yīng)該是相同的，但是由于左右滑輪之間的摩擦力的存在，導(dǎo)致1、2、3、4光纖上的應(yīng)力各不相同，才產(chǎn)生了如上的結(jié)果。

2.4.3 不同應(yīng)力的頻移效果

此后從新布設(shè)光纖，并不斷的在中心處增加應(yīng)力，施加應(yīng)力裝置如圖6所示。

圖6 管道中間加力裝置

獲取的不同應(yīng)力頻移圖像如圖7所示。

圖7 不同應(yīng)力梯度所對應(yīng)的布里淵頻率狀態(tài)

圖7中曲線分別是從不加應(yīng)力的初始狀態(tài)到最大應(yīng)力的5個應(yīng)力梯度所對應(yīng)的頻率狀態(tài)，大致可以看出隨著應(yīng)力的增加，頻率也相應(yīng)得發(fā)生了移動，而且由圖我們可以看出與1、4光纖直接相連的右側(cè)滑輪處基本是沒有頻移的(圖中8.5 m左右和18.5 m左右)，但左側(cè)滑輪連接處發(fā)生了頻移(圖中12 m的位置)，此處推測是兩側(cè)滑輪的摩擦力不同，導(dǎo)致左側(cè)滑輪處較右側(cè)滑輪發(fā)生了頻移。

最大頻移和無應(yīng)力時頻移作差可得出頻移效果圖，如圖8。

圖8 不同應(yīng)力梯度之間作差比較

由圖8我們可以看出，在我們設(shè)計的滑輪光纖這個實(shí)驗(yàn)中，1、2、3、4光纖在管道的中心位置都發(fā)生了頻移，并且在最大應(yīng)力處的兩側(cè)遞減，且頻移的大小基本相同，與所受應(yīng)力大小呈正比例關(guān)系，且在最大應(yīng)力處附近呈遞減狀態(tài)。光纖粘合的平均長度為(22.69-3.67)/4=4.755 m，結(jié)合這4段光纖的各個的頻移狀態(tài)，可以看出每段的頻率變化階梯將近5個梯度，所以推測其空間分辨率為4.755/5，將近1 m左右。

3 結(jié)論

作者從理論分析結(jié)合具體實(shí)驗(yàn)的角度，總結(jié)了應(yīng)力大小對布里淵散射的頻移的影響，主要表現(xiàn)在應(yīng)力和布里淵散射的頻移存在線性關(guān)系：

(1)光纖在傳輸光的過程中，如果受到軸向的應(yīng)力作用，會產(chǎn)生布里淵散射，使入射光的頻率發(fā)生一定程度的頻移。

(2)軸向應(yīng)力的大小會影響入射光頻移的大小，主要表現(xiàn)為光纖所受軸向應(yīng)力越大，入射光的布里淵頻移越大。

(3)布里淵散射光的頻移大小與初始狀態(tài)的光纖狀態(tài)無關(guān)，與所受應(yīng)力大小呈正比例關(guān)系，且在最大應(yīng)力處附近呈遞減狀態(tài)。

(4)通過滑輪動態(tài)改變光纖的初始狀態(tài)，可以很好的控制其布利淵散射頻移，從而找到一個合適的頻移位置，在此基礎(chǔ)上可直觀的進(jìn)行頻移實(shí)驗(yàn)。

通過本次實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了分布式光纖測量軸向應(yīng)力對布里淵散射的頻移的影響關(guān)系，為基于BOTDA的分布式光纖傳感技術(shù)在工程環(huán)境中的應(yīng)用提供了理論支持，并且以此為依據(jù)可定量的分析頻移和應(yīng)力之間的關(guān)系，以及探究分布式光纖傳感技術(shù)的最大空間分辨率、以及傳感精度。

[1] Zhang C, Bao X, Ozkan I F, et al. Prediction of the pipe buckling by using broadening factor with distributed Brillouin fiber sensors[J]. Optical Fiber Technology, 2008, 14(2): 109-113.

[2] 胡 盛,施 斌,魏廣慶,等. 聚乙烯管道變形分布式光纖監(jiān)測試驗(yàn)研究[J].防震減災(zāi)工程學(xué)報，2008，28(4):436-452.

[3] 周 智, 何建平, 歐進(jìn)萍. 輸油管道凍脹融沉監(jiān)測的光纖布里淵傳感技術(shù)[J]. 壓電與聲光, 2010, 32(4): 543-546.

[4] 陳偉民，黃民雙，鄒 建，等.一種利用布里淵散射的光纖應(yīng)變傳感新方法[J].光學(xué)學(xué)報，1999，19(6).

[5] 蔡志崗，靳 珂，李偉良，等.光時域反射儀(OTDR)的研制[J].半導(dǎo)體光電，2002，23(1)：48-50.

[6] 毅力奇，錢才富，丁克勤.A method for calculating deformation of long-distance pipleline based on strain. Advanced Materials Reasearch[J].2011,vols.291-294:3385-3390.

[7] 毅力奇，錢才富，丁克勤，等.A method for detecting deformation of pipleline based on distributed fiber optic strain sensor. Advanced Materials Reasearch[J].2011, vols. 301-303:1574-1577.

Research on Structural Stress Optical Fiber Testing Technology Based on Brillouin Scattering

Wang Xianjin1, Li Qing1，Ding Keqin2

(1.Institute of Mechanical and Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018,China; 2.China Special Equipment Inspection and Research Institute，Beijing 100029,China)

In this paper, the principle of distributed optical fiber measurement of axial stress is introduced by analyzing the principle of Brillouin scattering in an optical fiber with a certain power. Making the experimental device, measuring the individual strain model, analyzing the wave shape of the scattered wave, and preliminary understanding of the image characteristics of the stress in the optical fiber Brillouin scattering spectrum. The effect of stress on the different position of the fiber, and the difference between them and the scattering waveform obtained from the stress free action are compared, and the effect of the light pulse on the optical fiber transmission is studied. The results show that the effect of the stress is different in the position of the action, and the effect of the propagation of the pulse light is mainly affected by the Stokes and anti Stokes light scattering. The research can provide reference for distributed optical fiber measurement, and it can promote the application of distributed optical fiber in measuring micro deformation. The innovative point of this study is to use the pulley method to solve the effect of the different position of the same stress in the distribution of optical fiber.

distributed optical fiber;brillouin scattering;stress;light pulse

2016-07-28；

2016-08-24。

國家863計劃課題(2015AA043702)。

王先進(jìn)(1992-)，男，安徽人，碩士，主要從事大型起重設(shè)備應(yīng)力監(jiān)測方向的研究。

丁克勤(1968-)，男，安徽人，研究員，博士，主要從事結(jié)構(gòu)應(yīng)力監(jiān)測方向的研究。

1671-4598(2017)01-0005-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.002

TP391.9

A