基于區(qū)間段測量的分布式鎧裝光纖應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定

蘇維偉 鄧康慶 鄧清祿 李德勝 李仁和

摘要：在工程測量時，分布式鎧裝光纖往往需要輸入相應(yīng)的應(yīng)變系數(shù)進行監(jiān)測，然而很多廠家并沒有提供相關(guān)的參數(shù)?；诓祭餃Y光時域分析的分布式傳感系統(tǒng)原理，研制了一套鎧裝分布式光纖應(yīng)變系數(shù)測量裝置。該裝置的創(chuàng)新性在于提出并實現(xiàn)了“區(qū)間標(biāo)定法”，該方法規(guī)避了傳統(tǒng)的光纖應(yīng)變系數(shù)測量中夾具可能對光纖測試造成的干擾。應(yīng)用所研發(fā)裝置對兩個廠家的鎧裝光纖應(yīng)變系數(shù)進行測定試驗，結(jié)果表明：相較于傳統(tǒng)測試方法，區(qū)間標(biāo)定法能夠獲得更為準(zhǔn)確的測量結(jié)果。

關(guān) 鍵 詞：鎧裝光纖; 應(yīng)變系數(shù); 區(qū)間標(biāo)定; 布里淵光時域分析; 光纖標(biāo)定裝置

中圖法分類號： X924.2;TP212

文獻標(biāo)志碼： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.028

0 引 言

分布式光纖傳感技術(shù)是將光纖既作為傳感器又作為被測物體傳輸測量信號通道的感測技術(shù)[1]。相較于傳統(tǒng)監(jiān)測手段來說，它具有分布式、長距離、抗干擾、抗腐蝕等優(yōu)點，近年來被廣泛應(yīng)用在滑坡[2-3]、古建筑保護[4]、土木工程[5-6]、隧道工程[7]、邊坡工程[8-9]、水利樞紐[10]等巖土工程和大型結(jié)構(gòu)物的健康安全監(jiān)測中。目前較為常見的幾種光纖傳感技術(shù)包括：布里淵光時域反射技術(shù)（BOTDR）、拉曼散射光時域反射技術(shù)（ROTDR）、布里淵光時域分析技術(shù)（BOTDA）等[11-13]。本文涉及的是布里淵光時域分析技術(shù)（BOTDA），其光纖產(chǎn)生的布里淵散射光的頻移變化與應(yīng)變和溫度變化之間具有線性關(guān)系[14]。為使光纖傳感技術(shù)更好地適應(yīng)工程實際環(huán)境，目前市場上推出了多種類型的鎧裝光纖，但由于廠家、生產(chǎn)工藝等不同，不同類型的鎧裝光纖應(yīng)變系數(shù)（包括溫度系數(shù)）勢必存在差異，并且許多廠家都沒有給出應(yīng)變系數(shù)和溫度系數(shù)。因此，將傳感光纖布設(shè)于實際工程中之前，需要對傳感光纖應(yīng)變系數(shù)和溫度系數(shù)進行標(biāo)定。

目前已報道的光纖應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定方法有等強度梁法、定荷拉伸法、定點拉伸法等。等強度梁法[15]是將光纖用聚苯乙烯粘貼在等強度梁上，通過等強度梁的真實應(yīng)變與布里淵頻率變化值計算光纖應(yīng)變系數(shù)。定荷拉伸法是將一端光纖固定，另一端繞過定滑輪懸掛砝碼，根據(jù)砝碼重量和光纖模量，得出應(yīng)變值，再通過布里淵頻率計算出應(yīng)變系數(shù)。定點拉伸標(biāo)定法[16-17]則是將光纖固定在兩端的夾具上，控制滑臺的位移量，計算應(yīng)變變化與布里淵頻率關(guān)系從而得出光纖的應(yīng)變系數(shù)。也有一些學(xué)者提出了較新穎的標(biāo)定方法：呂安強等[18]將光纖纏繞在經(jīng)過細(xì)刻的金屬管上，根據(jù)金屬管熱脹的特性，放置水浴中逐級加熱求得光纖應(yīng)變與布里淵頻率的關(guān)系，計算應(yīng)變系數(shù);安鵬舉等[19]結(jié)合定點拉伸法并運用數(shù)字圖像標(biāo)定的方法來測定光纖應(yīng)變系數(shù)。

上述這些標(biāo)定方法大多適用于裸纖的標(biāo)定，而鎧裝光纖通過將光纖植入到鋼索、金屬帶、玻璃鋼、碳纖維、聚乙烯等加強材料來保護纖芯，大大提高了抗拉強度，因此，鎧裝光纖標(biāo)定需要考慮如何提供較大的拉伸力。拉伸裸纖時通常使用膠粘劑粘貼裸纖兩端就足以固定，但對于鎧裝光纖而言則需要采用夾具來固定，這需保證光纖固定時在拉伸過程中信號傳輸良好，且不易產(chǎn)生滑脫。在測量時，光纖在拉伸中因受力變化量和被夾具固定部分的變化量不同，會造成光纖測量誤差。本文基于布里淵光時域分析（BOTDA）技術(shù)，研制一套分布式鎧裝光纖應(yīng)變測試裝置，采用區(qū)間段測量法，規(guī)避夾具固定部位可能對光纖測試結(jié)果帶來的影響，并選取兩種類型的鎧裝光纖進行測試，從而驗證此標(biāo)定方法的可行性。

1 基于BOTDA的分布式光纖傳感系統(tǒng)簡介

如圖1所示，基于BOTDA的分布式光纖傳感技術(shù)工作原理是將脈沖光和連續(xù)光分別從光纖兩端注入，根據(jù)受激布里淵的特性，當(dāng)泵浦光與探測光在光纖某段區(qū)域內(nèi)布里淵頻移相等時，泵浦光與探測光之間便會發(fā)生能量轉(zhuǎn)移，進而產(chǎn)生布里淵效應(yīng)。因此通過對兩個激光器的頻率連續(xù)調(diào)節(jié)，來檢測光纖一端耦合的探測光的光功率，便能確定光纖各區(qū)域上能量轉(zhuǎn)移達到的最大頻率差，這種頻率差和光纖的自身頻率的應(yīng)變和溫度呈良好的線性關(guān)系[14]，其關(guān)系可以用式（1）表示：

νε，T=νε0，T0+νε，TεΔε+νε，TTΔT（1）

式中：νε0，T0是光纖初始狀態(tài)下的布里淵頻移，νε，T為光纖溫度與應(yīng)變變化后的布里淵頻移，Δε是應(yīng)變變化量，ΔT是溫度變化量，νε，Tε和νε，TT分別對應(yīng)應(yīng)變系數(shù)和溫度系數(shù)。所以，基于BOTDA的分布式光纖測試時，需要形成一條完整回路，才能檢測到布里淵頻率的變化。其中應(yīng)變系數(shù)和溫度系數(shù)均與光纖的材料、工藝有關(guān)，以常見的G652緊包單模光纖為例，其應(yīng)變系數(shù)在0.05 MHz/με左右，而溫度系數(shù)在1 MHz/με左右。

2 標(biāo)定原理

布里淵頻移會受到應(yīng)變和溫度的影響，但只要控制在恒定環(huán)境下，如變化在5 ℃以內(nèi)，對于布里淵頻率的影響不大。因此，溫度作為次要因素可以暫時不作考慮，則式（1）可以簡化為

νε，T=νε0，T0+νε，TεΔε（2）

通過BOTDA光納儀可以準(zhǔn)確測得光纖變化前后的布里淵頻移，只要精確測量光纖變化前后的應(yīng)變量，就能夠得到光纖的應(yīng)變系數(shù)。

而光纖應(yīng)變量可根據(jù)應(yīng)變的物理定義求得，即光纖變化前后的長度變化量占光纖初始長度的百分比，如（3） 式所示：

ε=ΔLL0×100%（3）

式中：L0為測量段光纖初始長度，ΔL為光纖的變化量。因此只需讀出每次光纖變化量即可求出應(yīng)變。

3 試驗方案

3.1 壓塊固定端調(diào)整

壓塊的松緊會對光纖測量有一定的影響，過緊易造成應(yīng)力集中使光纖信號減弱，從而影響光纖監(jiān)測，而過松則會造成鎧裝光纖拉伸過程出現(xiàn)滑脫。為此，需確定如何固定光纖，取長約1 m的光纖無任何防護地放置在壓塊中（見圖2），通過數(shù)顯扳手調(diào)節(jié)壓塊上的螺絲，每次調(diào)節(jié)以0.5 N·m的扭矩增加，共計測試4組，每組用光納儀測定應(yīng)力變化，結(jié)果如圖3所示。可以看出其在5 N·m時數(shù)據(jù)開始異常波動，且在5.5 N·m時已無法測試，但回路仍舊有光信號，說明光纖受到的應(yīng)力較為集中使得壓塊段光傳輸強度降低。

為防止壓塊受力不均勻，采用橡膠墊進行緩沖（見圖4），其余步驟同無防護時一樣，測得應(yīng)變變化如圖5所示。光纖可承受應(yīng)變從5 N·m扭矩增至11 N·m，光纖應(yīng)變也呈現(xiàn)出逐漸增大的態(tài)勢，但超過11 N·m后同樣也出現(xiàn)光信號變?nèi)鯚o法測試，但其承受的壓力比無防護大一倍左右?？赡苁怯捎谙鹉z墊使得光纖與壓塊兩端得以緩沖以及受力更加均勻所致。

但實際拉伸測試中仍然發(fā)現(xiàn)有光纖滑脫的情況，且在有護墊防護下超過6 N·m扭矩會出現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失失真。因此采用鎧裝光纖鋼絞線絞合螺母，并用環(huán)氧樹脂粘接為一體頂至壓塊（見圖6），并采用6 N·m扭矩壓緊的方式固定光纖進行后續(xù)試驗。

3.2 區(qū)間段測量

定點拉伸分布式鎧裝光纖時，其應(yīng)變系數(shù)的精度與應(yīng)變測量準(zhǔn)確度息息相關(guān)。光纖在拉伸過程中光纖整體應(yīng)變不是均一的，尤其在兩個固定端受影響較大，這是由于固定端所感測的布里淵散射光除了來自拉伸產(chǎn)生的應(yīng)變外也有一部分是受到壓塊壓力而產(chǎn)生的。為避免固定端影響整體鎧裝光纖應(yīng)變標(biāo)定，采用區(qū)間段測量的方法，即在鎧裝光纖上取1 m的區(qū)段范圍作為觀測對象，此區(qū)間段需遠(yuǎn)離固定端，為保險起見，選取距固定端1 m以上的光纖段。在這1 m區(qū)間標(biāo)定段光纖的兩端分別安裝位移傳感器記錄其位移數(shù)據(jù)。拉伸時，沿拉伸方向兩端的位移傳感器記錄數(shù)據(jù)不相同，如圖7所示，只需將兩個位移相減即可得到區(qū)間段的位移變化，實際效果如圖8所示。同時為做對比，專門安裝一個位移傳感器來監(jiān)測全長位移變化。

3.3 試驗步驟

為驗證標(biāo)定臺及測量方案的可靠性，本文采用蘇州南智傳感有限公司生產(chǎn)的型號為NZS-DSS-C02鎧裝光纖和長飛公司生產(chǎn)的型號為GJYJY-1B1.3鎧裝應(yīng)變光纜。南智產(chǎn)品其出廠應(yīng)變系數(shù)為0.049 9 MHz/με，而長飛公司并未給出相關(guān)系數(shù)。試驗裝置如圖9所示，通過步進電機調(diào)節(jié)光纖受力，分別讀取區(qū)間標(biāo)定段的兩個位移傳感器和全光纖位移傳感器的讀數(shù)，同時用基于BOTDA的neubrex-6050型號光納儀測試其光纖的布里淵頻移。最后將區(qū)間段應(yīng)變結(jié)果和總長段應(yīng)變結(jié)果分別與相應(yīng)的受拉段布里淵頻移進行擬合，便可獲得應(yīng)變系數(shù)。具體步驟如下：

（1） 取一段長8.5 m的蘇州南智傳感鎧裝光纖，分別在尾端兩側(cè)50 cm處剝離出鋼絞線，絞合螺母呈放射狀，用環(huán)氧樹脂將鋼絞線和螺母粘接為一體，靜置24 h。

（2） 將處理好的光纖沿測試臺纏繞，兩端固定在壓塊上，并以6 N·m的扭矩旋緊螺絲，控制步進電機使鎧裝光纖處于輕微繃直狀態(tài)，作為位移數(shù)據(jù)初始值。在距固定端1 m的光纖標(biāo)定段前后分別安裝位移傳感器。兩傳感器間距為1 m，分別記錄兩傳感器的數(shù)據(jù)。

（3） 控制步進電機每次以1 mm幅度的步進，記錄標(biāo)定段的兩位移傳感器數(shù)據(jù)和全位移段傳感器數(shù)據(jù)，同時記錄光纖在每次拉伸時的布里淵頻移。

（4） 將標(biāo)定段兩位移傳感器做差然后除以區(qū)間段長度（1 m）作為鎧裝光纖區(qū)間標(biāo)定應(yīng)變值。將全長段位移傳感器除以光纖拉伸段全長作為鎧裝光纖全長段應(yīng)變值。分別與相應(yīng)段的布里淵頻移作最小二乘擬合，則可分別獲得區(qū)間段和全長段的應(yīng)變系數(shù)。

長飛鎧裝光纜處理同上步驟。光納儀的采樣間隔為5 cm，空間分辨率為10 cm。

4 試驗結(jié)果與討論

4.1 NZS-DSS-C02光纖傳感

用全位移傳感器記錄的位移數(shù)據(jù)測算出光纖的應(yīng)變量，同光纖每次布里淵頻移均值擬合，獲得鎧裝光纖全長段的應(yīng)變系數(shù)結(jié)果如圖10所示，其中圓點代表原始數(shù)據(jù)，黑色虛線代表趨勢線。

從圖10可知，3組試驗光纖擬合優(yōu)度分別為0.986 2，0.994 1，0.984 8，其應(yīng)變系數(shù)分別0.027 5，0.030 6，0.030 2 MHz/με，可以看出其與廠家給出的鎧裝應(yīng)變系數(shù)相差較大。

區(qū)間段試驗結(jié)果如圖11所示，3次試驗擬合優(yōu)度在0.998 1，0.998 1，0.993 7下的應(yīng)變系數(shù)分別為0.049 9，0.050 0，0.049 7 MHz/με，平均應(yīng)變系數(shù)在0.049 8 MHz/με左右，整體呈線性變化，這與廠家的鎧裝應(yīng)變系數(shù)0.049 9 MHz/με極為相近。

上述試驗說明光纖在拉伸過程中，其應(yīng)變和布里淵頻率變化是不一致的，靠近推頭處和受固定端處由于應(yīng)力較為集中，拉伸時變化量較中間段變化快，會出現(xiàn)兩端區(qū)域的布里淵頻移增幅速度小于應(yīng)變變化量的現(xiàn)象。另外，固定端處因空間分辨率原因所采集的布里淵頻移值既包括有伸長端的也包括有固定端的，導(dǎo)致全長段測量結(jié)果和區(qū)間段出現(xiàn)差異。而通過區(qū)間段測量，規(guī)避了兩端的應(yīng)力和分辨率的影響，能夠較為真實地反映光纖應(yīng)變和布里淵頻率的變化關(guān)系。即便光纖在后期應(yīng)力拉伸較大的情況下，固定端產(chǎn)生了滑移，由于區(qū)間段是相對測量，仍可以較好地消除影響。等強度梁法應(yīng)變測量范圍一般在1 500 με 左右，而本試驗拉伸范圍區(qū)間段基本上能達到4 000 με 以上，可以在更大程度上消除因為小范圍測試所帶來的片面性，所測的區(qū)間段的NZS-DSS-C02鎧裝光纖應(yīng)變系數(shù)為0.049 8 MHz/με，符合廠家所給出的應(yīng)變系數(shù)值，這些都很好地反映出本裝置的有效性和可行性。

4.2 GJYJY-1B1.3光纖傳感

長飛鎧裝光纖全長段測試結(jié)果如圖12所示，3組試驗擬合的應(yīng)變系數(shù)分別為0.032 3，0.032 0，0.032 6 MHz/με，而區(qū)間段擬合結(jié)果如圖13所示，應(yīng)變系數(shù)為0.047 1，0.047 3，0.047 5 MHz/με，無論是全長段還是區(qū)間段都呈線性。

從GJYJY-1B1.3試驗結(jié)果看，其全長段與區(qū)間段同NZS-DSS-C02一樣，存在明顯差異，全長段測試結(jié)果均值在0.032 3 MHz/με，同傳統(tǒng)應(yīng)變系數(shù)值相差過大，而區(qū)間段測試結(jié)果在0.047 3 MHz/με，也比較符合傳統(tǒng)應(yīng)變系數(shù)，這進一步說明區(qū)間段測量能規(guī)避全長段因固定端所帶來的測量誤差影響，而且從試驗結(jié)果上看，不同廠家生產(chǎn)的光纖其應(yīng)變系數(shù)也是存在差異的。

5 結(jié) 論

（1） 鎧裝光纖的應(yīng)變系數(shù)呈線性關(guān)系，鎧裝光纖拉伸過程并非是均一拉伸，通過區(qū)間段測量能有效避免固定端帶來的影響。

（2） 光纖受力過大時易造成應(yīng)力集中，即便仍為通路，但信號質(zhì)量會受到影響，從而影響光纖測量，造成數(shù)據(jù)失真或者無法測量，這也是在工程測量時，回路信號可以觀察到光信號卻無法采集數(shù)據(jù)的原因。

（3） 不同廠家所生產(chǎn)的鎧裝光纖是存在差異的，本試驗所測得長飛GJYJY-1B1.3鎧裝光纖的應(yīng)變系數(shù)為0.047 3 MHz/με。

（4） 通過光纖應(yīng)變試驗所得擬合曲線與實際情況相符，且相較于等強度梁方法而言，應(yīng)變拉伸范圍更廣，驗證了本標(biāo)定裝置的有效性，其可用于標(biāo)定其他廠家的鎧裝光纖的應(yīng)變系數(shù)。

參考文獻：

[1] 劉德明，孫琪真.分布式光纖傳感技術(shù)及其應(yīng)用[J].激光與光電子學(xué)進展，2009，46（11）：29-33.

[2] 萬飛，鄧清祿，張申，等.基于BOTDA的光纖傳感技術(shù)在抗滑樁變形監(jiān)測中的應(yīng)用[J].安全與環(huán)境工程，2014，21（3）：36-40.

[3] 易賢龍，唐輝明，吳益平，等.PPP-BOTDA分布式光纖技術(shù)在白水河滑坡監(jiān)測中的應(yīng)用[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2016，35（增1）：3084-3091.

[4] 時以亮，倪斌，施斌，等.北京故宮東華門城臺分布式光纖監(jiān)測研究[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2015，35（5）：637-643.

[5] 雷運波.光纖傳感技術(shù)在土木工程中的應(yīng)用[D].成都：四川大學(xué)，2005.

[6] 韋超群，鄧清祿.基于分布式光纖技術(shù)的路基沉降監(jiān)測應(yīng)用研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2020，28（5）：1091-1098.

[7] 張馳.蘇州地鐵盾構(gòu)隧道結(jié)構(gòu)變形分布式光纖監(jiān)測技術(shù)研究[D].南京：南京大學(xué)，2015.

[8] 王寶軍，施斌.邊坡變形的分布式光纖監(jiān)測試驗研究及實踐[J].防災(zāi)減災(zāi)工程學(xué)報，2010，30（1）：28-34.

[9] 劉永莉.分布式光纖傳感技術(shù)在邊坡工程監(jiān)測中的應(yīng)用研究[D].杭州：浙江大學(xué)，2011.

[10] 秦華康，趙春菊，周宜紅.基于分布式光纖測溫的拱壩施工期溫度突變識別[J].人民長江，2017，48（9）：61-64.

[11] BAO Y，TANG F，CHEN Y，et al.Concrete pavement monitoring with PPP-BOTDA distributed strain and crack sensors[J].Smart Structures & Systems，2016，18（3）：405-423.

[12] ZHOU D P，LI W，CHEN L，et al.Distributed temperature and strain discrimination with stimulated Brillouin scattering and rayleigh backscatter in an optical fiber[J].Sensors，2013，13（2）：1836-1845.

[13] 黃文發(fā)，汪小超，王江峰，等.單模光纖中受激布里淵散射的溫度特性[J].中國激光，2013，40（4）：116-121.

[14] PARKER T R.Temperature and strain dependence of the power level and frequency of spontaneous Brillouin scattering in optical fibers[J].Optics Letters，1997，22（11）：787-789.

[15] 索文斌，施斌，張巍，等.基于BOTDR的分布式光纖傳感器標(biāo)定實驗研究[J].儀器儀表學(xué)報，2006，27（9）：985-989.

[16] LI Y，BAO X，DONG Y，et al.A novel distributed Brillouin sensor based on optical differential parametric amplification[J].Journal of Lightwave Technology，2010，28（18）：2621-2626.

[17] UCHIDA S，LEVENBERG E，KLAR A.On-specimen strain measurement with fiber optic distributed sensing[J].Measurement，2015，60：104-113.

[18] 呂安強，李永倩，李靜，等.分布式傳感光纖應(yīng)變和溫度同時標(biāo)定方法[J].光子學(xué)報，2014，43（12）：110-114.

[19] 安鵬舉，鄧清祿，薛俊卓，等.分布式光纖應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定方法與試驗[J].安全與環(huán)境工程，2019，26（5）：143-149.

（編輯：鄭 毅）

Strain coefficient calibration of distributed armored optical fiber based on interval measurement

SU Weiwei1，DENG Kangqing1，DENG Qinglu1，LI Deisheng2，LI Renhe2

（1.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Abstract：

In engineering measurement，it is necessary to input the corresponding strain coefficient of distributed armored optical fiber for engineering monitoring，but many manufactures do not provide relevant parameters.Based on the principle of distributed sensing system of Brillouin optical time domain analysis，a strain coefficient measuring device for distributed armored optical fiber was developed.Compared with the traditional measurement of optical fiber strain coefficient，the innovation of the device lies in proposing and realizing an interval calibration method，which avoids the interference caused by fixture during the process of stretching the fiber.In this paper，the developed device was used to measure the strain coefficient of armored optical fiber from two manufacturers.The research results show that the interval calibration method can obtain more accurate measurement results than traditional methods.

Key words：

armored optical fiber;strain coefficient;interval calibration;Brillouin optical time domain analysis;optical fiber calibration device