分布式光纤应变传感器率定方法和仪器.pdf

分布式光纤应变传感器目前广泛用于土木、水利、交通、石化、电力、医疗、机械、动力、船舶、航空、航天等各领域。本发明公开了一种用于分布式光纤应变传感器基本性能参数指标率定的专用仪器。该仪器由等强度悬臂梁、温度补偿板、静力加载系统、动力加载系统、动静态应变参考测量系统、三点挠度测量系统以及数据分析软件等7部分构成。对于待率定的分布式光纤应变传感器，本率定仪可以分别施加静力荷载或动力荷载，用以率定静态应变测量时的线性相关系数、应变系数、测量误差范围、测量精度、测量重复性指标；动态应变测量时的采样频率与实时性；以及静态挠度测量时的测量误差。以上率定参数指标可用于分布式光纤传感器测试数据的分析、处理与评估。

1、  分布式光纤应变传感器率定方法，其特征是设有等强度悬臂梁和温度补偿块，梁悬臂顶即端部以内10mm左右有一刀口，用来悬挂静力加载，刀口以内有长度约为80-150mm的矩形梁体，用来传递静力荷载；其后为等强度悬臂梁的有效长度，梁体沿轴向的形状为T形，即一头大一头小，在梁体上表面中轴线标有刻度，用于分布式光纤传感器位置，即安装单模紧套光纤或经过封装后的单模紧套光纤或点式封装的光纤光栅，将待率定的单模紧套光纤用胶粘材料分布固定于等强度梁梁体上、下表面，光纤一端再用相同的胶粘材料固定于温度补偿块表面，另一端接入用于解调分布式光纤应变传感器的解调系统：先用分布式光纤应变计解调仪采集分布式光纤应变传感器的初始应变值；同时用动静态应变仪采集电阻应变计的初始应变值，如果是静载率定，还需要调节或记录三点挠度计上百分表或千分表的初始值；然后逐级加载，逐次采集或记录分布式光纤应变传感器、电阻应变计以及三点挠度仪的读数，用挠度计上百分表或千分计率定静载下的曲率；如果是动载率定，用动力加载系统使梁体产生振动，用动静态应变仪采集电阻应变计的动态应变谱，用分布式光纤应变传感器解调仪采集分布式光纤应变传感器的动态应变谱，比较分析两者可以得到待率定的分布式光纤应变传感器的采样频率并对其实时性作出评价，并从所测得的总的分布式光纤应变值中加以扣除温度补偿段的应变值，以去除温度变化的影响。

2、  由权利要求1所述的分布式光纤应变传感器率定方法，其特征是在静力荷载下，重复多次用分布式光纤应变传感器采集等强度梁的应变值，得到待率定的分布式光纤应变传感器的测量误差、测量精度与重复性指标。

3、  由权利要求1所述的分布式光纤应变传感器率定方法，其特征是等强度悬臂梁的有效梁体长度取决于本率定仪所适用的各种分布式光纤应变传感器能满足的最小空间分解度的最大值。

4、  分布式光纤应变传感器率定仪器，其特征是包括：设定的等强度悬臂梁、温度补偿板、静力加载系统、动力加载系统、动静态应变仪或参考测量系统、三点挠度测量系统构成：
等强度悬臂梁由一片梁体、两只支承柱脚、一块支承压块、一副底座、三只底座调平螺栓以及三只气泡水平器所组成；三点挠度测量系统包括一副固定刀架与一只百分表或千分表，固定刀架有两个刀口，放置在梁体上表面，百分表的表杆深入刀架中间的固定孔，当梁体发生挠曲变形后，百分表会测得等强度梁体上表面任意一点的挠曲位移，并且由于上表面各点应变相同，所以梁体上表面任意一点的挠曲位移都相同；
温度补偿板为一块长度约为1,000mm的正方形钢板，材料与梁体相同。用来测量环境温度变化所引起的分布式光纤应变值；静力加载系统为一只挂钩与一系列砝码；挂钩挂在悬臂梁顶端的刀口上，挂钩底部为一支承圆盘，砝码可以逐级挂在该圆盘上以施加静力荷载；动力加载系统为质量块与直流电源，质量块悬挂在等强度悬臂梁体上，接入直流电源后，质量块会以一定的频率振动，并带动梁体以相同的频率振动，调节直流电源的电压，可以调节梁体的振幅，进而调节梁体的动态应变值的大小；动静态应变参考测量系统包括若干片电阻应变计与一台动静态应变测试分析系统；电阻应变计沿梁体轴线均匀布置在梁上、下表面，并在温度补偿板上布置若干用于补偿用的电阻应变计，具体布置取决于动静态应变测试分析系统所采用的桥路形式，上述应变片由RS-232接口与PC相连，由数据采集软件直接采集得到应变信号，它与分布式光纤应变传感器所采用的测量系统同步工作，得到两种传感器各自测量所得的两组应变值。

分布式光纤应变传感器率定方法和仪器
一、技术领域
本发明属于对应变的光电信号监测和分析技术领域，尤其是分布式光纤应变传感器率定方法和仪器。
二、技术背景
在土木、水利、交通、石化、电力、医疗、机械、动力、船舶、航空、航天等领域，应变是监测、控制工程结构或仪器设备工作状态的重要参数之一。对应变值的测量，传统技术多采用电子应变传感装置(如电阻应变计、振弦式应变传感器、差动电阻式应变计等)，各类电子应变传感器普遍存在着耐久性差、零点漂移、带电工作、易受电磁干扰等缺陷，近年来随着光电技术的发展，出现了光纤传感技术，它以光作为采集信号的载体，以光纤作为传递光信号的介质，具有耐久性好、无零点漂移、不带电工作、抗电磁干扰、传输带宽大等突出优点，特别是其中的分布式光纤传感技术，可以实现对待测参数的连续分布式或准分布式测量，为传统电子应变传感技术难以企及的，因此目前在上述各个应用领域中，分布式光纤应变传感系统正在逐步取代电子应变传感系统。
采用分布式光纤应变传感器进行应变测量前，必须先对光纤应变传感器的基本参数(线性相关系数、应变系数、传感器精度、重复性、动应变采集频率等)进行率定(标定)。现有的标定方法和标定仪器的项目不全，尤其是基于布里渊光时域反射计的分布式式光纤应变传感器未见有工程上规模应用，未见有其标定的方法。
三、发明内容
分布式光纤应变传感器率定方法，设有等强度悬臂梁和温度补偿块，梁悬臂顶即端部以内10mm左右有一刀口，用来悬挂静力加载，刀口以内有长度约为80-150mm的矩形梁体，用来传递静力荷载；其后为等强度悬臂梁的有效长度，一般大于1,000mm。梁体沿轴向的形状为T形，即一头大一头小，在梁体上表面中轴线标有刻度，用于分布式光纤传感器位置的确定，即安装单模紧套光纤或经过封装后的单模紧套光纤或点式封装的光纤光栅，将待率定的单模紧套光纤用胶粘材料分布固定于等强度梁梁体上、下表而，光纤一端再用相同的胶粘材料固定于温度补偿块表面，另一端接入用于解调分布式光纤应变传感器相应的解调设备：先用该解调设备采集分布式光纤应变传感器的初始应变值；同时用动静态应变仪采集电阻应变计的初始应变值，如果是静载率定，还需要调节或记录三点挠度计上百分表或千分表的初始值；然后逐级加载，逐次采集或记录分布式光纤应变传感器、电阻应变计以及三点挠度仪的读数，用挠度计上百分表或千分计率定静载；同时用动力加载系统使梁体产生振动，用动静态应变仪采集电阻应变计的动态应变谱，用动静态应变仪采集电阻应变计率定动载，比较分析两者的动态应变谱可以得到待率定的分布式光纤应变传感器的采样频率并对其实时性作出评价。以上分布式光纤应变传感器的解调系统所测得的应变值，还需扣除温度补偿板部分的应变值，得到梁体的实际应变值。
在静力荷载下，重复多次用分布式光纤应变传感器采集等强度梁的应变值，得到待率定的分布式光纤应变传感器的测量误差、测量精度与重复性指标。
仪器的构成如下：根据功能，本发明仪器由7部分组成，包括：①等强度悬臂梁②温度补偿板③静力加载系统④动力加载系统⑤动静态应变参考测量系统⑥三点挠度测量系统⑦数据分析软件。
等强度悬臂梁由一片梁体、两只支承柱脚、一块支承压块、一副底座、三只底座调平螺栓以及三只气泡水平器所组成。
等强度悬臂量梁的有效梁体长度取决于本率定仪所适用的各种分布式光纤应变传感器能满足的最小空间分解度的最大值。梁顶以内10mm左右有一刀口，用来悬挂静力加载系统，刀口以内有长度约为133mm的矩形梁体，用来传递静力荷载；其后为等强度悬臂梁的有效长度，一般大于1,000mm。梁体沿轴向的形状为T形，采用这一形状能够保证悬臂梁在加载发生变形后，梁体顶而受拉，底面受压，顶面各点所产生的拉应变值处处相等，而底面各点所产生的压应变值也处处相等。梁体根部固定部分长度约为80mm，该部分确保悬臂梁体能够承受静、动力荷载。梁体材料采用锰钒合金钢。梁体上表面中轴线标有刻度，用于分布式光纤传感器位置的确定。两支承柱脚高度由悬臂梁在荷载下发生的最大挠曲变形所决定。悬臂梁体与两柱脚由支承压板相互固定。本等强度悬臂梁底座为梯形，三个顶点下面分别固定三只底座调平螺栓，可以根据底座三边中点的气泡水平器中气泡是否居中来调平底座以及梁而。
温度补偿板为一块长度约为1,000mm的正方形钢板，材料与梁体相同。用来测量环境温度变化所引起的分布式光纤应变值，并从所测得的总的分布式光纤应变值中加以扣除，以去除温度变化的影响。
静力加载系统为一只挂钩与一系列砝码。挂钩挂在悬臂梁顶端的刀口上，挂钩底部为一支承圆盘，砝码可以逐级挂在该圆盘上以施加静力荷载。
动力加载系统为质量块与直流电源，质量块悬挂在等强度悬臂梁体上，接入直流电源后，质量块会以一定的频率振动，并带动梁体以相同的频率振动，调节直流电源的电压，可以调节梁体的振幅，进而调节梁体的动态应变值的大小。
动静态应变参考测量系统包括若干片电阻应变计与一台动静态应变测试分析系统。电阻应变计沿梁体轴线均匀布置在梁上、下表面，并在温度补偿板上布置若干用于补偿用的电阻应变计，具体布置取决于动静态应变测试分析系统所采用的桥路形式。动静态应变参考测量系统由RS-232接口与PC相连，由数据采集软件直接采集得到应变信号，它与分布式光纤应变传感器所采用的测量系统同步工作，得到两种传感器各自测量所得的两组应变值。
三点挠度测量系统用来测量梁体在静力荷载下所产生的挠度，包括一副固定刀架与一只百分表或千分表，固定刀架有两个刀口，放置在梁体上表面，百分表的表杆深入刀架中间的固定孔，当梁体发生挠曲变形后，百分表会测得等强度梁体上表面任意一点的挠曲位移，并且由于上表面各点应变相同，所以梁体上表面任意一点的挠曲位移都相同。根据梁体端部垂直挠度与梁体弯曲挠度的对应函数，可以换算出梁体端部的垂直挠度，并以此作为分布式光纤传感器测量所得分布式应变换算得到梁体端部的垂直挠度地率定参考值。以上也是数据分析软件编制的主要依据。
本发明的优点是：本发明方法和仪器是一种专门用于率定分布式光纤应变传感器基本参数的方法和仪器，普遍适用于通讯用单模光纤或封装后的单模光纤以及点式封装的光纤光栅等各种分布式光纤应变传感器基本参数的率定。本率定仪可实现工业标准化生产，有助于推动分布式光纤应变传感技术的应用。具有耐久性好、无零点漂移、不带电工作、抗电磁干扰、传输带宽大、测试温度范围广等突出优点。
四、附图说明
图1为分布式光纤应变传感器率定仪组成结构图。
图2为等强度梁梁体平面图。
图3为分布式光纤应变传感器在率定仪上的布置示意图，以单模紧套光纤传感器与布里渊光时域反射计为例。
图4是本发明率定仪测得线性拟合曲线及相关系数。
五、具体实施方案
下面以通讯用单模紧套光纤作为分布式光纤应变传感器为例，说明本率定仪的具体使用方案，但本仪器的使用不限于此。
(一)、分布式光纤应变传感器的布设
基于布里渊光时域反射计的分布式式光纤应变传感器可以直接采用通讯上的单模紧套光纤，也可以采用经过封装后的单模紧套光纤。将待率定的单模紧套光纤用指定的胶粘材料分布固定于等强度梁梁体上、下表面，光纤一端再用相同的胶粘材料固定于温度补偿块表面，另一端接入用于解调分布式光纤应变传感器的布里渊光时域反射计。如图3所示。
(二)、采集初始值
在施加率定荷载前，首先用光时域反射计采集分布式光纤应变传感器的初始应变值；同时用动静态应变仪采集电阻应变计的初始应变值，如果是静载率定，还需要调节或记录三点挠度计上百分表的初始值。
(三)、静载率定
1)相关系数、应变系数与挠度测量误差
将砝码逐个挂上等强度梁挂钩，并逐次采集或记录分布式光纤应变传感器、电阻应变计以及三点挠度仪的读数。根据所采集的各级荷载下的读数，可分析得到分布式光纤应变传感器与电阻应变计所测得等强度梁应变值的相关系数以及待率定的分布式应变传感器的应变系数。采用分析软件将分布式应变转换为等强度梁挠度，同时将三点挠度仪测得弯曲位移转换为等强度梁挠度，可以得到挠度测量误差范围。
2)测量误差、测量精度与重复性指标
在某级静力荷载下，重复多次用分布式光纤应变传感器采集等强度梁的应变值，通过数理统计分析，可以得到待率定的分布式光纤应变传感器的测量误差、测量精度与重复性指标。
(四)、动载率定
1)采样频率
用动力加载系统使梁体产生振动，用动静态应变仪采集电阻应变计的动态应变谱，同时以相同的采样频率采集分布式光纤应变传感器的动态应变谱，比较分析两者的动态应变谱可以得到待率定的分布式光纤应变传感器的采样频率并对其实时性作出评价。
(五)、测量量程与实测数据
本分布式光纤应变传感器率定仪的率定量程为±1000με，图4为逐级施加静载所得率定值的线性拟合曲线，曲线的相关系数为0.999。