分布式光纖應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定方法與試驗(yàn)

安鵬舉,鄧清祿,薛俊卓,何 開(kāi)

(中國(guó)地質(zhì)大學(xué)(武漢)工程學(xué)院,湖北 武漢 430074)

全分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)的基本原理為當(dāng)光纖受到外界應(yīng)力、溫度等環(huán)境因素影響時(shí),光纖中傳輸?shù)墓獠ㄌ匦詤⒘咳缦辔弧㈩l率、偏振態(tài)等會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化,通過(guò)檢測(cè)這些參量的變化,就可以獲得外界被測(cè)參量的信息[1]。目前在巖土工程和結(jié)構(gòu)物健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛的全分布式光纖傳感監(jiān)測(cè)技術(shù)包括布里淵光時(shí)域反射(BOTDR)技術(shù)、布里淵光時(shí)域分析(BOTDA)技術(shù)、布里淵光頻域分析(BOFDA)技術(shù)[2-3]。布里淵散射光的頻移變化與光纖所受的軸向應(yīng)變和環(huán)境溫度之間存在線性關(guān)系[4],通過(guò)測(cè)量布里淵頻移,就可以得到光纖的軸向應(yīng)變和環(huán)境溫度信息。因此,在應(yīng)用光纖監(jiān)測(cè)之前,應(yīng)首先對(duì)所采用的光纖進(jìn)行應(yīng)變系數(shù)和溫度系數(shù)標(biāo)定。

光纖應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定的常規(guī)方法有三種：①等強(qiáng)度梁標(biāo)定法[5],該方法將光纖采用α-氰基丙烯酸乙酯(502膠)作為黏合劑緊密黏貼在等強(qiáng)度梁上,等強(qiáng)度梁的真實(shí)應(yīng)變以理論計(jì)算和應(yīng)變片測(cè)量值為雙重參考值,建立光纖應(yīng)變與布里淵頻移量的線性關(guān)系,以此求得光纖的應(yīng)變系數(shù)；②定荷拉伸法，該方法將光纖一端固定，另一端繞過(guò)定滑輪后懸掛砝碼，通過(guò)改變砝碼的重量來(lái)調(diào)節(jié)光纖的伸長(zhǎng)量，并根據(jù)光纖的彈性模量可計(jì)算出相應(yīng)的應(yīng)變量，進(jìn)而通過(guò)多組變量的線性擬合即可獲得光纖的應(yīng)變系數(shù)；③定點(diǎn)拉伸標(biāo)定法[6-10],該方法將光纖固定在滑臺(tái)兩端的光纖夾具上,精確測(cè)量?jī)蓨A具之間的距離,通過(guò)控制滑臺(tái)的位移量,建立光纖實(shí)際應(yīng)變與布里淵頻移的函數(shù)關(guān)系,進(jìn)而計(jì)算光纖的應(yīng)變系數(shù)。

較新穎的光纖應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定方法主要有呂安強(qiáng)等[11]提出的將光纖纏繞在表面精細(xì)刻槽的金屬管上,通過(guò)金屬管的穩(wěn)定線性膨脹求得光纖的實(shí)際應(yīng)變量,再與光纖傳感解調(diào)設(shè)備測(cè)得的布里淵頻移量建立線性關(guān)系,計(jì)算光纖的應(yīng)變系數(shù),這里暫命名為“金屬管膨脹法”；袁明等[12]提出了以定點(diǎn)拉伸為基礎(chǔ)的應(yīng)變系數(shù)自動(dòng)標(biāo)定系統(tǒng)和方法,通過(guò)讀取布里淵光時(shí)域反射計(jì)的布里淵頻移分布曲線,根據(jù)光纖原始長(zhǎng)度的估測(cè)值,依靠應(yīng)變區(qū)域識(shí)別算法確定應(yīng)變區(qū)域,并通過(guò)改變光纖的應(yīng)變長(zhǎng)度,利用光纖應(yīng)變系數(shù)分析算法計(jì)算出光纖理論應(yīng)變值以及實(shí)際布里淵頻移值,實(shí)現(xiàn)對(duì)光纖應(yīng)變系數(shù)的全自動(dòng)標(biāo)定。

上述方法在分布式光纖應(yīng)變系數(shù)的標(biāo)定中仍存在一定的局限性。等強(qiáng)度梁標(biāo)定法是將光纖黏結(jié)在等強(qiáng)度梁上,等強(qiáng)度梁的應(yīng)變通過(guò)固體膠傳遞給光纖,要求光纖為裸光纖,膠層必須盡可能的薄,但對(duì)于鎧裝光纖護(hù)套由于黏結(jié)層過(guò)厚,因此無(wú)法提供足夠的應(yīng)變傳遞；定荷拉伸法難以精確控制使光纖發(fā)生應(yīng)變的長(zhǎng)度,光纖與滑輪接觸段由于彎曲角度過(guò)大,容易導(dǎo)致光路損毀,另外對(duì)于鎧裝光纖需要較大的拉力使其發(fā)生應(yīng)變,而通過(guò)增加重物的方式不易實(shí)現(xiàn)；定點(diǎn)拉伸標(biāo)定法是目前行業(yè)內(nèi)應(yīng)用最多的光纖應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定方法,該方法具有結(jié)構(gòu)合理、易于實(shí)現(xiàn)、方便操作等優(yōu)點(diǎn),但其中關(guān)于光纖夾持段的誤差問(wèn)題未引起重視,對(duì)于裸光纖的標(biāo)定,一般采用環(huán)氧樹(shù)脂膠固定在滑動(dòng)臺(tái)或萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)兩端,對(duì)于鎧裝光纖一般采用特殊夾具對(duì)光纖進(jìn)行固定,以滑動(dòng)臺(tái)或萬(wàn)能材料試驗(yàn)機(jī)的位移作為拉伸變形長(zhǎng)度進(jìn)而計(jì)算其應(yīng)變值,但應(yīng)指出的是在拉伸過(guò)程中光纖的伸長(zhǎng)長(zhǎng)度由光纖受力變形伸長(zhǎng)長(zhǎng)度和光纖固定端部分固定膠或光纖護(hù)套變形伸長(zhǎng)長(zhǎng)度兩部分組成,而在以往的光纖標(biāo)定試驗(yàn)中未見(jiàn)有考慮固定膠或光纖護(hù)套變形所引起的標(biāo)定誤差問(wèn)題。為此，本文以定點(diǎn)拉伸標(biāo)定方法為基礎(chǔ),提出了一種改進(jìn)的確定光纖應(yīng)變系數(shù)的標(biāo)定方法,設(shè)計(jì)了研究方案,搭建了標(biāo)定試驗(yàn)系統(tǒng),并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該標(biāo)定方法的可行性和準(zhǔn)確性。

1 研究方案

采用定點(diǎn)拉伸法標(biāo)定分布式光纖應(yīng)變系數(shù)時(shí),為了提高標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性,應(yīng)確保光纖受拉段應(yīng)變測(cè)量的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)以滑臺(tái)的移動(dòng)距離作為光纖受拉段伸長(zhǎng)量的方法會(huì)產(chǎn)生誤差,因此本文提出以光纖受拉段內(nèi)部分長(zhǎng)度(小于受拉段長(zhǎng)度)作為標(biāo)定段,標(biāo)定段的左右兩端距相應(yīng)左右兩側(cè)光纖受拉固定端的距離以大于1/2空間分辨率長(zhǎng)度為宜。鎧裝光纖由于其所能承受的拉伸力較大,因此標(biāo)定段的應(yīng)變量可采用將引伸計(jì)/拉線位移傳感器固定在標(biāo)定段的兩端進(jìn)行量測(cè)的方法；而對(duì)于裸光纖、緊包光纖等由于其自身彈性模量較小,采用接觸式的量測(cè)方式可能會(huì)引入誤差,因此本文提出標(biāo)定段的應(yīng)變量可以采用數(shù)字圖像相關(guān)(DIC)方法進(jìn)行非接觸測(cè)量。整套光纖應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)裝置借鑒常規(guī)的拉伸臺(tái)結(jié)構(gòu),而在局部的測(cè)量方法上進(jìn)行了改進(jìn),其結(jié)構(gòu)形式見(jiàn)圖1。

圖1 光纖應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)裝置示意圖

空間分辨率(LSR)是表征測(cè)量系統(tǒng)能夠區(qū)分傳感光纖上相鄰兩個(gè)事件點(diǎn)的能力,由于每一時(shí)刻傳感光纖上獲得的信息實(shí)際上是某一段傳感光纖的信號(hào)積累,因此不是傳感光纖上任意無(wú)窮小段上的信息都能夠區(qū)分開(kāi)[13]。采用定點(diǎn)拉伸法標(biāo)定光纖應(yīng)變系數(shù)時(shí),光纖傳感解調(diào)設(shè)備在拉伸端附近所測(cè)得的布里淵散射光,一部分來(lái)自受拉段,一部分來(lái)自非受拉段,因此獲得的光纖應(yīng)變一般較真實(shí)值偏小[14]。圖2為空間分辨率對(duì)不同受拉長(zhǎng)度光纖所測(cè)得應(yīng)變值的影響,其中圖2(a)說(shuō)明在應(yīng)變區(qū)與非應(yīng)變區(qū)接觸段應(yīng)變段內(nèi)受影響長(zhǎng)度約為1/2空間分辨率(LSR/2)；圖2(b)和圖2(c)說(shuō)明當(dāng)光纖應(yīng)變段長(zhǎng)度(l)小于或等于空間分辨率(LSR)時(shí),光纖應(yīng)變測(cè)量結(jié)果必然小于真實(shí)值。綜上可見(jiàn)，在應(yīng)變區(qū)與非應(yīng)變區(qū)接觸段光纖應(yīng)變的測(cè)量結(jié)果總是會(huì)受到空間分辨率的影響,為了獲得較為準(zhǔn)確的測(cè)量結(jié)果,當(dāng)測(cè)量段的端點(diǎn)距拉伸端的距離大于1/2空間分辨率長(zhǎng)度時(shí),基本可以避開(kāi)空間分辨率對(duì)光纖應(yīng)變測(cè)量結(jié)果的影響[15]。因此，本文提出標(biāo)定段的兩端距光纖受拉端的距離要大于1/2空間分辨率長(zhǎng)度為宜。

圖2 空間分辨率對(duì)應(yīng)變段長(zhǎng)度的影響[14]

DIC方法是一種利用隨機(jī)模式的計(jì)算機(jī)圖像分析技術(shù),在固體和結(jié)構(gòu)實(shí)驗(yàn)力學(xué)中得到了廣泛的應(yīng)用,具有非接觸、全場(chǎng)性、對(duì)試驗(yàn)條件要求低、精度高等優(yōu)點(diǎn),是一種有效的應(yīng)變測(cè)量方法[16-17]。該方法通過(guò)攝像機(jī)采集圖像,并利用相關(guān)算法對(duì)圖像進(jìn)行處理,即可得到結(jié)構(gòu)表面的位移或應(yīng)變場(chǎng)信息。DIC方法的測(cè)量精度依賴于結(jié)構(gòu)表面圖案點(diǎn)質(zhì)量[18]、數(shù)字圖像的分辨率及清晰度以及相應(yīng)的圖像處理算法等。本試驗(yàn)中只需對(duì)標(biāo)定段光纖兩端標(biāo)記物的位移進(jìn)行測(cè)量,無(wú)需全光纖應(yīng)變長(zhǎng)度量測(cè),因此無(wú)需制作復(fù)雜的表面紋理特征,只需保證標(biāo)記物紋理與背景圖案具有明確的反差即可,在良好的光線條件下,采用普通相機(jī)進(jìn)行圖像采集,二維數(shù)字圖像相關(guān)算法即可滿足試驗(yàn)的要求。

2 標(biāo)定試驗(yàn)裝置與方法

2.1 標(biāo)定試驗(yàn)裝置

以G.652普通緊包光纖應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定為例進(jìn)行標(biāo)定試驗(yàn)裝置的介紹。本試驗(yàn)自制了一臺(tái)手動(dòng)光纖拉伸臺(tái)(見(jiàn)圖3)，拉伸臺(tái)總長(zhǎng)為1.5 m,有效行程1.2 m，通過(guò)手輪控制拉伸臺(tái)的位移,采用環(huán)氧樹(shù)脂膠將光纖黏合在滑塊表面,為保證最佳黏結(jié)效果固膠時(shí)間應(yīng)大于24 h后再進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。滑臺(tái)兩端滑塊位移采用千分表進(jìn)行測(cè)量。

圖3 光纖應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定試驗(yàn)裝置

于光纖標(biāo)定段兩端的光纖體上分別黏貼1.5 cm×1.5 cm的標(biāo)記薄片,在薄片下為1個(gè)5 cm×5 cm的金屬背景板,薄片及背景板表面具有一定的紋理特征，以便在DIC圖像處理中程序正確捕捉標(biāo)記點(diǎn),光纖、薄片、背景板三者緊黏在一起,在薄片上方為2臺(tái)攝像機(jī),感光器件為CMOS,有效像素為5 120×3 840。光纖解調(diào)設(shè)備為基于BOTDA的nuebrex-6050,最小空間分辨率為10 cm。

2.2 標(biāo)定方法

大量的理論和試驗(yàn)研究證明,分布式光纖中布里淵散射信號(hào)的布里淵頻移與光纖所處環(huán)境的溫度和承受的應(yīng)變呈線性變化關(guān)系,其計(jì)算公式如下[4]:

(1)

在室溫環(huán)境下,溫度的變化量小于0.5℃,典型的光纖溫度系數(shù)約為1.1 MHz/℃,引起布里淵頻移的變化小于0.55 MHz。典型的光纖應(yīng)變系數(shù)約為0.05 MHz/με[2],而本試驗(yàn)中光纖的應(yīng)變范圍約為0～20 000 με,將引起布里淵頻移變化約為1 000 MHz,故本試驗(yàn)中溫度是次要且不顯著的影響因素。因此,認(rèn)為本試驗(yàn)中布里淵頻移僅為光纖應(yīng)變的單一變量函數(shù)。

為了對(duì)比采用拉伸臺(tái)移動(dòng)距離作為計(jì)算準(zhǔn)則和本文提出的以標(biāo)定段伸長(zhǎng)量作為計(jì)算準(zhǔn)則的差異,本文將兩種標(biāo)定方法在一次試驗(yàn)中同時(shí)進(jìn)行。調(diào)節(jié)拉伸臺(tái)記錄千分表讀數(shù),攝像機(jī)連續(xù)記錄光纖上標(biāo)記薄片的位置變化,同時(shí)采用光纖傳感解調(diào)儀測(cè)量光纖受拉段相應(yīng)的布里淵頻移,將光纖應(yīng)變結(jié)果與光纖受拉段布里淵頻移進(jìn)行線性擬合，即可獲得光纖的應(yīng)變系數(shù)。本試驗(yàn)具體步驟如下:

(1) 將光纖受拉點(diǎn)采用環(huán)氧樹(shù)脂膠黏合在滑塊上,靜置24 h后再進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。

(2) 控制滑臺(tái)使光纖初始處于輕微的受拉狀態(tài),以此作為光纖應(yīng)變計(jì)算的起始值,量測(cè)兩滑臺(tái)之間受拉段的距離La以及標(biāo)定段的距離Lb,記錄千分表1和2的讀數(shù),打開(kāi)攝像機(jī)1、2進(jìn)行錄像,光纖傳感解調(diào)儀測(cè)得此時(shí)光纖受拉段內(nèi)各點(diǎn)的布里淵頻移ν0。

(3) 控制滑臺(tái)位移每次步近約0.5 mm或1.0 mm,同樣每次記錄千分表讀數(shù),攝像機(jī)處于連續(xù)攝影狀態(tài),測(cè)量光纖每次應(yīng)變后的布里淵頻移νn。

(4) 采用千分表1變化量減去千分表2的變化量除以La,即為傳統(tǒng)標(biāo)定方法獲得的光纖應(yīng)變值εa；將攝影圖像進(jìn)行抽幀，基于MATLAB開(kāi)源程序Ncorr對(duì)圖像中標(biāo)記物位移量進(jìn)行測(cè)算并除以Lb,即為改進(jìn)標(biāo)定方法獲得的光纖應(yīng)變值εb。

(5) 分別采用最小二乘法對(duì)兩種標(biāo)定方法獲得的光纖應(yīng)變值εa、εb與光纖受拉段測(cè)點(diǎn)布里淵頻移的平均值ν(ε)進(jìn)行線性擬合,可獲得以滑臺(tái)位移為計(jì)算準(zhǔn)則來(lái)標(biāo)定的光纖應(yīng)變系數(shù)Ca和以標(biāo)定段長(zhǎng)度為計(jì)算準(zhǔn)則來(lái)標(biāo)定的光纖應(yīng)變系數(shù)Cb。

3 試驗(yàn)結(jié)果與討論

3.1 光纖應(yīng)變段布里淵頻移取值問(wèn)題

試驗(yàn)中光纖傳感解調(diào)設(shè)備的采樣間隔為5.0 cm,空間分辨率為10.0 cm,可獲得光纖受拉段內(nèi)各點(diǎn)布里淵頻移的分布，圖4為多個(gè)應(yīng)變狀態(tài)下光纖受拉段布里淵頻移的分布。

圖4 多個(gè)應(yīng)變狀態(tài)下光纖受拉段布里淵頻移的分布

由圖4可見(jiàn)，在光纖受拉固定端由于受空間分辨率的影響,其布里淵頻移并非截然變化,本試驗(yàn)中采用的空間分辨率與采樣間隔比值為2∶1,因此最多只出現(xiàn)了一個(gè)點(diǎn)的中間值;同時(shí)由于光纖受拉伸長(zhǎng)會(huì)顯示總應(yīng)變區(qū)域的擴(kuò)大,但在標(biāo)定過(guò)程中只需考慮距其拉伸端大于1/2空間分辨率長(zhǎng)度內(nèi)受拉伸長(zhǎng)段的布里淵頻移變化即可,因此并不影響標(biāo)定結(jié)果。

此外，在受拉段內(nèi),雖然光纖的理論應(yīng)變水平一致,但結(jié)果顯示其布里淵頻移有輕微波動(dòng),極差約為4～5 MHz,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了溫度波動(dòng)所帶來(lái)的影響；同時(shí)隨著拉應(yīng)力的增大,其布里淵頻移的波動(dòng)形式并未發(fā)生明顯的變化,推測(cè)這種波動(dòng)性可能是緊包光纖的應(yīng)變不均勻所導(dǎo)致的。

3.2 以拉伸臺(tái)位移為計(jì)算準(zhǔn)則的光纖應(yīng)變系數(shù)Ca標(biāo)定

以拉伸臺(tái)位移作為光纖受拉段伸長(zhǎng)量，測(cè)算光纖應(yīng)變(εa),并將光纖應(yīng)變?chǔ)臿與光纖受拉段測(cè)點(diǎn)布里淵頻移的平均值ν(εa)進(jìn)行擬合,進(jìn)而獲得光纖應(yīng)變系數(shù)Ca,見(jiàn)圖5。

圖5 以拉伸臺(tái)位移為計(jì)算準(zhǔn)則的光纖應(yīng)變系數(shù)Ca標(biāo)定

由圖5可見(jiàn)，在擬合優(yōu)度R2達(dá)0.996 6的情況下,光纖應(yīng)變系數(shù)Ca為0.041 9 MHz/με,這與光纖應(yīng)變系數(shù)典型值(0.05 MHz/με)有較大的差距；單從點(diǎn)的分布來(lái)看,在光纖應(yīng)變較大的區(qū)域,其布里淵頻移的增量有變緩趨勢(shì),這可能是擬合光纖應(yīng)變系數(shù)較小的緣故。

由試驗(yàn)過(guò)程觀察(見(jiàn)圖6)可以看出：當(dāng)環(huán)氧樹(shù)脂膠與光纖的黏結(jié)部位在光纖受拉段應(yīng)變值εa≤5 000 με時(shí)[見(jiàn)圖6(a)],肉眼難以看出黏結(jié)端有變形的跡象；當(dāng)5 000 με≤εa<20 000 με時(shí)[見(jiàn)圖6(b)和圖6(c)],環(huán)氧樹(shù)脂膠與光纖的黏結(jié)部分表現(xiàn)為一種彈塑性變形的特征,肉眼可見(jiàn)膠體有明顯的受拉變形的現(xiàn)象；當(dāng)εa≥20 000 με時(shí)[見(jiàn)圖6(d)],肉眼可見(jiàn)膠體有明顯的剪切滑脫現(xiàn)象。這種現(xiàn)象使得光纖受拉段布里淵頻移的變化量小于光纖應(yīng)變的增量,導(dǎo)致光纖應(yīng)變系數(shù)偏小。

圖6 光纖黏結(jié)端變形-滑脫過(guò)程

為了更詳細(xì)地描述這種現(xiàn)象所帶來(lái)的影響,本文對(duì)εa與ν(εa)進(jìn)行了分段擬合，其擬合結(jié)果見(jiàn)圖7、圖8和圖9。

圖7 以拉伸臺(tái)位移為計(jì)算準(zhǔn)則的光纖應(yīng)變系數(shù)Ca標(biāo)定(εa<5 000 με)

圖8 以拉伸臺(tái)位移為計(jì)算準(zhǔn)則的光纖應(yīng)變系數(shù)Ca標(biāo)定(5 000 με≤εa<15 000 με)

圖9 以拉伸臺(tái)位移為計(jì)算準(zhǔn)則的光纖應(yīng)變系數(shù)Ca標(biāo)定(15 000 με≤εa<25 000 με)

由圖7、圖8和圖9可見(jiàn)，當(dāng)εa<5 000 με時(shí)，光纖應(yīng)變系數(shù)的標(biāo)定結(jié)果更趨近于真實(shí)值,但該曲線的擬合優(yōu)度較小(見(jiàn)圖7),從對(duì)應(yīng)點(diǎn)的分布特征來(lái)看,該階段整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性較差,這點(diǎn)可以通過(guò)標(biāo)定段長(zhǎng)度(Lb)對(duì)應(yīng)點(diǎn)的分布特征(見(jiàn)圖11)得出相似的結(jié)論,分析可能與緊包光纖的護(hù)套封裝有關(guān)；當(dāng)5 000 με≤εa<15 000 με時(shí),其曲線的擬合優(yōu)度R2達(dá)0.999 2,光纖應(yīng)變系數(shù)Ca為0.043 1 MHz/με,幾近完美的線性關(guān)系獲得的光纖應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定值卻與光纖應(yīng)變系數(shù)典型值(0.05 MHz/με)偏差很大,對(duì)應(yīng)圖6(b)、圖6(c)光纖黏結(jié)端的變形特征,可能是由于光纖應(yīng)變的增量與光纖黏結(jié)端的彈塑性變形大小具有高度的一致性,造成結(jié)果的擬合效果很好,但卻嚴(yán)重偏離真實(shí)值的現(xiàn)象,這是需要研究者特別警惕的；當(dāng)15 000με≤εa<25 000 με時(shí),可以很清楚地看出其擬合結(jié)果更傾向?yàn)槎魏瘮?shù)曲線。

綜上試驗(yàn)結(jié)果可見(jiàn)，光纖應(yīng)變系數(shù)Ca在標(biāo)定過(guò)程中光纖受牽拉的固定端不可避免地會(huì)產(chǎn)生變形,進(jìn)而影響標(biāo)定結(jié)果,這在裸光纖、緊包光纖上表現(xiàn)為固結(jié)膠體的變形,在鎧裝光纖上則體現(xiàn)為護(hù)套的變形及滑脫,因此即便有良好的線性擬合特征也需要警惕。

3.3 以標(biāo)定段長(zhǎng)度為計(jì)算準(zhǔn)則的光纖應(yīng)變系數(shù)Cb標(biāo)定

以標(biāo)定段長(zhǎng)度(Lb)作為光纖應(yīng)變測(cè)量段,采用DIC方法測(cè)算光纖應(yīng)變(εb),并將光纖應(yīng)變?chǔ)舃與光纖測(cè)量段測(cè)點(diǎn)布里淵頻移的平均值ν(εb)進(jìn)行擬合，進(jìn)而獲得光纖應(yīng)變系數(shù)Cb。通過(guò)對(duì)視頻圖像抽幀處理獲得光纖不同應(yīng)變階段的圖像，并根據(jù)圖像中的標(biāo)尺測(cè)算每像素所代表的真實(shí)距離為0.02 mm,將圖像導(dǎo)入Ncorr中測(cè)算標(biāo)記塊空間位置的變化量。為了減少大位移測(cè)算產(chǎn)生的邊緣計(jì)算誤差,參考圖像均選擇以上一級(jí)應(yīng)變下的圖像作為參考,如圖10所示為某應(yīng)變狀態(tài)下標(biāo)記薄片圖像位移場(chǎng)圖,標(biāo)記薄片移動(dòng)了14個(gè)像素點(diǎn)換算成距離為0.28 mm。光纖應(yīng)變?chǔ)舃的測(cè)算結(jié)果與光纖測(cè)量段測(cè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的布里淵頻移ν(εb)具有良好的線性關(guān)系(見(jiàn)圖11),在擬合優(yōu)度R2達(dá)0.999的情況下獲得了光纖的應(yīng)變系數(shù)Cb為0.049 7 MHz/με。

圖10 數(shù)字圖像相關(guān)方法位移測(cè)量結(jié)果

圖11 以標(biāo)定段長(zhǎng)度為計(jì)算準(zhǔn)則的光纖應(yīng)變系數(shù)(Cb)標(biāo)定

從以上試驗(yàn)結(jié)果來(lái)看,采用標(biāo)定段長(zhǎng)度作為擬合光纖應(yīng)變系數(shù)的方法明顯優(yōu)于采用拉伸臺(tái)位移進(jìn)行擬合的結(jié)果,且DIC方法在處理光纖小應(yīng)變的應(yīng)用上也獲得了較為理想的結(jié)果。本試驗(yàn)中采用具有一定柔性的環(huán)氧樹(shù)脂膠固定緊包光纖,使試驗(yàn)結(jié)果現(xiàn)象更加明顯。但應(yīng)該指出的是，由于光纖的拉伸荷載總是通過(guò)界面剪切的方式傳遞,因此無(wú)論采用何種固定方式,這種變形誤差是客觀存在的,而本文提出的方法規(guī)避了光纖應(yīng)變傳遞產(chǎn)生的誤差,能有效保證光纖應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定結(jié)果的準(zhǔn)確性。

4 結(jié) 論

本文提出了一種改進(jìn)的分布式光纖應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定方法,設(shè)計(jì)了研究方案和試驗(yàn)系統(tǒng),并通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了該標(biāo)定方法的有效性,得到如下結(jié)論：

(1) 在光纖應(yīng)變系數(shù)標(biāo)定過(guò)程中,采用拉伸臺(tái)的移動(dòng)距離作為應(yīng)變測(cè)量準(zhǔn)則的方法,可能會(huì)產(chǎn)生誤差,即便具有較好的擬合優(yōu)度,也需警惕光纖固定端變形的影響。

(2) 選擇光纖受拉段內(nèi)一段距離作為應(yīng)變測(cè)量段,能夠有效地消除光纖固定端黏結(jié)材料或護(hù)套變形所產(chǎn)生的誤差。

(3) 提出標(biāo)定段的左右兩端距相應(yīng)光纖夾持受拉端的距離大于1/2空間分辨率長(zhǎng)度,能夠避免空間分辨率對(duì)光纖應(yīng)變測(cè)量結(jié)果的影響。

(4) 采用以DIC方法確定標(biāo)定段受拉伸長(zhǎng)量的方法能夠準(zhǔn)確、有效地獲得光纖伸長(zhǎng)量的信息。

(5) 本標(biāo)定方法僅對(duì)緊包光纖進(jìn)行了試驗(yàn),對(duì)鎧裝光纖并未開(kāi)展試驗(yàn),但從以往的經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，鎧裝光纖在成纜過(guò)程中會(huì)不可避免地造成光纖初始應(yīng)變不均,當(dāng)受拉時(shí)會(huì)存在應(yīng)力分布調(diào)整的階段,這無(wú)論在標(biāo)定過(guò)程還是使用過(guò)程中均需要引起注意,具體影響程度還需要進(jìn)一步的試驗(yàn)分析。