光纖溫度應變分析系統校準裝置研究

王卓念 劉曉琴

學術研究

光纖溫度應變分析系統校準裝置研究

王卓念 劉曉琴

（廣州廣電計量檢測股份有限公司，廣東 廣州 510000）

基于光纖溫度應變分析系統的工作原理，設計相應的校準裝置并提出一種針對光纖溫度應變分析系統的校準方法。實驗結果表明：該裝置在校準工作過程中可實現溫度與應變雙參數的同時校準，溫度控制精度0.1℃，應變控制精度0.1 με，可用于光纖溫度應變分析系統的性能測試與評價。

光纖傳感；溫度校準；應變校準；校準裝置

0　引言

光纖溫度應變分析系統采用光纖作為傳輸介質，通過測量光纖中參量變化來實現遠距離的測量與監控。光纖具有測量范圍寬、高精度和高分辨率的特點，與傳統的傳感器相比，在強電磁干擾或者易燃易爆的嚴酷環境下更具優勢。它在電力能源、石油化工、航空航天、數據中心等大型設施以及其他需要進行實時溫度和應變監測的領域都有廣泛的應用[1]。

近年來，光纖傳感技術不斷更新，分布式光纖傳感設備主要基于布里淵和拉曼散射原理進行測量[2-3]。可滿足溫度和應變同時測量的商用分布式光纖傳感設備大多通過布里淵頻移分析實現雙參量測[4-5]。光纖光柵傳感器測量精度和體積均優于基于布里淵和拉曼散射原理的光纖傳感器，但無法實現斷點測量和連續長距離監測[6]，極少用于分布式光纖傳感設備。

本文基于商用光纖溫度應變分析系統的工作原理，設計一種非匹配光纖熔接結構的復合式光柵，配合高精度溫控器以及光柵解調儀可實現光纖溫度應變分析系統的主要測量參數校準。該裝置可解決商用光纖溫度應變分析系統校準方法缺失的現狀，滿足設備使用單位測試和量值溯源的需求。

1　裝置結構和工作原理

校準裝置核心組件結構如圖1所示，主要由溫控腔體、標準光纖、光纖光柵、光纖接口等組成。標準光纖和已標定光纖光柵固定在鋁合金薄板上形成溫度增敏結構。高精度溫控器和光纖光柵在校準過程中配合光柵解調儀可提供待測量的參考值。

1.溫控腔體；2.標準光纖；3.光纖光柵；4.光纖接口；5.鋁合金薄板。

校準裝置中的溫控腔體采用隔熱材料覆蓋表面以保證溫度波動滿足要求；標準光纖為單模光纖，纖芯和包層直徑分別為9 μm和125 μm；光纖光柵通過激光器聚焦到相位掩膜板后方的載氫單模光纖寫柵區域進行刻柵，掩膜板成柵長度為10 mm。為形成非匹配纖芯熔接結構，實驗選取芯徑小于G.652型標準光纖的色散補償型光纖刻寫布拉格光柵（Fiber Bragg grating，FBG），形成緊湊的邁克爾遜干涉（Michelson interferometer，MI）結構。根據耦合模理論，纖芯模場不匹配狀態下一部分基模被激發到包層模式中，由于所在傳導模式的有效折射率不同導致光程差不同，其反射光譜波谷波長表示為

式中，△eff為干涉結構傳導模式的有效折射率差；為色散補償光纖長度。

光纖光柵的布拉格條件為布拉格波長B、有效折射率eff、光柵有效周期g滿足

B=2effg(2)

當該復合結構光柵受到拉伸作用時，光纖內芯和包層的有效折射率發生變化，光柵布拉格主峰的中心波長和干涉結構的波峰波谷會發生一定量的漂移。當所處溫度場發生變化時，光柵布拉格主峰的中心波長和干涉結構的波峰波谷也會因為光纖內芯和包層的有效折射率發生變化而產生相應的漂移。因此，二者光譜對應變和溫度同時敏感。當這兩者對環境溫度和應變呈線性關系時，可實現裝置對溫度和應變的同時測量，矩陣形式為[6]

式中，B,T和B,ε分別為布拉格主峰對溫度的靈敏度系數和對應變量的靈敏度系數；M,T和M,ε分別為邁克爾遜干涉的波谷波長對溫度的靈敏度系數和對應變量的靈敏度系數；取=B,TM,ε?B,εM,T，溫度和應變的變化量△和△可以表示為

(4)

該復合光柵結構中相應的溫度和應變靈敏度系數可以通過實驗標定，代入式(4)可得校準裝置的溫度和應變的變化量。

2　實驗與數據分析

2.1　光纖光柵標定實驗

復合式光纖光柵標定實驗采用光柵解調儀作為光纖光柵反射信號解調設備，光源波長范圍(1510~1590) nm，波長精度2.5 pm。應變響應實驗在(25±1)℃環境下進行，將復合結構光柵置于帶標尺的拉力試驗機上，數據采集間隔設置為50 με，應變響應特性曲線如圖2所示。纖芯布拉格峰和干涉模式對拉伸導致的應變響應靈敏度不同。布拉格峰因為光柵有效周期增大，中心波長增大，反射光譜圖樣向長波方向移動形成紅移，其靈敏度為0.68 pm/με，線性度2=0.997。干涉模式光譜發生藍移，靈敏度為?1.12 pm/με，線性度2=0.997。這2種模式在應變測試過程中都表現出較好的線性關系。符合式(3)成立的條件，因此式(4)內矩陣系數B,ε= 0.68 pm/με，M,ε= ?1.12 pm/με。

圖2　復合結構光柵應變響應特性曲線

溫度響應實驗過程中，將復合結構光柵水平置于恒溫箱內，數據采集間隔設置為5℃，溫度響應特性曲線如圖3所示。溫箱設定溫度逐漸上升過程中，纖芯布拉格峰和干涉模式光譜均發生紅移，在相應速度上有一定區別，布拉格峰靈敏度12.1 pm/℃，線性度2= 0.996。干涉模式靈敏度50.2 pm/℃，線性度2= 0.999。這2種模式在溫度測試過程中都表現出較好的線性關系。符合式(3)成立的條件，因此式(4)內矩陣系數B,= 12.1 pm/℃，M,= 50.2 pm/℃。

圖3　復合結構光柵溫度響應特性曲線

將所測得的復合光柵結構中相應的靈敏度系數代入式(4)中，其中=B,M,?B, KM,= ? 47.7，可得

該復合結構光柵所受到的環境溫度和拉伸作用同時變化時，利用光纖解調儀實時監測光柵反射光譜漂移量，可同時得到溫度和應變的具體改變量。溫度和應變參量的分辨率主要取決于光柵解調儀的最小波長分辨率，該分辨率數值遠小于分布式光纖溫度應變分析系統的測量分辨率，可滿足參數溯源要求。

2.2　光纖溫度應變分析系統校準實驗

光纖溫度應變分析系統校準工作需要引導光纖、光柵解調儀以及用于量值傳遞的校準裝置，連接圖如圖4所示。校準裝置逐漸改變溫控腔體內的溫度，載體由于熱效應會發生形變，標準光纖和光纖光柵的溫度、應變參量也會同時變化；與光纖光柵連接的光纖接口通過一定長度的引導光纖連接至光柵解調儀；與標準光纖連接的光纖接口通過同等長度的引導光纖連接至光纖溫度應變分析系統；按一定間隔采集溫度和應變參量，光柵解調儀記錄數據作為參考值，與光纖溫度應變分析系統的示值進行比對。

圖4　光纖溫度應變分析系統校準連接圖

待測光纖溫度應變分析系統基于布里淵散射原理工作，在1550 nm波段進行布里淵頻移測試。溫度相關性測試采用光柵解調儀實時檢測數據作為參考值，每間隔10℃光纖溫度應變分析系統記錄一次數據，溫度與布里淵頻移呈正相關，斜率為1.0019 MHz/℃，線性度2= 0.999，如圖5所示。校準裝置所測溫度參數散點與理論曲線偏差小于0.1℃且線性度良好，符合布里淵頻率漂移關系。

圖5　1550 nm窗口布里淵頻移與溫度關系圖

應變相關性測試采用光柵解調儀實時檢測數據作為參考值，每間隔50 με光纖溫度應變分析系統記錄一次數據，應變與布里淵頻移呈正相關，斜率為0.0496 MHz/με，線性度2= 0.999，如圖6所示。校準裝置所測應變參數散點與理論曲線偏差小于0.1 με且線性度良好，符合布里淵頻率漂移關系。

圖6 1550 nm窗口布里淵頻移與應變關系圖

3　結論

本文提出針對光纖溫度應變分析系統的校準方法。實驗結果表明：使用該裝置在校準工作過程中可實現溫度與應變雙參數的同時校準，溫度控制精度0.1℃，應變控制精度0.1 με。該裝置結構簡單緊湊、成本低且易于實現，可開展對光纖溫度應變分析系統的校準工作，為工程質量監測單位提供技術保障。

[1] 裴麗,翁思俊,吳良英,等.光纖激光傳感系統的研究進展[J].中國激光,2016,43(7):7-13.

[2] 陳磊,詹躍東,田慶生.基于BOTDR分布式傳感系統的研究[J].儀表技術與傳感器,2019(6):96-100.

[3] 陶在紅,王婷婷,孔春霞.基于拉曼散射的分布式光纖量子傳感機理研究[J].量子電子學報,2019,36(5):635-640.

[4] 張吉生,李永倩.光纖布里淵溫度和應變分布同時傳感方法研究[J].光通信研究,2008(5):53-56.

[5] 徐寧,戴明.分布式光纖溫度壓力傳感器設計[J].中國光學, 2015,8(4):629-635.

[6] Oliveira R, Osório, Jonas H, Aristilde S, et al. Simultaneous measurement of strain, temperature and refractive index based on multimode interference, fiber tapering and fiber Bragg gratings[J]. Measurement Science & Technology, 2016, 27(7):075107.

Research on Calibration Device of Optical Fiber Temperature Strain Analysis System

Wang Zhuonian Liu Xiaoqin

(Guangzhou GRG Metrology & Test Co., Ltd. Guangzhou 510000, China)

Based on the working principle of the optical fiber temperature strain analysis system, the corresponding calibration device is designed and a calibration method for the optical fiber temperature strain analysis system is proposed. The experimental results show that the device can realize the simultaneous measurement of both temperature and strain parameters during the calibration, with a temperature control accuracy of 0.1℃ and a strain control accuracy of 0.1με, which can be used in the performance testing and evaluation of optical fiber temperature strain analysis system.

optical fiber sensor; temperature calibration; strain calibration; calibration device

王卓念，男，1991年生，碩士，主要研究方向：光電信息技術。E-mail: wangzn@grgtest.com

TH71

A

1674-2605(2020)03-0003-04

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.03.003