基于BOTDA的溫度和應變測試探討

聶 俊，李端有，梁 俊

基于BOTDA的溫度和應變測試探討

聶 俊1，2，李端有1，2，梁 俊1，2

（1．長江科學院工程安全與災害防治研究所，武漢 430010；2．水利部水工程安全與病害防治工程技術研究中心，武漢 430010）

基于布里淵散射的分布式光纖傳感系統同時具有遠距離測量和高精度測量的特點，因此在土木工程監測領域中的運用越來越廣泛。根據光纖布里淵頻移與光纖應變、溫度之間的關系，可以確定光纖各小區間上能量轉移達到最大時的頻率差，從而得到溫度和應變信息，實現分布式測量?；贐OTDA的分布式光纖測量系統可以同時測量溫度和應變，大大提高了光纖測量的效率。研究發現，在溫度測試中光纖的保護層厚度制約了光纖測溫的精度，對光纖保護層改進可以提高測溫的準確性。在應變測試中，基于BOTDA的分布式光纖測量系統對應變測試可以很簡便地進行溫度補償，簡化了傳統應變片測量中的溫度補償，提高了應變測量的準確性，具有很高的性價比。關鍵詞：分布式光纖；BOTDA；布里淵頻移；應變測量

1 概 述

光纖是光導纖維的簡稱，20世紀60年代華人科學家高錕制造出了世界上第一根光導纖維，光纖的發明為信息高速公路奠定了基石，在很大程度上改變了世界的通訊模式。雖然其最初的研究是為了通信，但不久后人們發現光纖具有許多新的優良性質，因而在其他領域也廣泛應用，其中之一就是構成光纖傳感器。將光纖傳感器用于大型結構的健康檢測是隨著現代光纖工程中應用十分廣泛的光時域反射技術的出現而發展起來的，目前正處于蓬勃發展的時期。1989年，Mendez等人首先提出了把光纖傳感器用于混凝土結構的檢測，之后，日本、美國、德國等許多國家的研究人員先后對光纖傳感系統在土木工程中的應用進行了研究。日本、美國和瑞士的光纖傳感器在土木工程中的應用領域相對較廣泛，已經從混凝土的澆筑過程擴展到樁柱、地基、橋梁、大壩、隧道、大樓、地震和山體滑坡等復雜系統的測量和監測［1］。光纖傳感器由于它特有的優點正迅速在土木工程的各種監測中廣泛應用，相信在以后的工程中會越來越多地用到光纖傳感器。

隨著光纖傳感器在工程中的應用和發展，光纖傳感器的優勢也越來越明顯，與傳統的差動電阻式和鋼弦式傳感器相比，光纖傳感器具有如下優點：①光纖具有抗電磁干擾、防雷擊、防水、防潮、抗腐蝕等特點，適用于水下、潮濕、有電磁干擾等一些條件比較惡劣環境的監測，與金屬傳感器相比具有更強的耐久性；②光纖本身既是傳感器又是信號傳輸通道，可以比較容易實現長距離、分布式監測［2］；③光纖傳感器本身輕細纖柔、體積小、重量輕，便于布設安裝，將其埋入結構物中不存在匹配的問題，對埋設部位的材料性能和力學參數影響較小，可以深入監測結構內部的的應力情況，對監測的范圍有了新的擴展。

其中，基于拉曼散射的光纖測溫技術和基于瑞利散射的裂縫測試技術是發展較早的分布式光纖測試技術，但二者都難以實現遠距離和高精度的測量。而基于BOTDA的分布式光纖測量系統不僅能夠同時測量溫度和應變，還可以同時實現遠距離和高精度的測量，是光纖測試技術的重大突破，大大提高了光纖測試的效率，因此，有必要對它做深入的研究分析。

2 BOTDA的原理

光在光纖中傳播，大部分光是沿前向傳播的，但由于光纖材料的光學性質存在微觀不均勻性，或者由于光纖本身的光特性，入射光束的一小部分會產生偏離原來的傳播方向產生散射現象。光纖內光的散射現象主要有瑞利散射、拉曼散射和布里淵散射3種，其3種反射形式如圖1所示。

圖1 光纖內光的散射的3種形式Fig．1 Three types of light scattering in optical fiber

基于布里淵散射的分布式光纖溫度傳感系統由于在實現遠距離和高精度探測方面均優于基于另外2種散射的傳感系統，因此有很大的發展前景［3］。隨著該技術不斷運用和推廣，該技術所達到的探測距離和探測精度也都在不斷提高，NBX-6050就是一種基于BOTDA的探測系統，它在距離上達到了25 km，在精度上溫度達到±1℃，應變達到了±25×10－6。

BOTDA（Brillouin Optical-fiber Time-Domain A-nalysis），即布里淵光纖時域分析技術，它是布里淵光譜分析技術與光學時域反射（OTDR）技術的融合，其基本原理如圖2所示。

圖2 BOTDA光纖傳感系統原理框圖Fig．2 Princip le of BOTDA optical fiber sensing system

布置于光纖兩端的可調諧激光器分別將一脈沖光（泵浦光）與一連續光（探測光）注入傳感光纖，當泵浦光與控測光的頻差與光纖中某區域的布里淵頻移相等時，在該區域就會產生布里淵放大效應（當2束泵浦光在光纖中反向傳播，并且二者的頻差等于布里淵頻移時，弱的泵浦信號將被強的泵浦信號放大，稱之為布里淵受激放大作用），2光束相互之間發生能量轉移［4］。

受激布里淵散射實際上是一個三波耦合的過程，即入射光（泵浦）、受激發的聲波以及散射光波（斯托克斯波）之間的相互作用。通常可以描述為，泵浦光由于電致伸縮在入射介質上產生一個壓力波并導致介質密度的波動，從而改變了磁化率。即入射波激發了聲波，聲波又對入射波產生了散射，而散射過程則產生了斯托克斯波，斯托克斯波相對于入射波產生了頻移，其中背向布里淵散射的布里淵頻移最大［5］，即

式中：VA為聲速；n是纖芯的折射率；λ是泵浦光的真空波長。對于普通的硅玻璃光纖n＝1．46，VA＝5 945 m／s當泵浦光波長λ＝1．55μm時，布里淵頻移VB＝11．2 GHz。

根據光纖布里淵頻移與光纖應變、溫度之間的關系，對兩激光的頻率進行連續的調節，監測從光纖一端耦合出來的連續光功率，可以確定光纖各小區間上能量轉移達到最大時的頻率差，從而得到溫度、應變信息，實現分布式測量。BOTDA技術中，光纖的應變量、溫度變化與布里淵頻率漂移量的關系：

式中：νB（0）是指在ε＝0，溫度為T0時光纖布里淵頻率漂移量；νB（ε，T）是指在應變為ε，溫度為T時光纖布里淵頻率漂移量；C12為溫度影響系數，C12＝dνB（T）／d T；C11為應變影響系數，C11＝dνB（ε）／d T。

3 基于BOTDA的溫度、應力測試

3．1 溫度測試

采用NBX-6050對測溫光纖和裸纖進行溫度測試。光纖為烽火集團定制的松套測溫光纖和裸纖，接頭為FC（W）白色套筒，測溫光纖和裸纖是進行溫度標定過的光纖。測溫光纖的構造如圖3所示。

圖3 測溫光纖構造圖Fig．3 The structure of temperaturemeasuring optical fiber

把裸纖和測溫光纖連成一個回路，并放置在測溫箱里，進行溫度試驗，調節測溫箱的溫度，當溫度上升到預定溫度后控制恒溫箱溫度，恒定1 h使光纖充分受熱，然后分別用溫度計、測溫光纖、裸纖測量溫度，其結果見表1。

表1 溫度計、測溫光纖、裸纖的溫度測試結果Table 1 The test results by thermometer and tem peraturem easuring optical fiber and bare fiber℃

由試驗結果可以得出：對于測溫光纖，當恒溫箱溫度逐漸升高時，測溫光纖測值與溫度計測值之差逐漸變大，當溫度大于60℃時，差值已經達到了2℃，超過了誤差范圍；對比裸纖，測溫值與溫度計測值之差變化較恒定，并沒有出現測值隨溫度升高差值變大的情況。分析原因是因為松套光纖的保護層過厚引起的，根據圖3可以看出，測溫光纖中設置了很厚的保護層，該層主要由油層、尼龍和塑料層組成，是為了防止光纖內芯在測溫時受外力產生應變而導致測溫誤差，但該層同時也影響了溫度的傳遞。當溫度升高時，測溫光纖的保護層阻礙了溫度傳遞給內芯光纖，使光纖實際受到的溫度小于環境溫度，引起光纖的布里淵頻移量變小，導致光纖測量結果偏小。為了提高測溫光纖的測溫精度，就需要對保護層做一定的改進，采用導熱性好的材料做保護層，盡量減小保護層厚度，使溫度的傳遞損失變小，才能讓測溫光纖的內芯感應環境溫度，提高測溫的精度。

對比測溫光纖，裸纖測溫的效果較好。因為裸纖沒有保護層，光纖可以很靈敏地感受環境溫度的變化，測出溫度值。但同時由于裸纖沒有保護層，很容易受外界因素影響，在測試時可能由微小應力而產生布里淵頻移，也會使測溫結果產生誤差，同時裸纖易斷，故在布設裸纖測溫時要特別注意光纖的保護。

3．2 應變測試中的溫度補償

進行應變測試時，把一根進行過溫度標定的測溫光纖熔接在應變光纖上一段不受力的位置使之構成一個回路，對測溫光纖進行區段系數設置后即可同時進行溫度和應變測試［6］，測溫光纖測出溫度T，然后根據公式（3）計算出應變，即可作為溫度補償求得真實應變值，即

采用NBX-6050進行溫度補償后的應力測試試驗中所測的應變值如圖4所示。

圖4 應變試驗中溫度補償對比Fig．4 The temperature compensation comparison in strain experiment

由于設置了溫度補償參考，補償了溫度產生的應變，環境溫度變化對應變測試產生的影響降到了最小，在溫度補償后處于自然狀態下的光纖所測應變值都為0，所以光纖傳感器在測量應變時的溫度補償要優于傳統的應變片測量。由圖4可以看出，在拉伸段的6個測點值并不完全相同，隨著拉應力的增大，處于拉伸段的光纖測得各個點的值之間差值出現增大趨勢。分析原因是由于粘貼光纖時光纖不可能絕對地平行于拉伸桿，故光纖的實際受力方向與拉力方向并不完全平行，而光纖所測的應變只能是沿著拉伸桿方向，當桿件拉伸時，光纖的各點變形會出現不均勻。隨著拉力的增大，受拉光纖各點的變形也增大，各點的應變值也會不同。所以光纖傳感器測應變時所測的值是該段的平均應變，而且方向是沿光纖軸向方向的應變，對于其他方向產生的應變很難精確測量，對于某點的應變值只能通過測量該點附近的某一段應變后取平均值來確定。

通過以上研究可以發現，利用分布式光纖測量溫度和應變有不足之處，應用時需加以考慮：①利用分布式光纖測量溫度時要求所測環境溫度為漸變的，不能變化太快，否則會導致測量結果偏??；另外，由于受到測溫光纖保護層耐熱強度的影響，對于高溫的測量光纖也有一定的局限性；②利用分布式光纖所測得的應變為該監測段的平均應變，對于有應力集中現象的結構是不能進行精確監測的，而且對于所測的應變方向只能都處理為沿光纖鋪設方向，這為測量帶了誤差，運用時需要考慮到；③基于BOTDA技術的光纖測量要求被測光纖傳感器必須是一個完整的回路，所以不能探測光纜的斷點，因而被測光纜必須完好，不能有斷點，這對光纜的鋪設和保護要求較高，使得其應用條件受到一定限制。

4 結 論

基于BOTDA的分布式光纖傳感技術在測量的精度和測量的距離上有了很大提高，并且可以同時進行溫度和應變的測量。因其可以很簡便地進行溫度補償，相比傳統方法測量應變時剔除溫度效應的

影響要簡潔和精確，因此具有很高的性價比。但是對于應力狀態比較復雜的結構，進行應力測試時需要布置更多的光纖傳感器進行測量，如何布置監測網，如何處理分布式光纖測量的應變方向，這個問題仍待進一步研究。

［1］ 姜 艷，黃榮富．光纖傳感技術在土木工程結構健康監測中的應用［J］．水利科技與經濟，2008，14，（10）：808－809．（JIANG Yan，HUANG Rong-fu．Optical Fi-ber Sensing Technology in Civil Structural Health Monito-ring［J］．Water Conservancy Science and Technology and Economy，2008，14（10）：808－809．（in Chinese））

［2］ 馬水山，王志旺，李端有，等．光纖傳感器及其在巖土工程中的應用［J］．巖石力學與工程學報，2001，20（增刊）：1692－1694．（MA Shui-shan，WANG Zhi-wang，LI Duan-you，et al．Optical Fiber Sensors and Their Appli-cation to Geotechnical Engineering［J］．Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering，2001，20（Sup．）：1692－1694．（in Chinese））

［3］ 胡 銳．基于布里淵散射的分布式光纖感溫系統在火災報警領域的應用探討［J］．消防技術與產品信息，2007，10（10）：39－41．（HU Rui．The Application of Brillouin Scattering Based Distributed Fiber Optic Tem-perature Sensing System in the Field of Fire Alarm and Detection［J］．Fire Technique and Products Information，2007，10（10）：39－41．（in Chinese））

［4］ 國 兵，隋青美，韋 斌．基于布里淵散射的分布式光纖傳感器的發展［J］．信息技術與信息化，2009，（3）：56－58．（GUO Bing，SUIQing-mei，WEIBin．The De-velopment of Brillouin Scattering Distributed Optic Fiber Sensor［J］．Information Technology and Informatization，2009，（3）：56－58．（in Chinese））

［5］ 李建蜀，江 毅，黃尚廉．光纜拉伸應變分布測量的新方法——布里淵光纖時域分析技術［J］．半導體光電，1996，17（1）：56－59．（LIJian-shu，JIANG Yi，HUANG Shang-lian．A Novel Technology for Measurement of Ten-sile Strain Distribution in Optical Cable——Brillouin Op-tical Fiber Time Domain Analysis Technique［J］．Semi-conductor Optoelectronics，1996，17（1）：56－59．（in Chinese））

［6］ 樸春德，施 斌，朱友群，等．灌注樁檢測中BOTDR溫度補償試驗研究［J］．防災減災工程學報，2009，29（2）：161－164．（PIAO Chun-de，SHI Bin，ZHU You-Qun，et al．Experimental Study on BOTDR Temperature Compensation in Bored Pile Detection［J］．Journal of Disaster Prevention and Mitigation Engineering，2009，29（2）：161－164．（in Chinese） ）

（編輯：周曉雁）

Temperature and Strain Test Based on BOTDA

NIE Jun1，2，LIDuan-you1，2，LIANG Jun1，2
（1．Engineering Safety and Disaster Prevention Scientific Institute，Yangtze River Scientific Research Institute，Wuhan 430010，China；2．Research Center on Water Engineering Safety and Disaster Prevention of MWR，Wuhan 430010，China）

Distributed optical fiber sensing system based on Brillouin scattering is capable of remote and highly ac-curate measurement．Accordingly，it has been used widely in themonitoring field of civil engineering．According to the relationship between Brillouin frequency shift and the optical fiber strain，and between Brillouin frequency shift and temperature，the frequency difference among various areas when the optical energy transfer reaches the maxi-mum can be determined，thus the authors can get the temperature and strain information to achieve distributed measurement．As the distributed optical fiber measurement system based on BOTDA can simultaneously measure temperature and strain，it has greatly improved the efficiency of opticalmeasurements．Temperature test shows that the accuracy of temperaturemeasurement is restricted by the protective layer thickness of optical fiber．Therefore，it can be increased by improving the protective layer．As for the strain test，distributed optical fibermeasurement sys-tem based on BOTDA proves to have excellent performance-price ratio as itmakes the temperature compensation easy，and consequently simplifies the temperature compensation in the traditional strain gaugemeasuringmethod，and improves the accuracy of strain measurement．

distributed optical fiber；BOTDA；brillouin scattering；strain measurement

TU196．1

A

1001－5485（2011）04－0067－04

2010-05-27；

2010-08-15

聶 ?。?986-），男，湖北宜昌人，碩士研究生，主要從事巖土工程監測研究，（電話）13407106048（電子信箱）niejun318＠163．com。