基于布里淵散射的結構應力光纖測試技術研究

王先進，李 青，丁克勤

(1.中國計量學院，災害監測與儀器國家地方聯合工程實驗室，杭州 310018；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

基于布里淵散射的結構應力光纖測試技術研究

王先進1，李 青1，丁克勤2

(1.中國計量學院，災害監測與儀器國家地方聯合工程實驗室，杭州 310018；2.中國特種設備檢測研究院，北京 100029)

作者通過分析一定功率的脈沖光射入光纖中的布里淵散射規律，介紹了分布式光纖測量測量軸向應力的基本原理；制作實驗裝置，測量單獨的應變模型，分析散射回來的波形圖，初步了解應力在光纖布里淵散射波譜上的圖像特征；將應力作用于光纖的不同位置，對比它們與無應力作用詩所得到的散射波形之間的圖像差異，研究其對光脈沖在光纖傳輸過程中的影響規律；結果表明，應力的作用大小，作用位置的不同都會對脈沖光的傳播造成影響，主要在于影響布里淵散射的斯托克斯光和反斯托克斯光；本次研究所得可以為分布式光纖測量提供參考，為分布式光纖在測量微型形變的應用中有一定的促進作用；本次研究的創新點在于使用滑輪的方法，解決同等應力在分布光纖的不同位置作用效果。

分布式光纖；布里淵散射；應力；光脈沖

0 引言

光波在光纖中的傳播，由于光纖是非結晶材料，在微觀空間表現出的不均勻結構，所以存在少量的散射的現象。布里淵散射是在光纖中傳播的光波與聲波在相互作用而產生的散射。

大型起重設備是非常常見的工業設備，隨著我國迅速的城鎮化，大型起重設備在工業生產中隨處可見，起重設備吊取重物時，橫梁受力應變無法直觀表現，這樣頻繁過度的施工使用會使受力部分產生肉眼難以觀測的損傷，局部地區產生相對過大的形變，從而引起安全隱患。而這些形變可以通過應變的分布式觀測其細微的應力變化，從而達到預防的目的。光纖中光波傳播的布里淵散射效應可以實現對變形應力的分布式觀測。

1 基于布里淵散射的分布式光纖傳感技術

1.1 布里淵光時域反射分析儀分布式光纖傳感技術

光波在光纖中傳播存在散射，散射的光波會隨著光纖所處的溫度、壓力、應力和應變等，產生頻率上的差異，從而達到測量的效果。在這種測量方式中，光纖既是環境信息的傳感介質，又是信號傳輸的傳輸介質。這種傳感技術可以在很大的空間范圍內連續的進行傳感，傳感和傳光使用同一根光纖，傳感部分結構簡單，使用方便，而且和傳統的點式傳感器相比，單位長度內信息獲取成本大大降低，性價比高。

布里淵光時域分析技術( BOTDA)是一種分布式光纖傳感技術，它是基于一定頻率的脈沖光射入光纖，通過反射回來的光波的頻率移動來測量環境信息的技術。該技術能夠實現溫度和應變的同事測量，且測量精度、傳感距離和空間分辨率較高，該技術以巨大的優勢，在海底光纜制造和施工維護、石油天然氣管道泄露、發電廠、變電站高壓設備、高壓電纜、廢氣處理廠的溫度監測、大型混凝土結構(大壩、隧道、建筑物等)的結構健康監測，以及山體滑坡、河床塌陷等地質災害監測、大型起重設備受力情況等方面有著廣泛的應用前景，受到國內外的廣泛關注與研究。

BOTDA技術是根據受激布里淵散射的一種光時域分析技術。在單模光纖的一端注入一定頻率為f的光脈沖信號，另一端注入頻率以f為中心上下波動fB的連續探測光，在兩束光相遇的位置會發生受激布里淵散射，f±fB頻率的連續探測光在這個位置會獲得增益或者衰減，從而整條光纖上的所有位置的光功率變換能在時域上被探測到。從而實現分布式光纖對環境變量的測量?；驹砣鐖D1所示。

圖1 布里淵光時域分析技術原理圖

1.2 布里淵散射頻率與軸向應變之間的關系

當沿著光纖方向的環境信息(溫度、壓力、應力等)發生變化時，背向布里淵散射光方向的頻率會發生移動。其移動的多少與環境信息(溫度、壓力、應力等)呈線性關系變化，所以可以通過測量頻移量的多少，從而間接獲取其環境信息(溫度、壓力、應力等)。

根據光信號布里淵頻移與光纖溫度和軸向應變之間的線性變化關系，在溫度補償(或應變補償)條件下得到光纖的應變變化量(或溫度變化量)用下式(1)表示：

(1)

式中，ΔVB為布里淵散射的頻率移動量，Cvt為布里淵散射頻率移動的溫度系數，Cvε為布里淵散射頻率移動的應變系數，Δt為沿纖環境溫度的變化量，Δε為沿纖環境應變變化量。在本試驗中我們忽略溫度對布里淵頻移量的影響(假設溫度固定)，即認為溫度不變化或者變化幅度非常小，所以布里淵頻移量和所受應力存在一個明確的線性關系。

2 實驗平臺的設計與搭建

2.1 實驗方案設計

筆者設計下列實驗步驟來研究沿光纖方向的應力對布里淵散射的影響規律：

(1)研究應力作用位置對布里淵散射的影響規律，將不同的軸向應力分別作用在分布光纖的不同位置，分別進行實驗。

(2)研究光纖起始應力狀態不同的情況下，增加等梯度應力對布里淵散射頻移的作用影響規律，將同一段光纖的兩部分重合控制其繃緊程度不同，在相同的點加等量的軸向應力，進行實驗。

(3)進行結果分析，結合所得實驗數據，對其實用性進行分析。

2.2 實驗平臺的制作及搭建

實驗平臺在此設計成一個管道體結構，向管道上布設單模裸光纖，制作應力分布模型，在用BOTDA設備測量得到布里淵散射波的頻移圖形。

實驗管道截面尺寸為內Φ0.6 m外Φ0.7 m，長度為7 m，底部為連體三角架整體把其在距中心總長度為6 m處支撐起來，并在裝置的中心位置添加了為管道施加應變的部分，且支撐部分可以加固定螺絲，使其在中間處應變的時候，兩端自由處不會移動。管道一側采取打磨的辦法使其表面光滑，易于布設光纖，布設完成后，為了使其應變效果達到最大，在這里我們把光纖部分放在施加應變裝置的對側，即整體光纖的布設部分在管道截面的距地最低點處。并在管道的各部分張貼距離標簽，方便分析其距離和布里淵散射的頻移關系。整體裝置制作完成后如圖2所示。

圖2 整體裝置完成圖

2.3 實驗儀器與相關參數設定

本次實驗所使用的儀器是分布式光纖溫度應變監測系統DiTest STA-R 。該儀器是在windows xp系統下的數據采集和分析儀器，開啟儀器后，在參數調節區進行如下表1所示參數的設置，完成后便可開始測量。

表1 DiTest STA-R設備參數設置

2.4 對布里淵散射頻移的影響研究

2.4.1 不同軸向應力對頻移的影響

因為單模裸光纖極易折斷，所以在此實驗中我們采取的是用兩個動滑輪可移動的固定光纖的方式，如下圖3所示，1、4線重合，并在圖中左端固定1、4線，右端動滑輪固定，然后把左端動滑輪移動到合適位置，觀察其布里淵散射頻移與自由段(固定在管道上之外不受力的光纖)做比較，得到的頻率變化如圖3所示。

圖3 光纖在鋼管上的粘合布設圖

圖4 布里淵頻率空間距離分布圖

由圖4可以看出自由端(27.46～82.88 m處)的布里淵頻率為10.78 GHz,相對于自由段可以看出在我們施加軸向應力的部分段(3.51～27.46 m處)相對于自由端有不同程度的頻率移動，其中0～3.51 m處是BOTDA儀器的脈沖光發射口到開始固定端之間的跳線長度，3.51～9.74 m為固定的1號光纖的頻率狀態，9.74～21.55 m處為左側可動滑輪相連的2、3號光纖的頻率狀態，21.55～27.46處為固定的4號光纖的頻率狀態，由圖我們可以看出2、3號光纖相對于1、4號光纖有個明顯不同的頻率移動，這是因為我們把1、2的左端以及右側滑輪固定了，在我們移動左側滑輪的時候，由于右側滑輪繞光纖的摩擦力的存在，導致1、4光纖和2、3光纖存在明顯不同的頻率移動，為了驗證結論，從新設計一個驗證試驗滑輪之間的摩擦力導致了1、4光纖和2、3光纖之間的頻率差異。

2.4.2 滑輪之間的摩擦力對實驗結果的影響

在上次實驗的基礎上，繼續左移左側滑輪，并把2號光纖向著1號光纖的方向稍微手動拉松弛一點，然后任其自由恢復，測的的光纖頻率狀態如圖5所示。

圖5 滑輪間摩擦力對布里淵頻移的影響

如圖5所示，光纖的總長度變為70.47 m，這是因為在實驗過程中，光纖拉斷一次，從新布設的光纖，斷裂部分測量長度為12.2 m，結合光纖熔接截取的長度約為0.2 m，所以減少長度為12.4 m，結合圖中82.88-70.47=12.41 m，故此關于布里淵散射測量光纖長度的精度還是非常高的。分析圖中頻移大小我們可以看到3號光纖的頻移相對于1、2、4不同，理論上1、2、3、4號光纖的頻移都應該是相同的，但是由于左右滑輪之間的摩擦力的存在，導致1、2、3、4光纖上的應力各不相同，才產生了如上的結果。

2.4.3 不同應力的頻移效果

此后從新布設光纖，并不斷的在中心處增加應力，施加應力裝置如圖6所示。

圖6 管道中間加力裝置

獲取的不同應力頻移圖像如圖7所示。

圖7 不同應力梯度所對應的布里淵頻率狀態

圖7中曲線分別是從不加應力的初始狀態到最大應力的5個應力梯度所對應的頻率狀態，大致可以看出隨著應力的增加，頻率也相應得發生了移動，而且由圖我們可以看出與1、4光纖直接相連的右側滑輪處基本是沒有頻移的(圖中8.5 m左右和18.5 m左右)，但左側滑輪連接處發生了頻移(圖中12 m的位置)，此處推測是兩側滑輪的摩擦力不同，導致左側滑輪處較右側滑輪發生了頻移。

最大頻移和無應力時頻移作差可得出頻移效果圖，如圖8。

圖8 不同應力梯度之間作差比較

由圖8我們可以看出，在我們設計的滑輪光纖這個實驗中，1、2、3、4光纖在管道的中心位置都發生了頻移，并且在最大應力處的兩側遞減，且頻移的大小基本相同，與所受應力大小呈正比例關系，且在最大應力處附近呈遞減狀態。光纖粘合的平均長度為(22.69-3.67)/4=4.755 m，結合這4段光纖的各個的頻移狀態，可以看出每段的頻率變化階梯將近5個梯度，所以推測其空間分辨率為4.755/5，將近1 m左右。

3 結論

作者從理論分析結合具體實驗的角度，總結了應力大小對布里淵散射的頻移的影響，主要表現在應力和布里淵散射的頻移存在線性關系：

(1)光纖在傳輸光的過程中，如果受到軸向的應力作用，會產生布里淵散射，使入射光的頻率發生一定程度的頻移。

(2)軸向應力的大小會影響入射光頻移的大小，主要表現為光纖所受軸向應力越大，入射光的布里淵頻移越大。

(3)布里淵散射光的頻移大小與初始狀態的光纖狀態無關，與所受應力大小呈正比例關系，且在最大應力處附近呈遞減狀態。

(4)通過滑輪動態改變光纖的初始狀態，可以很好的控制其布利淵散射頻移，從而找到一個合適的頻移位置，在此基礎上可直觀的進行頻移實驗。

通過本次實驗驗證了分布式光纖測量軸向應力對布里淵散射的頻移的影響關系，為基于BOTDA的分布式光纖傳感技術在工程環境中的應用提供了理論支持，并且以此為依據可定量的分析頻移和應力之間的關系，以及探究分布式光纖傳感技術的最大空間分辨率、以及傳感精度。

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Research on Structural Stress Optical Fiber Testing Technology Based on Brillouin Scattering

Wang Xianjin1, Li Qing1，Ding Keqin2

(1.Institute of Mechanical and Electrical Engineering, China Jiliang University, Hangzhou 310018,China; 2.China Special Equipment Inspection and Research Institute，Beijing 100029,China)

In this paper, the principle of distributed optical fiber measurement of axial stress is introduced by analyzing the principle of Brillouin scattering in an optical fiber with a certain power. Making the experimental device, measuring the individual strain model, analyzing the wave shape of the scattered wave, and preliminary understanding of the image characteristics of the stress in the optical fiber Brillouin scattering spectrum. The effect of stress on the different position of the fiber, and the difference between them and the scattering waveform obtained from the stress free action are compared, and the effect of the light pulse on the optical fiber transmission is studied. The results show that the effect of the stress is different in the position of the action, and the effect of the propagation of the pulse light is mainly affected by the Stokes and anti Stokes light scattering. The research can provide reference for distributed optical fiber measurement, and it can promote the application of distributed optical fiber in measuring micro deformation. The innovative point of this study is to use the pulley method to solve the effect of the different position of the same stress in the distribution of optical fiber.

distributed optical fiber;brillouin scattering;stress;light pulse

2016-07-28；

2016-08-24。

國家863計劃課題(2015AA043702)。

王先進(1992-)，男，安徽人，碩士，主要從事大型起重設備應力監測方向的研究。

丁克勤(1968-)，男，安徽人，研究員，博士，主要從事結構應力監測方向的研究。

1671-4598(2017)01-0005-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.01.002

TP391.9

A