基于BOTDA的温度和应变测试探讨

聂 俊，李端有，梁 俊

基于BOTDA的温度和应变测试探讨

聂 俊1，2，李端有1，2，梁 俊1，2

（1．长江科学院工程安全与灾害防治研究所，武汉 430010；2．水利部水工程安全与病害防治工程技术研究中心，武汉 430010）

基于布里渊散射的分布式光纤传感系统同时具有远距离测量和高精度测量的特点，因此在土木工程监测领域中的运用越来越广泛。根据光纤布里渊频移与光纤应变、温度之间的关系，可以确定光纤各小区间上能量转移达到最大时的频率差，从而得到温度和应变信息，实现分布式测量。基于BOTDA的分布式光纤测量系统可以同时测量温度和应变，大大提高了光纤测量的效率。研究发现，在温度测试中光纤的保护层厚度制约了光纤测温的精度，对光纤保护层改进可以提高测温的准确性。在应变测试中，基于BOTDA的分布式光纤测量系统对应变测试可以很简便地进行温度补偿，简化了传统应变片测量中的温度补偿，提高了应变测量的准确性，具有很高的性价比。关键词：分布式光纤；BOTDA；布里渊频移；应变测量

1 概 述

光纤是光导纤维的简称，20世纪60年代华人科学家高锟制造出了世界上第一根光导纤维，光纤的发明为信息高速公路奠定了基石，在很大程度上改变了世界的通讯模式。虽然其最初的研究是为了通信，但不久后人们发现光纤具有许多新的优良性质，因而在其他领域也广泛应用，其中之一就是构成光纤传感器。将光纤传感器用于大型结构的健康检测是随着现代光纤工程中应用十分广泛的光时域反射技术的出现而发展起来的，目前正处于蓬勃发展的时期。1989年，Mendez等人首先提出了把光纤传感器用于混凝土结构的检测，之后，日本、美国、德国等许多国家的研究人员先后对光纤传感系统在土木工程中的应用进行了研究。日本、美国和瑞士的光纤传感器在土木工程中的应用领域相对较广泛，已经从混凝土的浇筑过程扩展到桩柱、地基、桥梁、大坝、隧道、大楼、地震和山体滑坡等复杂系统的测量和监测［1］。光纤传感器由于它特有的优点正迅速在土木工程的各种监测中广泛应用，相信在以后的工程中会越来越多地用到光纤传感器。

随着光纤传感器在工程中的应用和发展，光纤传感器的优势也越来越明显，与传统的差动电阻式和钢弦式传感器相比，光纤传感器具有如下优点：①光纤具有抗电磁干扰、防雷击、防水、防潮、抗腐蚀等特点，适用于水下、潮湿、有电磁干扰等一些条件比较恶劣环境的监测，与金属传感器相比具有更强的耐久性；②光纤本身既是传感器又是信号传输通道，可以比较容易实现长距离、分布式监测［2］；③光纤传感器本身轻细纤柔、体积小、重量轻，便于布设安装，将其埋入结构物中不存在匹配的问题，对埋设部位的材料性能和力学参数影响较小，可以深入监测结构内部的的应力情况，对监测的范围有了新的扩展。

其中，基于拉曼散射的光纤测温技术和基于瑞利散射的裂缝测试技术是发展较早的分布式光纤测试技术，但二者都难以实现远距离和高精度的测量。而基于BOTDA的分布式光纤测量系统不仅能够同时测量温度和应变，还可以同时实现远距离和高精度的测量，是光纤测试技术的重大突破，大大提高了光纤测试的效率，因此，有必要对它做深入的研究分析。

2 BOTDA的原理

光在光纤中传播，大部分光是沿前向传播的，但由于光纤材料的光学性质存在微观不均匀性，或者由于光纤本身的光特性，入射光束的一小部分会产生偏离原来的传播方向产生散射现象。光纤内光的散射现象主要有瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射3种，其3种反射形式如图1所示。

图1 光纤内光的散射的3种形式Fig．1 Three types of light scattering in optical fiber

基于布里渊散射的分布式光纤温度传感系统由于在实现远距离和高精度探测方面均优于基于另外2种散射的传感系统，因此有很大的发展前景［3］。随着该技术不断运用和推广，该技术所达到的探测距离和探测精度也都在不断提高，NBX-6050就是一种基于BOTDA的探测系统，它在距离上达到了25 km，在精度上温度达到±1℃，应变达到了±25×10－6。

BOTDA（Brillouin Optical-fiber Time-Domain A-nalysis），即布里渊光纤时域分析技术，它是布里渊光谱分析技术与光学时域反射（OTDR）技术的融合，其基本原理如图2所示。

图2 BOTDA光纤传感系统原理框图Fig．2 Princip le of BOTDA optical fiber sensing system

布置于光纤两端的可调谐激光器分别将一脉冲光（泵浦光）与一连续光（探测光）注入传感光纤，当泵浦光与控测光的频差与光纤中某区域的布里渊频移相等时，在该区域就会产生布里渊放大效应（当2束泵浦光在光纤中反向传播，并且二者的频差等于布里渊频移时，弱的泵浦信号将被强的泵浦信号放大，称之为布里渊受激放大作用），2光束相互之间发生能量转移［4］。

受激布里渊散射实际上是一个三波耦合的过程，即入射光（泵浦）、受激发的声波以及散射光波（斯托克斯波）之间的相互作用。通常可以描述为，泵浦光由于电致伸缩在入射介质上产生一个压力波并导致介质密度的波动，从而改变了磁化率。即入射波激发了声波，声波又对入射波产生了散射，而散射过程则产生了斯托克斯波，斯托克斯波相对于入射波产生了频移，其中背向布里渊散射的布里渊频移最大［5］，即

式中：VA为声速；n是纤芯的折射率；λ是泵浦光的真空波长。对于普通的硅玻璃光纤n＝1．46，VA＝5 945 m／s当泵浦光波长λ＝1．55μm时，布里渊频移VB＝11．2 GHz。

根据光纤布里渊频移与光纤应变、温度之间的关系，对两激光的频率进行连续的调节，监测从光纤一端耦合出来的连续光功率，可以确定光纤各小区间上能量转移达到最大时的频率差，从而得到温度、应变信息，实现分布式测量。BOTDA技术中，光纤的应变量、温度变化与布里渊频率漂移量的关系：

式中：νB（0）是指在ε＝0，温度为T0时光纤布里渊频率漂移量；νB（ε，T）是指在应变为ε，温度为T时光纤布里渊频率漂移量；C12为温度影响系数，C12＝dνB（T）／d T；C11为应变影响系数，C11＝dνB（ε）／d T。

3 基于BOTDA的温度、应力测试

3．1 温度测试

采用NBX-6050对测温光纤和裸纤进行温度测试。光纤为烽火集团定制的松套测温光纤和裸纤，接头为FC（W）白色套筒，测温光纤和裸纤是进行温度标定过的光纤。测温光纤的构造如图3所示。

图3 测温光纤构造图Fig．3 The structure of temperaturemeasuring optical fiber

把裸纤和测温光纤连成一个回路，并放置在测温箱里，进行温度试验，调节测温箱的温度，当温度上升到预定温度后控制恒温箱温度，恒定1 h使光纤充分受热，然后分别用温度计、测温光纤、裸纤测量温度，其结果见表1。

表1 温度计、测温光纤、裸纤的温度测试结果Table 1 The test results by thermometer and tem peraturem easuring optical fiber and bare fiber℃

由试验结果可以得出：对于测温光纤，当恒温箱温度逐渐升高时，测温光纤测值与温度计测值之差逐渐变大，当温度大于60℃时，差值已经达到了2℃，超过了误差范围；对比裸纤，测温值与温度计测值之差变化较恒定，并没有出现测值随温度升高差值变大的情况。分析原因是因为松套光纤的保护层过厚引起的，根据图3可以看出，测温光纤中设置了很厚的保护层，该层主要由油层、尼龙和塑料层组成，是为了防止光纤内芯在测温时受外力产生应变而导致测温误差，但该层同时也影响了温度的传递。当温度升高时，测温光纤的保护层阻碍了温度传递给内芯光纤，使光纤实际受到的温度小于环境温度，引起光纤的布里渊频移量变小，导致光纤测量结果偏小。为了提高测温光纤的测温精度，就需要对保护层做一定的改进，采用导热性好的材料做保护层，尽量减小保护层厚度，使温度的传递损失变小，才能让测温光纤的内芯感应环境温度，提高测温的精度。

对比测温光纤，裸纤测温的效果较好。因为裸纤没有保护层，光纤可以很灵敏地感受环境温度的变化，测出温度值。但同时由于裸纤没有保护层，很容易受外界因素影响，在测试时可能由微小应力而产生布里渊频移，也会使测温结果产生误差，同时裸纤易断，故在布设裸纤测温时要特别注意光纤的保护。

3．2 应变测试中的温度补偿

进行应变测试时，把一根进行过温度标定的测温光纤熔接在应变光纤上一段不受力的位置使之构成一个回路，对测温光纤进行区段系数设置后即可同时进行温度和应变测试［6］，测温光纤测出温度T，然后根据公式（3）计算出应变，即可作为温度补偿求得真实应变值，即

采用NBX-6050进行温度补偿后的应力测试试验中所测的应变值如图4所示。

图4 应变试验中温度补偿对比Fig．4 The temperature compensation comparison in strain experiment

由于设置了温度补偿参考，补偿了温度产生的应变，环境温度变化对应变测试产生的影响降到了最小，在温度补偿后处于自然状态下的光纤所测应变值都为0，所以光纤传感器在测量应变时的温度补偿要优于传统的应变片测量。由图4可以看出，在拉伸段的6个测点值并不完全相同，随着拉应力的增大，处于拉伸段的光纤测得各个点的值之间差值出现增大趋势。分析原因是由于粘贴光纤时光纤不可能绝对地平行于拉伸杆，故光纤的实际受力方向与拉力方向并不完全平行，而光纤所测的应变只能是沿着拉伸杆方向，当杆件拉伸时，光纤的各点变形会出现不均匀。随着拉力的增大，受拉光纤各点的变形也增大，各点的应变值也会不同。所以光纤传感器测应变时所测的值是该段的平均应变，而且方向是沿光纤轴向方向的应变，对于其他方向产生的应变很难精确测量，对于某点的应变值只能通过测量该点附近的某一段应变后取平均值来确定。

通过以上研究可以发现，利用分布式光纤测量温度和应变有不足之处，应用时需加以考虑：①利用分布式光纤测量温度时要求所测环境温度为渐变的，不能变化太快，否则会导致测量结果偏小；另外，由于受到测温光纤保护层耐热强度的影响，对于高温的测量光纤也有一定的局限性；②利用分布式光纤所测得的应变为该监测段的平均应变，对于有应力集中现象的结构是不能进行精确监测的，而且对于所测的应变方向只能都处理为沿光纤铺设方向，这为测量带了误差，运用时需要考虑到；③基于BOTDA技术的光纤测量要求被测光纤传感器必须是一个完整的回路，所以不能探测光缆的断点，因而被测光缆必须完好，不能有断点，这对光缆的铺设和保护要求较高，使得其应用条件受到一定限制。

4 结 论

基于BOTDA的分布式光纤传感技术在测量的精度和测量的距离上有了很大提高，并且可以同时进行温度和应变的测量。因其可以很简便地进行温度补偿，相比传统方法测量应变时剔除温度效应的

影响要简洁和精确，因此具有很高的性价比。但是对于应力状态比较复杂的结构，进行应力测试时需要布置更多的光纤传感器进行测量，如何布置监测网，如何处理分布式光纤测量的应变方向，这个问题仍待进一步研究。

［1］ 姜 艳，黄荣富．光纤传感技术在土木工程结构健康监测中的应用［J］．水利科技与经济，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］ 马水山，王志旺，李端有，等．光纤传感器及其在岩土工程中的应用［J］．岩石力学与工程学报，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 锐．基于布里渊散射的分布式光纤感温系统在火灾报警领域的应用探讨［J］．消防技术与产品信息，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］ 国 兵，隋青美，韦 斌．基于布里渊散射的分布式光纤传感器的发展［J］．信息技术与信息化，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，黄尚廉．光缆拉伸应变分布测量的新方法——布里渊光纤时域分析技术［J］．半导体光电，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］ 朴春德，施 斌，朱友群，等．灌注桩检测中BOTDR温度补偿试验研究［J］．防灾减灾工程学报，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） ）

（编辑：周晓雁）

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

聂 俊（1986-），男，湖北宜昌人，硕士研究生，主要从事岩土工程监测研究，（电话）13407106048（电子信箱）niejun318＠163．com。