基于BOTDA光纤分布式应变监测的温度补偿方法

冯亚非 郑欢 郑毅 葛辉良

（1.第七一五研究所，杭州，310023;2声纳技术重点实验室，杭州，310023）

1 引言

与其他传感技术相比，分布式光纤传感器（DOFS）[1]具有一般光纤传感器的抗电磁干扰、绝缘性好和耐腐蚀等优点，还能沿光纤路径测得被测量场在空间和时间上的连续分布信息，可用于测量外界环境的温度、压力、电磁场等参数信息。光纤分布式传感技术在城市管道、油气管道、桥梁、电缆、铁路、大坝水库、堤坝、隧道等领域有广泛的应用。

基于受激布里渊散射的光时域分析技术（BOTDA），原理如图1所示[1]，泵浦光光源发出的光经脉冲调制器调制成光脉冲，再经耦合器进入传感光纤一端，探测光光源发出连续光进入传感光纤另一端。当探测光和泵浦光的频差与光纤中某个区域的布里渊频移相同时，该区域就会发生布里渊放大效应，两光束之间发生能量转移。由于布里渊频移与外界应变、温度存在线性关系，因此，当对探测光光源的频率进行连续调节时，通过检测从光纤一端耦合出来的探测光的光功率，就可以确定光纤上各段区域能量转移达到最大值时所对应的频率差，从而可以计算得到外界温度或应变的信息。

图1 BOTDA系统原理图

研究表明，光纤中的布里渊频移是温度和应变的相关函数，并呈线性关系：

所以测量得到的布里渊频移信息同时包含了温度和应变，而光纤分布式应变监测系统只需了解结构的应变情况，所以有必要进行应变、温度的隔离，分离其中的温度因素影响，得到其中的应变信息。

2 原理

2.1 分布式应变监测温度补偿原理

分布式应变监测温度补偿利用隔离外界应变的参考光缆测量温度分布，并将测量结果用于清除应变测试光缆的影响，在两根光缆具有相同的温度分布情况下，外界温度分布和应变引起的布里渊频移可分别表示为[2-4]：

其中，Ct1、Ct2分别为应变光缆，温补光缆的频移-温度系数，Cε1为应变光缆的频移-应变系数，从而得到应变分布：

2.2 光纤分布式应变监测温度补偿实现

光纤分布式应变监测系统中的温度传感光缆只感受被测结构的温度变化，而应变传感光缆同时感受被测结构的温度和应变变化，最后剥离温度因素的影响，得到被测结构体的应变分布。技术关键有两点：（1）两光缆具有相同的温度响应；（2）温补光缆能够充分隔离应变影响，以下重点介绍温度和应变光缆的具体实现方式。

2.2.1 温补光缆实现方式

温补缆的设计实现如图 2所示，主要包括 5个组成部分，从内到外的结构组成依次为：双芯G652B紧套光纤（直径900 μm）；不锈钢螺旋管（直径2.3 mm）；抗拉元件（凯芙拉）；不锈钢编织网；PE外护套。其中各个组成结构的功能是：双芯G652B紧套光纤，为温度测量提供备份；不锈钢螺旋管为测温光纤提供抗压保护；凯芙拉和不锈钢编织网为温度光缆提供抗拉保护和防扭曲保护；而外护套PE保护层，提供了防水防潮，阻燃等保护。

图2 测温光缆结构示意图

此双芯铠装测温光缆是专门为分布式测温设计的，具有高性能的抗拉、抗压、防扭、防水防潮、柔软坚韧等特点，可以适合各种恶劣的环境。光缆结构简单，容易实现，机械强度高，采用阻燃环保材料，可以满足消防等防火等级要求，协调了导热速度与光缆强度之间的矛盾，可以适用于BOTDA的测温。

2.2.2 温补光缆的工程加装技术

温补光缆主要起到温度补偿、隔离应变的作用，所以在工程加装过程中，温度光缆要贴紧应变光缆，与应变缆感受同样的外界环境温度变化，具体工程安装方式如下步骤：

（1）沿应变光缆的标记线5 mm处，重新平行的画设温度光缆的标记线，待应变光缆点焊完成之后，开始铺设温度光缆。

（2）将温度光缆沿温度缆标记线平直铺放，中间不能出现弯曲、拉力过紧等情况，然后在温度光缆的起点和终点，分别涂抹少量的 406胶水，将温度光缆固定在被测结构表面。

（3）待应变光缆涂抹完成E-44后，开始对温度光缆进行刷胶处理，温度光缆的直径为3.3 mm，所以刷胶的厚度要以覆盖温度缆为宜，待24 h后可达到最佳的粘接性能。

图3 温补缆、应变缆的工程加装效果图

3 实验结果与讨论

为了验证光纤分布式应变监测温度补偿的有效性，做如下实验进行验证：（1）应变隔离实验，在简支梁模型情况下，对简支梁进行逐级的载荷卸荷实验，验证温度补偿光缆不感受应变的变化；（2）温度补偿效果实验，在外界温度温差变化较大的情况下，利用温度补偿缆对应变光缆进行温度补偿，评估效果。

3.1 应变隔离实验

在 2.5 m长的简支梁模型上同时铺设应变光缆和温补光缆，两光缆紧靠铺设，应变光缆光路位置在前，温度光缆在后，两者串联形成回路。对简支梁模型进行逐级卸荷，每级卸荷为 25 kg，然后采用NBX-7000A测量其布里渊频移量，把得到的布里渊频移与初始状态进行对比，得到的对比如图4所示。

选取满载荷时刻为初始状态，图 4第一幅图为频移绝对分布，第二幅图为相对分布，根据定标可得，10～12.5 m为应变光缆；13.5 m到16 m为温度光缆，六级卸荷应变光缆的最大频移量为6.6 MHz，根据标定得到的应变-频移系数（20×10−6/MHz）可得简支梁模型最大应变量为 132×10−6，而温补光缆测量得到的频移波动范围为±0.5 MHz，仪表正常波动范围为 ±1 MHz，属于仪表的误差范围，可以认为温补光缆不受应变变化，满足应用需求。

在室外情况下，搭建2 m长简支梁模型，连续安装10段，共计20 m，在简支梁上同时铺设应变光缆和温度光缆，每隔15 min测量一次频移量，进行24 h温度补偿稳定性测试，得到的对比结果如图 5所示。第一幅图代表了温度光缆的相对温度变化，选取多次测量结果的平均值为初始量，第二幅图代表了应变缆相对初始量的相对应变变化，从相对应变的分布图看，每隔2 m呈现一个凹槽，代表简支梁衔接处。由于应变光缆不受应变，只受温度变化影响，得到的相对应变变化为−500×10−6～500 ×10−6严重偏离真实应变量。

图4 应变隔离效果图（上为绝对频移；下为相对频移）

图5 温度未补偿效果图(上为温补光缆相对应变;下为未补偿应变光缆相对应变)

抽取图5中温补光缆36 m处，做其24 h相对温度漂移图；应变缆24 h相对应变变化图，如图6所示，从两幅图的变化趋势可以看到，温补缆和应变缆具有相同的变化趋势，可以利用温补光缆对应变缆进行温度补偿验证。

图6 单点未补偿漂移图(上为温补缆相对温度变化图;下为应变缆未补偿应变变化图)

图 7的第一幅图代表系统校准后得到的相对应变，波动范围在−50×10−6～50×10−6，第二幅代表了多次测量各点的标准差，其标准差在20×10−6，误差较大的地方代表了简支梁结构的伸缩缝，由于伸缩缝的应变光缆存在应变突变情况，所以误差较大，可以忽略。

图7 温度补偿后应变分布(上为补偿后应变分布; 下为各点标准差)

同样抽取温度补偿后36 m处应变变化值，做随测量时间的变化曲线，如图8所示。从图8中可以得到，补偿后，应变分布集中在±20×10−6之间，最大偏差在40×10−6，而且整体误差分布满足正态分布效果。而NBX-7000A解调仪的精度在±1 MHz，为±20×10−6，说明该点补偿后，除去了温度因素的影响。

图8 36 m处应变补偿效果图(上为测量次数应变分布；下为温补后应变概率分布)

从以上的实验可以证明，光纤分布式应变监测中，温补光缆可以有效的感受外界环境温度的变化，同时对应变变化不敏感，温度光缆测量得到的频移变化为±1 MHz，在仪表测量误差内，可以起到温度补偿的效果。

4 结论

本文针对光纤分布式应变监测中的温度、应变分离问题，设计了温度补偿方案。试验验证了温度补偿光缆的应变隔离。温补测试应变的可行性，为该技术广泛用于桥梁、隧道、高铁，地铁等结构的健康监测提供了基础。

[1] XU M G, REEKIE L, CHOW Y T, et a1. Optical in-fiber grating high pressure sensor[J]. Electronics Letters,1993,29(4):398-399.

[2] BAO X, WEB D J, JACKSON D A. Combined distributed temperature and strain sensor based on Brillouin loss in an optical fiber[J]. Optical Letters, 1994,19(2):141-143

[3] KIM CHI-YEOP, CHO SEOK-BEOM. Temperature compensation of a strain sening signal from a fiber optical brillouin optical time domain analysis sensor[J]. Journal of the Optical Society of Korea, 2003.7(2):106-112

[4] 董玉明,张旭苹,陆元刚,等.布里渊散射光纤传感器的交叉敏感问题[J]. 光学学报, 2007, 27(2):197-201.