基于布里渊散射的结构应力光纤测试技术研究

王先进，李 青，丁克勤

(1.中国计量学院，灾害监测与仪器国家地方联合工程实验室，杭州 310018；2.中国特种设备检测研究院，北京 100029)

基于布里渊散射的结构应力光纤测试技术研究

王先进1，李 青1，丁克勤2

(1.中国计量学院，灾害监测与仪器国家地方联合工程实验室，杭州 310018；2.中国特种设备检测研究院，北京 100029)

作者通过分析一定功率的脉冲光射入光纤中的布里渊散射规律，介绍了分布式光纤测量测量轴向应力的基本原理；制作实验装置，测量单独的应变模型，分析散射回来的波形图，初步了解应力在光纤布里渊散射波谱上的图像特征；将应力作用于光纤的不同位置，对比它们与无应力作用诗所得到的散射波形之间的图像差异，研究其对光脉冲在光纤传输过程中的影响规律；结果表明，应力的作用大小，作用位置的不同都会对脉冲光的传播造成影响，主要在于影响布里渊散射的斯托克斯光和反斯托克斯光；本次研究所得可以为分布式光纤测量提供参考，为分布式光纤在测量微型形变的应用中有一定的促进作用；本次研究的创新点在于使用滑轮的方法，解决同等应力在分布光纤的不同位置作用效果。

分布式光纤；布里渊散射；应力；光脉冲

0 引言

光波在光纤中的传播，由于光纤是非结晶材料，在微观空间表现出的不均匀结构，所以存在少量的散射的现象。布里渊散射是在光纤中传播的光波与声波在相互作用而产生的散射。

大型起重设备是非常常见的工业设备，随着我国迅速的城镇化，大型起重设备在工业生产中随处可见，起重设备吊取重物时，横梁受力应变无法直观表现，这样频繁过度的施工使用会使受力部分产生肉眼难以观测的损伤，局部地区产生相对过大的形变，从而引起安全隐患。而这些形变可以通过应变的分布式观测其细微的应力变化，从而达到预防的目的。光纤中光波传播的布里渊散射效应可以实现对变形应力的分布式观测。

1 基于布里渊散射的分布式光纤传感技术

1.1 布里渊光时域反射分析仪分布式光纤传感技术

光波在光纤中传播存在散射，散射的光波会随着光纤所处的温度、压力、应力和应变等，产生频率上的差异，从而达到测量的效果。在这种测量方式中，光纤既是环境信息的传感介质，又是信号传输的传输介质。这种传感技术可以在很大的空间范围内连续的进行传感，传感和传光使用同一根光纤，传感部分结构简单，使用方便，而且和传统的点式传感器相比，单位长度内信息获取成本大大降低，性价比高。

布里渊光时域分析技术( BOTDA)是一种分布式光纤传感技术，它是基于一定频率的脉冲光射入光纤，通过反射回来的光波的频率移动来测量环境信息的技术。该技术能够实现温度和应变的同事测量，且测量精度、传感距离和空间分辨率较高，该技术以巨大的优势，在海底光缆制造和施工维护、石油天然气管道泄露、发电厂、变电站高压设备、高压电缆、废气处理厂的温度监测、大型混凝土结构(大坝、隧道、建筑物等)的结构健康监测，以及山体滑坡、河床塌陷等地质灾害监测、大型起重设备受力情况等方面有着广泛的应用前景，受到国内外的广泛关注与研究。

BOTDA技术是根据受激布里渊散射的一种光时域分析技术。在单模光纤的一端注入一定频率为f的光脉冲信号，另一端注入频率以f为中心上下波动fB的连续探测光，在两束光相遇的位置会发生受激布里渊散射，f±fB频率的连续探测光在这个位置会获得增益或者衰减，从而整条光纤上的所有位置的光功率变换能在时域上被探测到。从而实现分布式光纤对环境变量的测量。基本原理如图1所示。

图1 布里渊光时域分析技术原理图

1.2 布里渊散射频率与轴向应变之间的关系

当沿着光纤方向的环境信息(温度、压力、应力等)发生变化时，背向布里渊散射光方向的频率会发生移动。其移动的多少与环境信息(温度、压力、应力等)呈线性关系变化，所以可以通过测量频移量的多少，从而间接获取其环境信息(温度、压力、应力等)。

根据光信号布里渊频移与光纤温度和轴向应变之间的线性变化关系，在温度补偿(或应变补偿)条件下得到光纤的应变变化量(或温度变化量)用下式(1)表示：

(1)

式中，ΔVB为布里渊散射的频率移动量，Cvt为布里渊散射频率移动的温度系数，Cvε为布里渊散射频率移动的应变系数，Δt为沿纤环境温度的变化量，Δε为沿纤环境应变变化量。在本试验中我们忽略温度对布里渊频移量的影响(假设温度固定)，即认为温度不变化或者变化幅度非常小，所以布里渊频移量和所受应力存在一个明确的线性关系。

2 实验平台的设计与搭建

2.1 实验方案设计

笔者设计下列实验步骤来研究沿光纤方向的应力对布里渊散射的影响规律：

(1)研究应力作用位置对布里渊散射的影响规律，将不同的轴向应力分别作用在分布光纤的不同位置，分别进行实验。

(2)研究光纤起始应力状态不同的情况下，增加等梯度应力对布里渊散射频移的作用影响规律，将同一段光纤的两部分重合控制其绷紧程度不同，在相同的点加等量的轴向应力，进行实验。

(3)进行结果分析，结合所得实验数据，对其实用性进行分析。

2.2 实验平台的制作及搭建

实验平台在此设计成一个管道体结构，向管道上布设单模裸光纤，制作应力分布模型，在用BOTDA设备测量得到布里渊散射波的频移图形。

实验管道截面尺寸为内Φ0.6 m外Φ0.7 m，长度为7 m，底部为连体三角架整体把其在距中心总长度为6 m处支撑起来，并在装置的中心位置添加了为管道施加应变的部分，且支撑部分可以加固定螺丝，使其在中间处应变的时候，两端自由处不会移动。管道一侧采取打磨的办法使其表面光滑，易于布设光纤，布设完成后，为了使其应变效果达到最大，在这里我们把光纤部分放在施加应变装置的对侧，即整体光纤的布设部分在管道截面的距地最低点处。并在管道的各部分张贴距离标签，方便分析其距离和布里渊散射的频移关系。整体装置制作完成后如图2所示。

图2 整体装置完成图

2.3 实验仪器与相关参数设定

本次实验所使用的仪器是分布式光纤温度应变监测系统DiTest STA-R 。该仪器是在windows xp系统下的数据采集和分析仪器，开启仪器后，在参数调节区进行如下表1所示参数的设置，完成后便可开始测量。

表1 DiTest STA-R设备参数设置

2.4 对布里渊散射频移的影响研究

2.4.1 不同轴向应力对频移的影响

因为单模裸光纤极易折断，所以在此实验中我们采取的是用两个动滑轮可移动的固定光纤的方式，如下图3所示，1、4线重合，并在图中左端固定1、4线，右端动滑轮固定，然后把左端动滑轮移动到合适位置，观察其布里渊散射频移与自由段(固定在管道上之外不受力的光纤)做比较，得到的频率变化如图3所示。

图3 光纤在钢管上的粘合布设图

图4 布里渊频率空间距离分布图

由图4可以看出自由端(27.46～82.88 m处)的布里渊频率为10.78 GHz,相对于自由段可以看出在我们施加轴向应力的部分段(3.51～27.46 m处)相对于自由端有不同程度的频率移动，其中0～3.51 m处是BOTDA仪器的脉冲光发射口到开始固定端之间的跳线长度，3.51～9.74 m为固定的1号光纤的频率状态，9.74～21.55 m处为左侧可动滑轮相连的2、3号光纤的频率状态，21.55～27.46处为固定的4号光纤的频率状态，由图我们可以看出2、3号光纤相对于1、4号光纤有个明显不同的频率移动，这是因为我们把1、2的左端以及右侧滑轮固定了，在我们移动左侧滑轮的时候，由于右侧滑轮绕光纤的摩擦力的存在，导致1、4光纤和2、3光纤存在明显不同的频率移动，为了验证结论，从新设计一个验证试验滑轮之间的摩擦力导致了1、4光纤和2、3光纤之间的频率差异。

2.4.2 滑轮之间的摩擦力对实验结果的影响

在上次实验的基础上，继续左移左侧滑轮，并把2号光纤向着1号光纤的方向稍微手动拉松弛一点，然后任其自由恢复，测的的光纤频率状态如图5所示。

图5 滑轮间摩擦力对布里渊频移的影响

如图5所示，光纤的总长度变为70.47 m，这是因为在实验过程中，光纤拉断一次，从新布设的光纤，断裂部分测量长度为12.2 m，结合光纤熔接截取的长度约为0.2 m，所以减少长度为12.4 m，结合图中82.88-70.47=12.41 m，故此关于布里渊散射测量光纤长度的精度还是非常高的。分析图中频移大小我们可以看到3号光纤的频移相对于1、2、4不同，理论上1、2、3、4号光纤的频移都应该是相同的，但是由于左右滑轮之间的摩擦力的存在，导致1、2、3、4光纤上的应力各不相同，才产生了如上的结果。

2.4.3 不同应力的频移效果

此后从新布设光纤，并不断的在中心处增加应力，施加应力装置如图6所示。

图6 管道中间加力装置

获取的不同应力频移图像如图7所示。

图7 不同应力梯度所对应的布里渊频率状态

图7中曲线分别是从不加应力的初始状态到最大应力的5个应力梯度所对应的频率状态，大致可以看出随着应力的增加，频率也相应得发生了移动，而且由图我们可以看出与1、4光纤直接相连的右侧滑轮处基本是没有频移的(图中8.5 m左右和18.5 m左右)，但左侧滑轮连接处发生了频移(图中12 m的位置)，此处推测是两侧滑轮的摩擦力不同，导致左侧滑轮处较右侧滑轮发生了频移。

最大频移和无应力时频移作差可得出频移效果图，如图8。

图8 不同应力梯度之间作差比较

由图8我们可以看出，在我们设计的滑轮光纤这个实验中，1、2、3、4光纤在管道的中心位置都发生了频移，并且在最大应力处的两侧递减，且频移的大小基本相同，与所受应力大小呈正比例关系，且在最大应力处附近呈递减状态。光纤粘合的平均长度为(22.69-3.67)/4=4.755 m，结合这4段光纤的各个的频移状态，可以看出每段的频率变化阶梯将近5个梯度，所以推测其空间分辨率为4.755/5，将近1 m左右。

3 结论

作者从理论分析结合具体实验的角度，总结了应力大小对布里渊散射的频移的影响，主要表现在应力和布里渊散射的频移存在线性关系：

(1)光纤在传输光的过程中，如果受到轴向的应力作用，会产生布里渊散射，使入射光的频率发生一定程度的频移。

(2)轴向应力的大小会影响入射光频移的大小，主要表现为光纤所受轴向应力越大，入射光的布里渊频移越大。

(3)布里渊散射光的频移大小与初始状态的光纤状态无关，与所受应力大小呈正比例关系，且在最大应力处附近呈递减状态。

(4)通过滑轮动态改变光纤的初始状态，可以很好的控制其布利渊散射频移，从而找到一个合适的频移位置，在此基础上可直观的进行频移实验。

通过本次实验验证了分布式光纤测量轴向应力对布里渊散射的频移的影响关系，为基于BOTDA的分布式光纤传感技术在工程环境中的应用提供了理论支持，并且以此为依据可定量的分析频移和应力之间的关系，以及探究分布式光纤传感技术的最大空间分辨率、以及传感精度。

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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。

国家863计划课题(2015AA043702)。

王先进(1992-)，男，安徽人，硕士，主要从事大型起重设备应力监测方向的研究。

丁克勤(1968-)，男，安徽人，研究员，博士，主要从事结构应力监测方向的研究。

1671-4598(2017)01-0005-04

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

TP391.9

A