光纤温度应变分析系统校准装置研究

王卓念 刘晓琴

学术研究

光纤温度应变分析系统校准装置研究

王卓念 刘晓琴

（广州广电计量检测股份有限公司，广东 广州 510000）

基于光纤温度应变分析系统的工作原理，设计相应的校准装置并提出一种针对光纤温度应变分析系统的校准方法。实验结果表明：该装置在校准工作过程中可实现温度与应变双参数的同时校准，温度控制精度0.1℃，应变控制精度0.1 με，可用于光纤温度应变分析系统的性能测试与评价。

光纤传感；温度校准；应变校准；校准装置

0　引言

光纤温度应变分析系统采用光纤作为传输介质，通过测量光纤中参量变化来实现远距离的测量与监控。光纤具有测量范围宽、高精度和高分辨率的特点，与传统的传感器相比，在强电磁干扰或者易燃易爆的严酷环境下更具优势。它在电力能源、石油化工、航空航天、数据中心等大型设施以及其他需要进行实时温度和应变监测的领域都有广泛的应用[1]。

近年来，光纤传感技术不断更新，分布式光纤传感设备主要基于布里渊和拉曼散射原理进行测量[2-3]。可满足温度和应变同时测量的商用分布式光纤传感设备大多通过布里渊频移分析实现双参量测[4-5]。光纤光栅传感器测量精度和体积均优于基于布里渊和拉曼散射原理的光纤传感器，但无法实现断点测量和连续长距离监测[6]，极少用于分布式光纤传感设备。

本文基于商用光纤温度应变分析系统的工作原理，设计一种非匹配光纤熔接结构的复合式光栅，配合高精度温控器以及光栅解调仪可实现光纤温度应变分析系统的主要测量参数校准。该装置可解决商用光纤温度应变分析系统校准方法缺失的现状，满足设备使用单位测试和量值溯源的需求。

1　装置结构和工作原理

校准装置核心组件结构如图1所示，主要由温控腔体、标准光纤、光纤光栅、光纤接口等组成。标准光纤和已标定光纤光栅固定在铝合金薄板上形成温度增敏结构。高精度温控器和光纤光栅在校准过程中配合光栅解调仪可提供待测量的参考值。

1.温控腔体；2.标准光纤；3.光纤光栅；4.光纤接口；5.铝合金薄板。

校准装置中的温控腔体采用隔热材料覆盖表面以保证温度波动满足要求；标准光纤为单模光纤，纤芯和包层直径分别为9 μm和125 μm；光纤光栅通过激光器聚焦到相位掩膜板后方的载氢单模光纤写栅区域进行刻栅，掩膜板成栅长度为10 mm。为形成非匹配纤芯熔接结构，实验选取芯径小于G.652型标准光纤的色散补偿型光纤刻写布拉格光栅（Fiber Bragg grating，FBG），形成紧凑的迈克尔逊干涉（Michelson interferometer，MI）结构。根据耦合模理论，纤芯模场不匹配状态下一部分基模被激发到包层模式中，由于所在传导模式的有效折射率不同导致光程差不同，其反射光谱波谷波长表示为

式中，△eff为干涉结构传导模式的有效折射率差；为色散补偿光纤长度。

光纤光栅的布拉格条件为布拉格波长B、有效折射率eff、光栅有效周期g满足

B=2effg(2)

当该复合结构光栅受到拉伸作用时，光纤内芯和包层的有效折射率发生变化，光栅布拉格主峰的中心波长和干涉结构的波峰波谷会发生一定量的漂移。当所处温度场发生变化时，光栅布拉格主峰的中心波长和干涉结构的波峰波谷也会因为光纤内芯和包层的有效折射率发生变化而产生相应的漂移。因此，二者光谱对应变和温度同时敏感。当这两者对环境温度和应变呈线性关系时，可实现装置对温度和应变的同时测量，矩阵形式为[6]

式中，B,T和B,ε分别为布拉格主峰对温度的灵敏度系数和对应变量的灵敏度系数；M,T和M,ε分别为迈克尔逊干涉的波谷波长对温度的灵敏度系数和对应变量的灵敏度系数；取=B,TM,ε−B,εM,T，温度和应变的变化量△和△可以表示为

(4)

该复合光栅结构中相应的温度和应变灵敏度系数可以通过实验标定，代入式(4)可得校准装置的温度和应变的变化量。

2　实验与数据分析

2.1　光纤光栅标定实验

复合式光纤光栅标定实验采用光栅解调仪作为光纤光栅反射信号解调设备，光源波长范围(1510~1590) nm，波长精度2.5 pm。应变响应实验在(25±1)℃环境下进行，将复合结构光栅置于带标尺的拉力试验机上，数据采集间隔设置为50 με，应变响应特性曲线如图2所示。纤芯布拉格峰和干涉模式对拉伸导致的应变响应灵敏度不同。布拉格峰因为光栅有效周期增大，中心波长增大，反射光谱图样向长波方向移动形成红移，其灵敏度为0.68 pm/με，线性度2=0.997。干涉模式光谱发生蓝移，灵敏度为−1.12 pm/με，线性度2=0.997。这2种模式在应变测试过程中都表现出较好的线性关系。符合式(3)成立的条件，因此式(4)内矩阵系数B,ε= 0.68 pm/με，M,ε= −1.12 pm/με。

图2　复合结构光栅应变响应特性曲线

温度响应实验过程中，将复合结构光栅水平置于恒温箱内，数据采集间隔设置为5℃，温度响应特性曲线如图3所示。温箱设定温度逐渐上升过程中，纤芯布拉格峰和干涉模式光谱均发生红移，在相应速度上有一定区别，布拉格峰灵敏度12.1 pm/℃，线性度2= 0.996。干涉模式灵敏度50.2 pm/℃，线性度2= 0.999。这2种模式在温度测试过程中都表现出较好的线性关系。符合式(3)成立的条件，因此式(4)内矩阵系数B,= 12.1 pm/℃，M,= 50.2 pm/℃。

图3　复合结构光栅温度响应特性曲线

将所测得的复合光栅结构中相应的灵敏度系数代入式(4)中，其中=B,M,−B, KM,= − 47.7，可得

该复合结构光栅所受到的环境温度和拉伸作用同时变化时，利用光纤解调仪实时监测光栅反射光谱漂移量，可同时得到温度和应变的具体改变量。温度和应变参量的分辨率主要取决于光栅解调仪的最小波长分辨率，该分辨率数值远小于分布式光纤温度应变分析系统的测量分辨率，可满足参数溯源要求。

2.2　光纤温度应变分析系统校准实验

光纤温度应变分析系统校准工作需要引导光纤、光栅解调仪以及用于量值传递的校准装置，连接图如图4所示。校准装置逐渐改变温控腔体内的温度，载体由于热效应会发生形变，标准光纤和光纤光栅的温度、应变参量也会同时变化；与光纤光栅连接的光纤接口通过一定长度的引导光纤连接至光栅解调仪；与标准光纤连接的光纤接口通过同等长度的引导光纤连接至光纤温度应变分析系统；按一定间隔采集温度和应变参量，光栅解调仪记录数据作为参考值，与光纤温度应变分析系统的示值进行比对。

图4　光纤温度应变分析系统校准连接图

待测光纤温度应变分析系统基于布里渊散射原理工作，在1550 nm波段进行布里渊频移测试。温度相关性测试采用光栅解调仪实时检测数据作为参考值，每间隔10℃光纤温度应变分析系统记录一次数据，温度与布里渊频移呈正相关，斜率为1.0019 MHz/℃，线性度2= 0.999，如图5所示。校准装置所测温度参数散点与理论曲线偏差小于0.1℃且线性度良好，符合布里渊频率漂移关系。

图5　1550 nm窗口布里渊频移与温度关系图

应变相关性测试采用光栅解调仪实时检测数据作为参考值，每间隔50 με光纤温度应变分析系统记录一次数据，应变与布里渊频移呈正相关，斜率为0.0496 MHz/με，线性度2= 0.999，如图6所示。校准装置所测应变参数散点与理论曲线偏差小于0.1 με且线性度良好，符合布里渊频率漂移关系。

图6 1550 nm窗口布里渊频移与应变关系图

3　结论

本文提出针对光纤温度应变分析系统的校准方法。实验结果表明：使用该装置在校准工作过程中可实现温度与应变双参数的同时校准，温度控制精度0.1℃，应变控制精度0.1 με。该装置结构简单紧凑、成本低且易于实现，可开展对光纤温度应变分析系统的校准工作，为工程质量监测单位提供技术保障。

[1] 裴丽,翁思俊,吴良英,等.光纤激光传感系统的研究进展[J].中国激光,2016,43(7):7-13.

[2] 陈磊,詹跃东,田庆生.基于BOTDR分布式传感系统的研究[J].仪表技术与传感器,2019(6):96-100.

[3] 陶在红,王婷婷,孔春霞.基于拉曼散射的分布式光纤量子传感机理研究[J].量子电子学报,2019,36(5):635-640.

[4] 张吉生,李永倩.光纤布里渊温度和应变分布同时传感方法研究[J].光通信研究,2008(5):53-56.

[5] 徐宁,戴明.分布式光纤温度压力传感器设计[J].中国光学, 2015,8(4):629-635.

[6] Oliveira R, Osório, Jonas H, Aristilde S, et al. Simultaneous measurement of strain, temperature and refractive index based on multimode interference, fiber tapering and fiber Bragg gratings[J]. Measurement Science & Technology, 2016, 27(7):075107.

Research on Calibration Device of Optical Fiber Temperature Strain Analysis System

Wang Zhuonian Liu Xiaoqin

(Guangzhou GRG Metrology & Test Co., Ltd. Guangzhou 510000, China)

Based on the working principle of the optical fiber temperature strain analysis system, the corresponding calibration device is designed and a calibration method for the optical fiber temperature strain analysis system is proposed. The experimental results show that the device can realize the simultaneous measurement of both temperature and strain parameters during the calibration, with a temperature control accuracy of 0.1℃ and a strain control accuracy of 0.1με, which can be used in the performance testing and evaluation of optical fiber temperature strain analysis system.

optical fiber sensor; temperature calibration; strain calibration; calibration device

王卓念，男，1991年生，硕士，主要研究方向：光电信息技术。E-mail: wangzn@grgtest.com

TH71

A

1674-2605(2020)03-0003-04

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.03.003