基于区间段测量的分布式铠装光纤应变系数标定

苏维伟 邓康庆 邓清禄 李德胜 李仁和

摘要：在工程测量时，分布式铠装光纤往往需要输入相应的应变系数进行监测，然而很多厂家并没有提供相关的参数。基于布里渊光时域分析的分布式传感系统原理，研制了一套铠装分布式光纤应变系数测量装置。该装置的创新性在于提出并实现了“区间标定法”，该方法规避了传统的光纤应变系数测量中夹具可能对光纤测试造成的干扰。应用所研发装置对两个厂家的铠装光纤应变系数进行测定试验，结果表明：相较于传统测试方法，区间标定法能够获得更为准确的测量结果。

关 键 词：铠装光纤; 应变系数; 区间标定; 布里渊光时域分析; 光纤标定装置

中图法分类号： X924.2;TP212

文献标志码： A

DOI：10.16232/j.cnki.1001-4179.2022.05.028

0 引 言

分布式光纤传感技术是将光纤既作为传感器又作为被测物体传输测量信号通道的感测技术[1]。相较于传统监测手段来说，它具有分布式、长距离、抗干扰、抗腐蚀等优点，近年来被广泛应用在滑坡[2-3]、古建筑保护[4]、土木工程[5-6]、隧道工程[7]、边坡工程[8-9]、水利枢纽[10]等岩土工程和大型结构物的健康安全监测中。目前较为常见的几种光纤传感技术包括：布里渊光时域反射技术（BOTDR）、拉曼散射光时域反射技术（ROTDR）、布里渊光时域分析技术（BOTDA）等[11-13]。本文涉及的是布里渊光时域分析技术（BOTDA），其光纤产生的布里渊散射光的频移变化与应变和温度变化之间具有线性关系[14]。为使光纤传感技术更好地适应工程实际环境，目前市场上推出了多种类型的铠装光纤，但由于厂家、生产工艺等不同，不同类型的铠装光纤应变系数（包括温度系数）势必存在差异，并且许多厂家都没有给出应变系数和温度系数。因此，将传感光纤布设于实际工程中之前，需要对传感光纤应变系数和温度系数进行标定。

目前已报道的光纤应变系数标定方法有等强度梁法、定荷拉伸法、定点拉伸法等。等强度梁法[15]是将光纤用聚苯乙烯粘贴在等强度梁上，通过等强度梁的真实应变与布里渊频率变化值计算光纤应变系数。定荷拉伸法是将一端光纤固定，另一端绕过定滑轮悬挂砝码，根据砝码重量和光纤模量，得出应变值，再通过布里渊频率计算出应变系数。定点拉伸标定法[16-17]则是将光纤固定在两端的夹具上，控制滑台的位移量，计算应变变化与布里渊频率关系从而得出光纖的应变系数。也有一些学者提出了较新颖的标定方法：吕安强等[18]将光纤缠绕在经过细刻的金属管上，根据金属管热胀的特性，放置水浴中逐级加热求得光纤应变与布里渊频率的关系，计算应变系数;安鹏举等[19]结合定点拉伸法并运用数字图像标定的方法来测定光纤应变系数。

上述这些标定方法大多适用于裸纤的标定，而铠装光纤通过将光纤植入到钢索、金属带、玻璃钢、碳纤维、聚乙烯等加强材料来保护纤芯，大大提高了抗拉强度，因此，铠装光纤标定需要考虑如何提供较大的拉伸力。拉伸裸纤时通常使用胶粘剂粘贴裸纤两端就足以固定，但对于铠装光纤而言则需要采用夹具来固定，这需保证光纤固定时在拉伸过程中信号传输良好，且不易产生滑脱。在测量时，光纤在拉伸中因受力变化量和被夹具固定部分的变化量不同，会造成光纤测量误差。本文基于布里渊光时域分析（BOTDA）技术，研制一套分布式铠装光纤应变测试装置，采用区间段测量法，规避夹具固定部位可能对光纤测试结果带来的影响，并选取两种类型的铠装光纤进行测试，从而验证此标定方法的可行性。

1 基于BOTDA的分布式光纤传感系统简介

如图1所示，基于BOTDA的分布式光纤传感技术工作原理是将脉冲光和连续光分别从光纤两端注入，根据受激布里渊的特性，当泵浦光与探测光在光纤某段区域内布里渊频移相等时，泵浦光与探测光之间便会发生能量转移，进而产生布里渊效应。因此通过对两个激光器的频率连续调节，来检测光纤一端耦合的探测光的光功率，便能确定光纤各区域上能量转移达到的最大频率差，这种频率差和光纤的自身频率的应变和温度呈良好的线性关系[14]，其关系可以用式（1）表示：

νε，T=νε0，T0+νε，TεΔε+νε，TTΔT（1）

式中：νε0，T0是光纤初始状态下的布里渊频移，νε，T为光纤温度与应变变化后的布里渊频移，Δε是应变变化量，ΔT是温度变化量，νε，Tε和νε，TT分别对应应变系数和温度系数。所以，基于BOTDA的分布式光纤测试时，需要形成一条完整回路，才能检测到布里渊频率的变化。其中应变系数和温度系数均与光纤的材料、工艺有关，以常见的G652紧包单模光纤为例，其应变系数在0.05 MHz/με左右，而温度系数在1 MHz/με左右。

2 标定原理

布里渊频移会受到应变和温度的影响，但只要控制在恒定环境下，如变化在5 ℃以内，对于布里渊频率的影响不大。因此，温度作为次要因素可以暂时不作考虑，则式（1）可以简化为

νε，T=νε0，T0+νε，TεΔε（2）

通过BOTDA光纳仪可以准确测得光纤变化前后的布里渊频移，只要精确测量光纤变化前后的应变量，就能够得到光纤的应变系数。

而光纤应变量可根据应变的物理定义求得，即光纤变化前后的长度变化量占光纤初始长度的百分比，如（3） 式所示：

ε=ΔLL0×100%（3）

式中：L0为测量段光纤初始长度，ΔL为光纤的变化量。因此只需读出每次光纤变化量即可求出应变。

3 试验方案

3.1 压块固定端调整

压块的松紧会对光纤测量有一定的影响，过紧易造成应力集中使光纤信号减弱，从而影响光纤监测，而过松则会造成铠装光纤拉伸过程出现滑脱。为此，需确定如何固定光纤，取长约1 m的光纤无任何防护地放置在压块中（见图2），通过数显扳手调节压块上的螺丝，每次调节以0.5 N·m的扭矩增加，共计测试4组，每组用光纳仪测定应力变化，结果如图3所示。可以看出其在5 N·m时数据开始异常波动，且在5.5 N·m时已无法测试，但回路仍旧有光信号，说明光纤受到的应力较为集中使得压块段光传输强度降低。

为防止压块受力不均匀，采用橡胶垫进行缓冲（见图4），其余步骤同无防护时一样，测得应变变化如图5所示。光纤可承受应变从5 N·m扭矩增至11 N·m，光纤应变也呈现出逐渐增大的态势，但超过11 N·m后同样也出现光信号变弱无法测试，但其承受的压力比无防护大一倍左右。可能是由于橡胶垫使得光纤与压块两端得以缓冲以及受力更加均匀所致。

但实际拉伸测试中仍然发现有光纤滑脱的情况，且在有护垫防护下超过6 N·m扭矩会出现数据缺失失真。因此采用铠装光纤钢绞线绞合螺母，并用环氧树脂粘接为一体顶至压块（见图6），并采用6 N·m扭矩压紧的方式固定光纤进行后续试验。

3.2 区间段测量

定点拉伸分布式铠装光纤时，其应变系数的精度与应变测量准确度息息相关。光纤在拉伸过程中光纤整体应变不是均一的，尤其在两个固定端受影响较大，这是由于固定端所感测的布里渊散射光除了来自拉伸产生的应变外也有一部分是受到压块压力而产生的。为避免固定端影响整体铠装光纤应变标定，采用区间段测量的方法，即在铠装光纤上取1 m的区段范围作为观测对象，此区间段需远离固定端，为保险起见，选取距固定端1 m以上的光纤段。在这1 m区间标定段光纤的两端分别安装位移传感器记录其位移数据。拉伸时，沿拉伸方向两端的位移传感器记录数据不相同，如图7所示，只需将两个位移相减即可得到区间段的位移变化，实际效果如图8所示。同时为做对比，专门安装一个位移传感器来监测全长位移变化。

3.3 试验步骤

为验证标定台及测量方案的可靠性，本文采用苏州南智传感有限公司生产的型号为NZS-DSS-C02铠装光纤和长飞公司生产的型号为GJYJY-1B1.3铠装应变光缆。南智产品其出厂应变系数为0.049 9 MHz/με，而长飞公司并未给出相关系数。试验装置如图9所示，通过步进电机调节光纤受力，分别读取区间标定段的两个位移传感器和全光纤位移传感器的读数，同时用基于BOTDA的neubrex-6050型号光纳仪测试其光纤的布里渊频移。最后将区间段应变结果和总长段应变结果分别与相应的受拉段布里渊频移进行拟合，便可获得应变系数。具体步骤如下：

（1） 取一段长8.5 m的苏州南智传感铠装光纤，分别在尾端两侧50 cm处剥离出钢绞线，绞合螺母呈放射状，用环氧树脂将钢绞线和螺母粘接为一体，静置24 h。

（2） 將处理好的光纤沿测试台缠绕，两端固定在压块上，并以6 N·m的扭矩旋紧螺丝，控制步进电机使铠装光纤处于轻微绷直状态，作为位移数据初始值。在距固定端1 m的光纤标定段前后分别安装位移传感器。两传感器间距为1 m，分别记录两传感器的数据。

（3） 控制步进电机每次以1 mm幅度的步进，记录标定段的两位移传感器数据和全位移段传感器数据，同时记录光纤在每次拉伸时的布里渊频移。

（4） 将标定段两位移传感器做差然后除以区间段长度（1 m）作为铠装光纤区间标定应变值。将全长段位移传感器除以光纤拉伸段全长作为铠装光纤全长段应变值。分别与相应段的布里渊频移作最小二乘拟合，则可分别获得区间段和全长段的应变系数。

长飞铠装光缆处理同上步骤。光纳仪的采样间隔为5 cm，空间分辨率为10 cm。

4 试验结果与讨论

4.1 NZS-DSS-C02光纤传感

用全位移传感器记录的位移数据测算出光纤的应变量，同光纤每次布里渊频移均值拟合，获得铠装光纤全长段的应变系数结果如图10所示，其中圆点代表原始数据，黑色虚线代表趋势线。

从图10可知，3组试验光纤拟合优度分别为0.986 2，0.994 1，0.984 8，其应变系数分别0.027 5，0.030 6，0.030 2 MHz/με，可以看出其与厂家给出的铠装应变系数相差较大。

区间段试验结果如图11所示，3次试验拟合优度在0.998 1，0.998 1，0.993 7下的应变系数分别为0.049 9，0.050 0，0.049 7 MHz/με，平均应变系数在0.049 8 MHz/με左右，整体呈线性变化，这与厂家的铠装应变系数0.049 9 MHz/με极为相近。

上述试验说明光纤在拉伸过程中，其应变和布里渊频率变化是不一致的，靠近推头处和受固定端处由于应力较为集中，拉伸时变化量较中间段变化快，会出现两端区域的布里渊频移增幅速度小于应变变化量的现象。另外，固定端处因空间分辨率原因所采集的布里渊频移值既包括有伸长端的也包括有固定端的，导致全长段测量结果和区间段出现差异。而通过区间段测量，规避了两端的应力和分辨率的影响，能够较为真实地反映光纤应变和布里渊频率的变化关系。即便光纤在后期应力拉伸较大的情况下，固定端产生了滑移，由于区间段是相对测量，仍可以较好地消除影响。等强度梁法应变测量范围一般在1 500 με 左右，而本试验拉伸范围区间段基本上能达到4 000 με 以上，可以在更大程度上消除因为小范围测试所带来的片面性，所测的区间段的NZS-DSS-C02铠装光纤应变系数为0.049 8 MHz/με，符合厂家所给出的应变系数值，这些都很好地反映出本装置的有效性和可行性。

4.2 GJYJY-1B1.3光纤传感

长飞铠装光纤全长段测试结果如图12所示，3组试验拟合的应变系数分别为0.032 3，0.032 0，0.032 6 MHz/με，而区间段拟合结果如图13所示，应变系数为0.047 1，0.047 3，0.047 5 MHz/με，无论是全长段还是区间段都呈线性。

从GJYJY-1B1.3试验结果看，其全长段与区间段同NZS-DSS-C02一样，存在明显差异，全长段测试结果均值在0.032 3 MHz/με，同传统应变系数值相差过大，而区间段测试结果在0.047 3 MHz/με，也比较符合传统应变系数，这进一步说明区间段测量能规避全长段因固定端所带来的测量误差影响，而且从试验结果上看，不同厂家生产的光纤其应变系数也是存在差异的。

5 结 论

（1） 铠装光纤的应变系数呈线性关系，铠装光纤拉伸过程并非是均一拉伸，通过区间段测量能有效避免固定端带来的影响。

（2） 光纤受力过大时易造成應力集中，即便仍为通路，但信号质量会受到影响，从而影响光纤测量，造成数据失真或者无法测量，这也是在工程测量时，回路信号可以观察到光信号却无法采集数据的原因。

（3） 不同厂家所生产的铠装光纤是存在差异的，本试验所测得长飞GJYJY-1B1.3铠装光纤的应变系数为0.047 3 MHz/με。

（4） 通过光纤应变试验所得拟合曲线与实际情况相符，且相较于等强度梁方法而言，应变拉伸范围更广，验证了本标定装置的有效性，其可用于标定其他厂家的铠装光纤的应变系数。

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（编辑：郑 毅）

Strain coefficient calibration of distributed armored optical fiber based on interval measurement

SU Weiwei1，DENG Kangqing1，DENG Qinglu1，LI Deisheng2，LI Renhe2

（1.Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China; 2.College of Mechanical and Electrical Engineering，China University of Geosciences，Wuhan 430074，China）

Abstract：

In engineering measurement，it is necessary to input the corresponding strain coefficient of distributed armored optical fiber for engineering monitoring，but many manufactures do not provide relevant parameters.Based on the principle of distributed sensing system of Brillouin optical time domain analysis，a strain coefficient measuring device for distributed armored optical fiber was developed.Compared with the traditional measurement of optical fiber strain coefficient，the innovation of the device lies in proposing and realizing an interval calibration method，which avoids the interference caused by fixture during the process of stretching the fiber.In this paper，the developed device was used to measure the strain coefficient of armored optical fiber from two manufacturers.The research results show that the interval calibration method can obtain more accurate measurement results than traditional methods.

Key words：

armored optical fiber;strain coefficient;interval calibration;Brillouin optical time domain analysis;optical fiber calibration device