王卓念 劉曉琴

學(xué)術(shù)研究

光纖溫度應(yīng)變分析系統(tǒng)校準(zhǔn)裝置研究

王卓念 劉曉琴

（廣州廣電計(jì)量檢測股份有限公司，廣東 廣州 510000）

基于光纖溫度應(yīng)變分析系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計(jì)相應(yīng)的校準(zhǔn)裝置并提出一種針對光纖溫度應(yīng)變分析系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該裝置在校準(zhǔn)工作過程中可實(shí)現(xiàn)溫度與應(yīng)變雙參數(shù)的同時(shí)校準(zhǔn)，溫度控制精度0.1℃，應(yīng)變控制精度0.1 με，可用于光纖溫度應(yīng)變分析系統(tǒng)的性能測試與評價(jià)。

光纖傳感；溫度校準(zhǔn)；應(yīng)變校準(zhǔn)；校準(zhǔn)裝置

0　引言

光纖溫度應(yīng)變分析系統(tǒng)采用光纖作為傳輸介質(zhì)，通過測量光纖中參量變化來實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離的測量與監(jiān)控。光纖具有測量范圍寬、高精度和高分辨率的特點(diǎn)，與傳統(tǒng)的傳感器相比，在強(qiáng)電磁干擾或者易燃易爆的嚴(yán)酷環(huán)境下更具優(yōu)勢。它在電力能源、石油化工、航空航天、數(shù)據(jù)中心等大型設(shè)施以及其他需要進(jìn)行實(shí)時(shí)溫度和應(yīng)變監(jiān)測的領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用[1]。

近年來，光纖傳感技術(shù)不斷更新，分布式光纖傳感設(shè)備主要基于布里淵和拉曼散射原理進(jìn)行測量[2-3]?？蓾M足溫度和應(yīng)變同時(shí)測量的商用分布式光纖傳感設(shè)備大多通過布里淵頻移分析實(shí)現(xiàn)雙參量測[4-5]。光纖光柵傳感器測量精度和體積均優(yōu)于基于布里淵和拉曼散射原理的光纖傳感器，但無法實(shí)現(xiàn)斷點(diǎn)測量和連續(xù)長距離監(jiān)測[6]，極少用于分布式光纖傳感設(shè)備。

本文基于商用光纖溫度應(yīng)變分析系統(tǒng)的工作原理，設(shè)計(jì)一種非匹配光纖熔接結(jié)構(gòu)的復(fù)合式光柵，配合高精度溫控器以及光柵解調(diào)儀可實(shí)現(xiàn)光纖溫度應(yīng)變分析系統(tǒng)的主要測量參數(shù)校準(zhǔn)。該裝置可解決商用光纖溫度應(yīng)變分析系統(tǒng)校準(zhǔn)方法缺失的現(xiàn)狀，滿足設(shè)備使用單位測試和量值溯源的需求。

1　裝置結(jié)構(gòu)和工作原理

校準(zhǔn)裝置核心組件結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要由溫控腔體、標(biāo)準(zhǔn)光纖、光纖光柵、光纖接口等組成。標(biāo)準(zhǔn)光纖和已標(biāo)定光纖光柵固定在鋁合金薄板上形成溫度增敏結(jié)構(gòu)。高精度溫控器和光纖光柵在校準(zhǔn)過程中配合光柵解調(diào)儀可提供待測量的參考值。

1.溫控腔體；2.標(biāo)準(zhǔn)光纖；3.光纖光柵；4.光纖接口；5.鋁合金薄板。

校準(zhǔn)裝置中的溫控腔體采用隔熱材料覆蓋表面以保證溫度波動(dòng)滿足要求；標(biāo)準(zhǔn)光纖為單模光纖，纖芯和包層直徑分別為9 μm和125 μm；光纖光柵通過激光器聚焦到相位掩膜板后方的載氫單模光纖寫柵區(qū)域進(jìn)行刻?hào)?，掩膜板成柵長度為10 mm。為形成非匹配纖芯熔接結(jié)構(gòu)，實(shí)驗(yàn)選取芯徑小于G.652型標(biāo)準(zhǔn)光纖的色散補(bǔ)償型光纖刻寫布拉格光柵（Fiber Bragg grating，F(xiàn)BG），形成緊湊的邁克爾遜干涉（Michelson interferometer，MI）結(jié)構(gòu)。根據(jù)耦合模理論，纖芯模場不匹配狀態(tài)下一部分基模被激發(fā)到包層模式中，由于所在傳導(dǎo)模式的有效折射率不同導(dǎo)致光程差不同，其反射光譜波谷波長表示為

式中，△eff為干涉結(jié)構(gòu)傳導(dǎo)模式的有效折射率差；為色散補(bǔ)償光纖長度。

光纖光柵的布拉格條件為布拉格波長B、有效折射率eff、光柵有效周期g滿足

B=2effg(2)

當(dāng)該復(fù)合結(jié)構(gòu)光柵受到拉伸作用時(shí)，光纖內(nèi)芯和包層的有效折射率發(fā)生變化，光柵布拉格主峰的中心波長和干涉結(jié)構(gòu)的波峰波谷會(huì)發(fā)生一定量的漂移。當(dāng)所處溫度場發(fā)生變化時(shí)，光柵布拉格主峰的中心波長和干涉結(jié)構(gòu)的波峰波谷也會(huì)因?yàn)楣饫w內(nèi)芯和包層的有效折射率發(fā)生變化而產(chǎn)生相應(yīng)的漂移。因此，二者光譜對應(yīng)變和溫度同時(shí)敏感。當(dāng)這兩者對環(huán)境溫度和應(yīng)變呈線性關(guān)系時(shí)，可實(shí)現(xiàn)裝置對溫度和應(yīng)變的同時(shí)測量，矩陣形式為[6]

式中，B,T和B,ε分別為布拉格主峰對溫度的靈敏度系數(shù)和對應(yīng)變量的靈敏度系數(shù)；M,T和M,ε分別為邁克爾遜干涉的波谷波長對溫度的靈敏度系數(shù)和對應(yīng)變量的靈敏度系數(shù)；取=B,TM,ε?B,εM,T，溫度和應(yīng)變的變化量△和△可以表示為

(4)

該復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的溫度和應(yīng)變靈敏度系數(shù)可以通過實(shí)驗(yàn)標(biāo)定，代入式(4)可得校準(zhǔn)裝置的溫度和應(yīng)變的變化量。

2　實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)分析

2.1　光纖光柵標(biāo)定實(shí)驗(yàn)

復(fù)合式光纖光柵標(biāo)定實(shí)驗(yàn)采用光柵解調(diào)儀作為光纖光柵反射信號(hào)解調(diào)設(shè)備，光源波長范圍(1510~1590) nm，波長精度2.5 pm。應(yīng)變響應(yīng)實(shí)驗(yàn)在(25±1)℃環(huán)境下進(jìn)行，將復(fù)合結(jié)構(gòu)光柵置于帶標(biāo)尺的拉力試驗(yàn)機(jī)上，數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置為50 με，應(yīng)變響應(yīng)特性曲線如圖2所示。纖芯布拉格峰和干涉模式對拉伸導(dǎo)致的應(yīng)變響應(yīng)靈敏度不同。布拉格峰因?yàn)楣鈻庞行е芷谠龃?，中心波長增大，反射光譜圖樣向長波方向移動(dòng)形成紅移，其靈敏度為0.68 pm/με，線性度2=0.997。干涉模式光譜發(fā)生藍(lán)移，靈敏度為?1.12 pm/με，線性度2=0.997。這2種模式在應(yīng)變測試過程中都表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。符合式(3)成立的條件，因此式(4)內(nèi)矩陣系數(shù)B,ε= 0.68 pm/με，M,ε= ?1.12 pm/με。

圖2　復(fù)合結(jié)構(gòu)光柵應(yīng)變響應(yīng)特性曲線

溫度響應(yīng)實(shí)驗(yàn)過程中，將復(fù)合結(jié)構(gòu)光柵水平置于恒溫箱內(nèi)，數(shù)據(jù)采集間隔設(shè)置為5℃，溫度響應(yīng)特性曲線如圖3所示。溫箱設(shè)定溫度逐漸上升過程中，纖芯布拉格峰和干涉模式光譜均發(fā)生紅移，在相應(yīng)速度上有一定區(qū)別，布拉格峰靈敏度12.1 pm/℃，線性度2= 0.996。干涉模式靈敏度50.2 pm/℃，線性度2= 0.999。這2種模式在溫度測試過程中都表現(xiàn)出較好的線性關(guān)系。符合式(3)成立的條件，因此式(4)內(nèi)矩陣系數(shù)B,= 12.1 pm/℃，M,= 50.2 pm/℃。

圖3　復(fù)合結(jié)構(gòu)光柵溫度響應(yīng)特性曲線

將所測得的復(fù)合光柵結(jié)構(gòu)中相應(yīng)的靈敏度系數(shù)代入式(4)中，其中=B,M,?B, KM,= ? 47.7，可得

該復(fù)合結(jié)構(gòu)光柵所受到的環(huán)境溫度和拉伸作用同時(shí)變化時(shí)，利用光纖解調(diào)儀實(shí)時(shí)監(jiān)測光柵反射光譜漂移量，可同時(shí)得到溫度和應(yīng)變的具體改變量。溫度和應(yīng)變參量的分辨率主要取決于光柵解調(diào)儀的最小波長分辨率，該分辨率數(shù)值遠(yuǎn)小于分布式光纖溫度應(yīng)變分析系統(tǒng)的測量分辨率，可滿足參數(shù)溯源要求。

2.2　光纖溫度應(yīng)變分析系統(tǒng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

光纖溫度應(yīng)變分析系統(tǒng)校準(zhǔn)工作需要引導(dǎo)光纖、光柵解調(diào)儀以及用于量值傳遞的校準(zhǔn)裝置，連接圖如圖4所示。校準(zhǔn)裝置逐漸改變溫控腔體內(nèi)的溫度，載體由于熱效應(yīng)會(huì)發(fā)生形變，標(biāo)準(zhǔn)光纖和光纖光柵的溫度、應(yīng)變參量也會(huì)同時(shí)變化；與光纖光柵連接的光纖接口通過一定長度的引導(dǎo)光纖連接至光柵解調(diào)儀；與標(biāo)準(zhǔn)光纖連接的光纖接口通過同等長度的引導(dǎo)光纖連接至光纖溫度應(yīng)變分析系統(tǒng)；按一定間隔采集溫度和應(yīng)變參量，光柵解調(diào)儀記錄數(shù)據(jù)作為參考值，與光纖溫度應(yīng)變分析系統(tǒng)的示值進(jìn)行比對。

圖4　光纖溫度應(yīng)變分析系統(tǒng)校準(zhǔn)連接圖

待測光纖溫度應(yīng)變分析系統(tǒng)基于布里淵散射原理工作，在1550 nm波段進(jìn)行布里淵頻移測試。溫度相關(guān)性測試采用光柵解調(diào)儀實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)作為參考值，每間隔10℃光纖溫度應(yīng)變分析系統(tǒng)記錄一次數(shù)據(jù)，溫度與布里淵頻移呈正相關(guān)，斜率為1.0019 MHz/℃，線性度2= 0.999，如圖5所示。校準(zhǔn)裝置所測溫度參數(shù)散點(diǎn)與理論曲線偏差小于0.1℃且線性度良好，符合布里淵頻率漂移關(guān)系。

圖5　1550 nm窗口布里淵頻移與溫度關(guān)系圖

應(yīng)變相關(guān)性測試采用光柵解調(diào)儀實(shí)時(shí)檢測數(shù)據(jù)作為參考值，每間隔50 με光纖溫度應(yīng)變分析系統(tǒng)記錄一次數(shù)據(jù)，應(yīng)變與布里淵頻移呈正相關(guān)，斜率為0.0496 MHz/με，線性度2= 0.999，如圖6所示。校準(zhǔn)裝置所測應(yīng)變參數(shù)散點(diǎn)與理論曲線偏差小于0.1 με且線性度良好，符合布里淵頻率漂移關(guān)系。

圖6 1550 nm窗口布里淵頻移與應(yīng)變關(guān)系圖

3　結(jié)論

本文提出針對光纖溫度應(yīng)變分析系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：使用該裝置在校準(zhǔn)工作過程中可實(shí)現(xiàn)溫度與應(yīng)變雙參數(shù)的同時(shí)校準(zhǔn)，溫度控制精度0.1℃，應(yīng)變控制精度0.1 με。該裝置結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本低且易于實(shí)現(xiàn)，可開展對光纖溫度應(yīng)變分析系統(tǒng)的校準(zhǔn)工作，為工程質(zhì)量監(jiān)測單位提供技術(shù)保障。

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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，碩士，主要研究方向：光電信息技術(shù)。E-mail: wangzn@grgtest.com

TH71

A

1674-2605(2020)03-0003-04

10.3969/j.issn.1674-2605.2020.03.003