一种高精度分布式光纤传感器应变校准装置及方法

本发明属于光纤传感，具体涉及一种高精度分布式光纤传感器应变校准装置及方法，用以解决不同涂层分布式光纤传感器应变灵敏度系数在初始固定长度低于阈值时非恒定、随初始固定长度而变化的技术问题；通过所述校准装置及方法获取应变灵敏度系数的变化规律，为分布式光纤传感器的选型及应用提供依据，以提升实际测量精度。

背景技术：

1、分布式光纤传感技术凭借其长距离连续监测、高空间分辨率及抗电磁干扰等优势，在结构健康监测、油气管道安全预警、地质灾害监测及航空航天等领域展现出广阔的应用前景。该技术能够实现数十米至上百公里范围内应变、温度等多参数的分布式测量。然而，分布式光纤传感系统的测量精度不仅依赖于解调仪的性能，更从根本上受限于传感光纤自身的应变传递特性。不同涂层材料与结构参数的光纤，其应变响应行为存在显著差异，因此建立科学有效的应变校准方法是保证分布式光纤传感器测量可靠性的前提。

2、光纤传感器由纤芯、包层及涂覆层三层结构构成。纤芯由高纯度石英玻璃制成，直径约为8~10 μm（单模）或50~62.5 μm（多模）；包层直径约为125 μm；涂覆层作为最外层，其材料与厚度因光纤类型而异：例如镀金光纤与聚酰亚胺光纤涂覆层厚度约为35 μm，丙烯酸光纤涂覆层厚度约为125 μm。由于涂层材料和厚度的差异，光纤校准时的应变传递效率各不相同，进而导致不同涂层光纤在不同初始固定长度下表现出不同的应变灵敏度系数。

3、目前，分布式光纤传感器的应变校准通常采用拉伸法——将光纤样品按设定的初始固定长度粘贴固定于校准基体上，利用电动位移平台施加拉伸载荷，依据位移量与传感器响应之间的对应关系解算应变灵敏度系数。然而，现有校准方法普遍忽略了一个关键问题：光纤的初始固定长度是影响灵敏度系数的重要因素。当初始固定长度低于某一阈值时，灵敏度系数不再恒定，而是随初始固定长度的变化而发生显著改变。特别是对于空间分辨率在厘米量级（1~10 cm）及更优的高空间分辨率分布式光纤解调系统（如光频域反射仪（ofdr）、脉冲预泵浦-布里渊光时域分析仪（ppp-botda）、差分脉冲对-布里渊光时域分析仪（dpp-botda）及脉冲编码-相干光时域反射仪（tw-cotdr）等），其对光纤局部应变场的空间分辨率要求更高，初始固定长度对测量结果的影响更为突出。若沿用传统校准方法，忽略初始固定长度对应变灵敏度系数的影响，校准得到的应变系数将引入显著的测量误差，严重制约分布式光纤传感器在高精度应变监测场景中的测量可靠性。

4、综上所述，现有分布式光纤传感器应变校准方法普遍忽略了初始固定长度对应变灵敏度系数的影响，难以满足高精度应变监测场景下的测量需求。提供一种能够系统评估初始固定长度影响并据此选取应变系数的校准装置及方法，成为突破当前技术瓶颈的关键方向。

技术实现思路

1、针对现有分布式光纤传感器应变校准方法忽略初始固定长度对应变灵敏度系数影响的问题，本发明提供了一种高精度分布式光纤传感器应变校准装置及方法。现有应变校准方法通常采用拉伸法，其隐含假设为应变灵敏度系数与初始固定长度无关。然而研究表明，当初始固定长度低于某一阈值时，端部粘接区域的应变传递效率发生变化，灵敏度系数不再恒定。例如，采用3 cm与20 cm初始固定长度校准所得应变系数可相差数个百分点，在微应变级测量场景中不可接受。尤其对于空间分辨率在厘米量级及更优的ofdr、ppp-botda等解调系统，该影响更为突出。因此，亟需提供一种能够系统评估初始固定长度影响规律、实现不同测量长度下应变系数精确选型的校准装置及方法。

2、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

3、一种高精度分布式光纤传感器应变校准装置及方法，其特征在于具体步骤如下：

4、步骤1：应变校准装置搭建

5、所述应变校准装置包括精密电动位移台及其控制系统、高度调整台1、高度调节台2、粘接固定板1、粘接固定板2和光学平台；将精密电动位移台固定于高度调整台1，并将其与高度调整台2按试验设计的初始固定长度l0依次固定于光学平台上，并调节高度调整台1和高度调整台2，使得精密位移平台上表面和高度调整台上表面水平持平；厚度相等的粘接固定板1和粘接固定板2依次固定到精密电动位移台上表面和高度调整台上表面。上述所述部件连接均通过螺栓进行固定；上述所述精密电动位移台的加载精度优于0.005mm；上述所述初始固定长度l0取值间隔符合光学平台最小模数的倍数；上述所述粘接固定板1和2均为可灵活更换部件。

6、步骤2：分布式光纤传感器样品制备

7、取待测单模光纤样品，首先通过剥纤钳或金属退除剂等去除光纤两端长度为4~6cm的涂覆层，并用光纤切割刀将光纤两端剪切平整；使用光纤熔接机将处理后的光纤两端分别熔接长度为10~30 cm的无芯光纤（尾端强反射处理）和光纤连接跳线，完成分布式光纤传感器样品制备；将完成后的光纤传感器样品接入分布式光纤解调系统观察光谱情况，确认其可正常使用；上述所述单模光纤样品包括但不限于树脂涂层单模光纤（丙烯酸酯、聚酰亚胺等）、金属化涂层单模光纤（镀金、镀铝、镀铜等涂层）和其他涂层材料单模光纤；上述所述无芯光纤是指纤芯和包层折射率相同的光纤；上述所述分布式光纤解调系统包括但不限于ofdr、ppp-botda、dpp-botda以及tw-cotdr等空间分辨率在厘米量级（1 cm~10 cm）及更优的解调系统。

8、步骤3：分布式光纤传感器样品安装和试验测试

9、按试验设置要求，依次将精密电动位移台和高度调整台2的初始固定长度l0依次调整为l1、l2、…、lm，其中长度间距为δl，将分布式光纤传感器样品拉直并用纸胶带分别固定在粘接固定板1和2上，预留前端长度和宽度均为2~4 cm的待粘贴位置，并使用高弹性模量胶粘剂（减小剪滞效应的影响）将光纤传感器粘贴固定于粘接固定板1和2上；安装完成后，通过精密电动位移台依次对不同初始固定长度的分布式光纤传感器样品进行逐级拉伸测试，其中应变级别分别为ε1、ε2、…、εn，其中等应变间距为δε，通过分布式光纤解调系统采集的各级加载下的频移量数据分别为ν1、ν2、…、νn；上述所述初始固定长度的长度间距符合光学平台最小模数的倍数，初始固定长度取值数量m取4~10；上述所述分布式光纤传感器应变加载级别数量n取3~20；上述所述试验测试重复次数优于3次。

10、步骤4：数据处理与分析

11、将不同初始长度的分布式光纤传感器样品进行3次及以上重复试验，并对所采集的频移量数据进行取算数平均值（ ，中，i为不同初始长度），结合相应的应变级别ε1、ε2、…、εn，得到应变-频移量曲线，经线性拟合后得到应变灵敏度系数（；为频移量，为应变灵敏度系数，为应变），根据分布式光纤传感器在不同初始固定长度下的应变灵敏度系数变化曲线，确定应变灵敏度系数趋于稳定时所对应的初始固定长度阈值，并以该阈值作为分布式光纤传感器应变校准拉伸长度的选取依据；进一步根据实际测试场景对光纤测量长度要求，选用相应的应变灵敏度系数选择方案；上述所述应变灵敏度系数选择方案为：当光纤测量长度低于初始固定长度阈值，通过已校准的应变灵敏度系数点进行插值计算；当光纤测量长度大于等于初始固定长度阈值，选自常数应变灵敏度系数。

12、有益效果

13、本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

14、1. 建立了初始固定长度与应变灵敏度系数的关系规律

15、本发明通过系统改变光纤初始固定长度并进行逐级拉伸测试，获得了应变灵敏度系数随初始固定长度变化的规律曲线，确定了灵敏度系数趋于稳定时的长度阈值。该发现克服了传统校准方法将灵敏度系数视为常数的技术偏见，为分布式光纤传感器的高精度校准提供了实验依据。

16、2. 提出了基于阈值判断的分段选型策略

17、本发明依据初始固定长度阈值，提出了分段选型的校准策略：当光纤测量长度低于阈值时采用插值法获取对应的灵敏度系数；当测量长度大于等于阈值时选用常数灵敏度系数。该策略兼顾了短长度场景的测量精度与长长度场景的校准效率。

18、3. 装置结构简单、适用范围广

19、本发明所述校准装置结构简单、操作便捷，粘接固定板为可灵活更换部件，可适配不同涂层类型和结构参数的单模光纤样品，具有良好的通用性和可扩展性。

20、4. 提升了高空间分辨率分布式光纤传感系统的测量精度

21、本发明特别适用于ofdr、ppp-botda、dpp-botda及tw-cotdr等空间分辨率在厘米量级及更优的解调系统，通过系统校准消除了初始固定长度引入的端部效应误差，有效提升了分布式光纤传感器在高精度应变监测场景中的测量可靠性。