布里渊传感光纤温度系数和应变系数的标定系统及方法与流程

1.本技术涉及光纤传感领域，尤其涉及一种布里渊光时域分析仪传感光纤温度系数和应变系数的标定系统及方法。


背景技术：

2.利用光纤布里渊频移对温度、应变敏感的特点，人们发明了布里渊光时域分析仪，用来进行温度、应变的分布式测量。理论上，光纤布里渊频移与温度、应变同时成线性关系，他们之间的关系可以用温度系数、应变系数和频移常数线性表示。根据布里渊频移计算温度、应变时，需要用到温度系数和应变系数，获得这两个系数的准确值对于精确的计算温度、应变具有重要意义。实际使用中，温度系数、应变系数需要通过实验进行标定，从而获得准确的实验值。目前尚无成熟的标定方法。本发明针对此问题，提出了一种布里渊光时域分析仪传感光纤温度系数和应变系数的标定系统。


技术实现要素：

3.本技术的目的在于提供一种布里渊光时域分析仪传感光纤温度系数和应变系数的标定系统及方法，用于准确地获取一段特定传感光纤的温度系数和应变系数，从而保证在根据布里渊频移计算温度和应变的过程中，可以得到准确的计算结果。
4.本技术提供一种布里渊光时域分析仪传感光纤温度系数和应变系数的标定系统及方法，包括应变调整单元、应变测量单元、温度调整单元、温度测量单元。
5.所述应变调整单元包括光学平台、固定夹具、移动夹具、粗调螺栓、微调螺栓；所述固定夹具、移动夹具固定在所述光学平台上，所述粗调螺栓、微调螺栓安装于所述移动夹具上；所述固定夹具、移动夹具上安装有光纤压紧装置，所述光纤压紧装置用于压紧被标定的传感光纤。旋动所述粗调螺栓可以粗略调整所述移动夹具的位置(远离或靠近所述固定夹具)，旋动所述微调螺栓可以细微调整所述移动夹具的位置(远离或靠近所述固定夹具)。所述移动夹具远离所述固定夹具，则所述传感光纤被拉伸、应变增加。所述移动夹具靠近所述固定夹具，则所述传感光纤被放松、应变减小。综上，所述应变调整单元可以通过旋动所述粗调螺栓和所述微调螺栓，调整所述传感光纤受到的应变。
6.所述应变测量单元包括高精度激光测距仪、反射镜、笔记本电脑、数据连接线。所述反射镜安装在所述移动夹具上，随所述移动夹具做等距等向移动。所述高精度激光测距仪位于所述固定夹具侧方，向所述反射镜发射激光并接收反射光。所述高精度激光测距仪将测量数据通过所述数据连接线发送给所述笔记本电脑。所述笔记本电脑显示所述传感光纤的应变测量结果。
7.所述温度调整单元包括控温仪、金属加热管、金属加热丝、支撑架。所述金属加热管套在所述传感光纤上，通过调整位置，使所述传感光纤与所述金属加热管的轴线重合，所述传感光纤与所述金属加热管无物理接触。所述金属加热管通过所述支撑架稳定支撑在所述光学平台上。所述金属加热丝一端均匀缠绕在所述金属加热管上，另一端与所述控温仪
的控温端口连接。所述控温仪通过输出一定功率的电流，使所述金属加热丝产生热量。所述金属加热丝进一步使所述金属加热管产生热量。所述金属加热管内部温度升高，使所述传感光纤的温度升高。由于所述金属加热管的管径较细，与所述传感光纤距离较近，可近似认为所述金属加热管的温度与所述传感光纤的温度相同。从而实现对所述传感光纤温度的调整。
8.所述温度测量单元包括温敏电阻、信号导线、测温仪(与所述控温仪一体)。所述温敏电阻固定在所述金属加热管表面，与所述信号导线和所述测温仪共同完成温度的测量。所述测温仪与所述控温仪为一体式测温控温仪，可以自动进行温度控制。操作人员在所述测温控温仪面板上设置目标温度，当所述温敏电阻测得温度低于目标温度时，所述控温仪通过增大电流使所述金属加热管升温。当所述温敏电阻测得温度高于目标温度时，所述控温仪通过减小电流或切断电流使所述金属加热管自然降温，从而达到控温作用。
9.该系统使用方法如下：
10.step 1：调整光纤应变零点位置l0。将传感光纤穿过金属加热管，拉直后将传感光纤两侧夹持在移动夹具和固定夹具上，并设置控温仪目标温度为t0。旋动粗调螺栓和微调螺栓调整移动夹具位置，使用布里渊光时域分析仪测量两夹具距离l对应的布里渊频移值v，当v从无变化到有微小变化或从有微小变化到无变化时，记l为l0，v为
11.step 2：调节控温仪的目标温度为t1，且传感光纤光纤在此温度下保持至少10min后开始应变实验。旋动粗调螺栓和微调螺栓使移动夹具向外移动n次，传感光纤拉伸，布里渊光时域分析仪测量对应的布里渊频移值为接着使移动夹具向内移动n次，传感光纤收缩回到初始位置，布里渊频移值为且n≥10。通过高精度激光测距仪读数使移动夹具每次移动相同的距离δl，总位移δl
n
同样由高精度激光测距仪激光测距仪读出。
12.step 3：计算应变系数。以l0为零点，每次移动传感光纤的应变量为δε＝δl/l0，移动n次后传感光纤应变为ε
n
＝δl
n
/l0。以ε
n
为横坐标、和分别为纵坐标进行线性拟合，两条直线的斜率分别为k1和k2，光纤的应变系数
13.step 4：重新设定控温仪的参数至不同的温度，重复step 2和step3，得到不同温度下的应变系数。值得注意的是，温度同样包含上升和下降两个过程，当温度等间隔阶梯式从t1升高至t
m
时，应重新将温度从t
m
逐渐降至t1，且m≥10。将所有温度下的应变系数平均处理后，得到光纤的应变系数c
ε
。
14.step 5：计算温度系数。以温度t
m
为横坐标、光纤应变相同但温度不同时的布里渊频移值和为纵坐标进行线性拟合，两条直线的斜率分别为k3和k4，光纤的温度系数此过程重复2n次后，将所有应变下的温度系数进行平均处理，得到光纤的温度系数c
t
。
附图说明
15.图1为本技术实施实例提供的布里渊光时域分析仪传感光纤温度系数、应变系数标定系统示意图。
16.其中，101.粗调螺栓；102.微调螺栓；103.移动夹具；104.固定夹具；201.控温仪；
202.布里渊光时域分析仪；203.温敏电阻；204.金属加热丝；205.金属加热管；301.高精度激光测距仪；401.数据连接线；402.笔记本电脑；403.传感光纤；404.光学平台；
具体实施方式
17.为了使本领域技术人员更好的理解本技术的技术方案，下面结合附图对本技术进行详细描述，本部分描述仅是示范性和解释性，不应对本技术的保护范围有任何的限制作用。
18.请参考图1，本实施例提供一种布里渊光时域分析仪传感光纤温度系数和应变系数的标定系统，包括应变调整单元、应变测量单元、温度调整单元、温度测量单元。
19.所述应变调整单元包括光学平台404、固定夹具104、移动夹具103、粗调螺栓101、微调螺栓102；所述固定夹具104、移动夹具103固定在所述光学平台404上，所述粗调螺栓101、微调螺栓102安装于所述移动夹具103上；具体的，所述光学平台404为气浮式光学平台，所述粗调螺栓101每旋转一周产生10μm位移，所述微调螺栓102每旋转一周产生0.5μm位移，所述粗调螺栓101和微调螺栓102采用的是高精度手动调芯系统hye2000s。所述固定夹具104、移动夹具103上安装有光纤压紧装置，所述光纤压紧装置用于压紧被标定的传感光纤403，具体的，所述光纤压紧装置采用铜块压紧。旋动所述粗调螺栓101可以粗略调整所述移动夹具103的位置(远离或靠近所述固定夹具104)，旋动所述微调螺栓102可以细微调整所述移动夹具103的位置(远离或靠近所述固定夹具104)。所述移动夹具103远离所述固定夹具104，则所述传感光纤403被拉伸、应变增加。所述移动夹具103靠近所述固定夹具104，则所述传感光纤403被放松、应变减小。具体的，所述传感光纤403初始状态为自然张紧状态，以该状态为基准，以50μm为步长，进行20次拉紧，最终总应变达到1000μm。再以50μm为步长，进行20次反向移动，使总应变恢复为零。
20.所述应变测量单元包括高精度激光测距仪206、反射镜、笔记本电脑402、数据连接线401。所述反射镜安装在所述移动夹具103上，随所述移动夹具103做等距等向移动。所述高精度激光测距仪206位于所述固定夹具104侧方，向所述反射镜发射激光并接收反射光。所述高精度激光测距仪206将测量数据通过所述数据连接线401发送给所述笔记本电脑402。所述笔记本电脑402显示所述传感光纤403的应变测量结果。具体的，所述高精度激光测距仪206采用api公司的xd laser(xd1ls)，测量范围0～45m，测量精度0.5μm/m。所述数据连接线为5类网线，所述反射镜为高精度激光测距仪标配的反射镜。
21.所述温度调整单元包括控温仪201、金属加热管205、金属加热丝204、支撑架。所述金属加热管205套在所述传感光纤403上，通过调整位置，使所述传感光纤403与所述金属加热管205的轴线重合，所述传感光纤403与所述金属加热管205无物理接触。所述金属加热管205通过所述支撑架稳定支撑在所述光学平台404上。所述金属加热丝204一端均匀缠绕在所述金属加热管205上，另一端与所述控温仪201的控温端口连接。所述控温仪201通过输出一定功率的电流，使所述金属加热丝204产生热量。所述金属加热丝204进一步使所述金属加热管205产生热量。所述金属加热管205内部温度升高，使所述传感光纤403的温度升高。具体的，所述控温仪201为日本岛电sr23控温仪201，所述金属加热管205材质为不锈钢，管径5mm，管长80cm，所述金属加热丝204为包覆聚酰亚胺的镍铬丝。
22.所述温度测量单元包括温敏电阻203、信号导线、测温仪(与所述控温仪201一体)。
所述温敏电阻203固定在所述金属加热管205表面，与所述信号导线和所述测温仪共同完成温度的测量。所述测温仪与所述控温仪201为一体式测温控温仪201，可以自动进行温度控制。操作人员在所述测温控温仪201面板上设置目标温度，当所述温敏电阻203测得温度低于目标温度时，所述控温仪201通过增大电流使所述金属加热管205升温。当所述温敏电阻203测得温度高于目标温度时，所述控温仪201通过减小电流或切断电流使所述金属加热管205自然降温，从而达到控温作用。具体的，所述温敏电阻203为铂电阻，型号是pt100，所述信号导线为铜导线，所述测温仪为日本岛电sr23控温仪201。
23.该系统使用方法如下：
24.step 1：调整光纤应变零点位置l0。将传感光纤403穿过金属加热管205，拉直后将传感光纤403两侧夹在移动夹具103和固定夹具104上，并设置控温仪201目标温度为t0。旋动粗调螺栓101和微调螺栓102调整移动夹具103位置，使用布里渊光时域分析仪202测量两夹具距离l对应的布里渊频移值v，当v从无变化到有微小变化或从有微小变化到无变化时，记l为l0，v为
25.step 2：调节控温仪201的目标温度为t1，且传感光纤403在此温度下保持至少10min后开始应变实验。旋动粗调螺栓101和微调螺栓102使移动夹具103向外移动n次，传感光纤403拉伸，布里渊光时域分析仪202测量对应的布里渊频移值为接着使夹具向内移动n次，传感光纤403收缩回到初始位置，布里渊频移值为且n≥10。通过高精度激光测距仪301读数使移动夹具103每次移动相同的距离δl，总位移δl
n
同样由高精度激光测距仪301读出。
26.step 3：计算应变系数。以l0为零点，每次移动传感光纤403的应变量为δε＝δl/l0，移动n次后传感光纤403应变为ε
n
＝δl
n
/l0。以ε
n
为横坐标、和分别为纵坐标进行线性拟合，两条直线的斜率分别为k1和k2，光纤的应变系数
27.step 4：重新设定控温仪201的参数至不同的温度，重复step 2和step3，得到不同温度下的应变系数。值得注意的是，温度同样包含上升和下降两个过程，当温度等间隔阶梯式从t1升高至t
m
时，应重新将温度从t
m
逐渐降至t1，且m≥10。将所有温度下的应变系数平均处理后，得到光纤的应变系数c
ε
。
28.step 5：计算温度系数。以温度t
n
为横坐标、光纤应变相同但温度不同时的布里渊频移值和为纵坐标进行线性拟合，两条直线的斜率分别为k3和k4，光纤的温度系数此过程重复2n次后，将所有应变下的温度系数进行平均处理，得到光纤的温度系数c
t
。