数的标定结果偏离真实值。通过改进光纤应变测算区间,避开了光纤受拉固定端黏结材料及护套变形所产生的误 差,同时采用数字图像相关方法(DIC)测量标定段光纤的应变,避免了应变测量设备与光纤接触产生的干扰信息。
试验结果表明:提出的标定方法相较传统方法在光纤应变系数的拟合上表现更优,说明该方法具有可行性和有效 性,对于分布式光纤应变系数的标定及其应用具有一定的借鉴意义。关键词:分布式光纤传感;应变系数标定;空间分辨率;数字图像相关方法(DIC)中图分类号:X924. 2;TP212
文献标识码:A DOI: 10. 13578/j. cnki. issn. 1671-1556. 2019. 05. 021Calibration Method and Test for the Strain Coefficient
of Distributed Optical FiberAN Pengju,DENG Qinglu,XUE Junzhuo9HE Kai(^Faculty of Engineering ,China University of Geosciences (JNuhan) ,Wuhan 430074 jCAzndz)Abstract :In the process of using fixed-point stretching method to calibrate distributed fiber strain coefficient, the
displacement of the slide is generally used as the parameter for calculating fiber strain. However, as tensile load
transmits in a interface shearing way, which causes the deformation of the bonding material or the optical fiber sheath, so that the strain coefficient may deviate from the true value. Through improving the measuring range of optical fiber strain, this paper avoids the error caused by the deformation o£ bonding material and optical fiber
sheath. At the same time,the paper applies the digital image correlation method (DIC) to measuring the strain of the calibrated optical fibers averts the interference caused by the contact between the measuring device and the fi
ber. The test results show that the method proposed in this study performs better on the strain coefficient fitting. The research results demonstrate that the proposed method is of feasibility and validity, serving as a good reference for distributed optical fiber sensor strain coefficient calibration and application.Key words: distributed optical fiber sensing ; calibration of strain coefficient ; spatial resolution ; digital image
correlation method(DIC)全分布式光纤传感监测技术的基本原理为当光
光时域分析(BOTDA)技术、布里渊光频域分析(BO-
纤受到外界应力、温度等环境因素影响时,光纤中传 输的光波特性参量如相位、频率、偏振态等会发生相
FDA)技术□切。布里渊散射光的频移变化与光纤所
受的轴向应变和环境温度之间存在线性关系⑷,通过
应的变化,通过检测这些参量的变化,就可以获得外 界被测参量的信息目前在岩土工程和结构物健
测量布里渊频移,就可以得到光纤的轴向应变和环境 温度信息。因此,在应用光纤监测之前,应首先对所 采用的光纤进行应变系数和温度系数标定。康监测领域应用较为广泛的全分布式光纤传感监测 技术包括布里渊光时域反射(BOTDR)技术、布里渊
光纤应变系数标定的常规方法有三种:①等强
收稿日期=2019-04-08 修回日期:2019-08-06基金项目:国家重点研发计划项目(2017YFC1501301)作者简介:安鹏举(1990-),男,博士研究生,主要从事地质灾害监测预警与防治研究。E-mail:apj@cug. edu.cn144度梁标定法囚,该方法将光纤采用旷氤基丙烯酸乙 酯(502胶)作为黏合剂紧密黏贴在等强度梁上,等 强度梁的真实应变以理论计算和应变片测量值为双
重参考值,建立光纤应变与布里渊频移量的线性关
系,以此求得光纤的应变系数;②定荷拉伸法,该方 法将光纤一端固定,另一端绕过定滑轮后悬挂弦码,
通过改变耘码的重量来调节光纤的伸长量,并根据
光纤的弹性模量可计算出相应的应变量,进而通过 多组变量的线性拟合即可获得光纤的应变系数;③ 定点拉伸标定法&词,该方法将光纤固定在滑台两
端的光纤夹具上,精确测量两夹具之间的距离,通过 控制滑台的位移量,建立光纤实际应变与布里渊频 移的函数关系,进而计算光纤的应变系数。较新颖的光纤应变系数标定方法主要有吕安强 等口□提出的将光纤缠绕在表面精细刻槽的金属管
上,通过金属管的稳定线性膨胀求得光纤的实际应
变量,再与光纤传感解调设备测得的布里渊频移量 建立线性关系,计算光纤的应变系数,这里暂命名为
“金属管膨胀法”;袁明等口幻提出了以定点拉伸为基 础的应变系数自动标定系统和方法,通过读取布里 渊光时域反射计的布里渊频移分布曲线,根据光纤 原始长度的估测值,依靠应变区域识别算法确定应
变区域,并通过改变光纤的应变长度,利用光纤应变 系数分析算法计算出光纤理论应变值以及实际布里
渊频移值,实现对光纤应变系数的全自动标定。上述方法在分布式光纤应变系数的标定中仍存
在一定的局限性。等强度梁标定法是将光纤黏结在
等强度梁上,等强度梁的应变通过固体胶传递给光 纤,要求光纤为裸光纤,胶层必须尽可能的薄,但对于 铠装光纤护套由于黏结层过厚,因此无法提供足够的 应变传递;定荷拉伸法难以精确控制使光纤发生应变 的长度,光纤与滑轮接触段由于弯曲角度过大,容易
导致光路损毁,另外对于铠装光纤需要较大的拉力使 其发生应变,而通过增加重物的方式不易实现;定点 拉伸标定法是目前行业内应用最多的光纤应变系数 标定方法,该方法具有结构合理、易于实现、方便操作
等优点,但其中关于光纤夹持段的误差问题未引起重
视,对于裸光纤的标定,一般采用环氧树脂胶固定在 滑动台或万能材料试验机两端,对于铠装光纤一般采 用特殊夹具对光纤进行固定,以滑动台或万能材料试
验机的位移作为拉伸变形长度进而计算其应变值,但 应指岀的是在拉伸过程中光纤的伸长长度由光纤受
力变形伸长长度和光纤固定端部分固定胶或光纤护 套变形伸长长度两部分组成,而在以往的光纤标定试
验中未见有考虑固定胶或光纤护套变形所引起的标 第26卷定误差问题。为此,本文以定点拉伸标定方法为基
础,提出了一种改进的确定光纤应变系数的标定方 法,设计了研究方案,搭建了标定试验系统,并通过试 验验证了该标定方法的可行性和准确性。1研究方案采用定点拉伸法标定分布式光纤应变系数时,为
了提高标定结果的准确性,应确保光纤受拉段应变测
量的准确性。传统以滑台的移动距离作为光纤受拉 段伸长量的方法会产生误差,因此本文提出以光纤受 拉段内部分长度(小于受拉段长度)作为标定段,标定
段的左右两端距相应左右两侧光纤受拉固定端的距 离以大于1/2空间分辨率长度为宜。铠装光纤由于
其所能承受的拉伸力较大,因此标定段的应变量可采 用将引伸计/拉线位移传感器固定在标定段的两端进 行量测的方法;而对于裸光纤、紧包光纤等由于其自
身弹性模量较小,采用接触式的量测方式可能会引入
误差,因此本文提出标定段的应变量可以采用数字图 像相关(DIC)方法进行非接触测量。整套光纤应变系
数标定试验装置借鉴常规的拉伸台结构,而在局部的
测量方法上进行了改进,其结构形式见图lo----------冬拉段----------光纤滑块! itHr\"摄像机标定段 ~孑
拉线位移计宀七^ 「图1光纤应变系数标定试验装置示意图Fig. 1 Schematic diagram of optical fiber strain
coefficient calibration test device空间分辨率(1^)是表征测量系统能够区分传 感光纤上相邻两个事件点的能力,由于每一时刻传 感光纤上获得的信息实际上是某一段传感光纤的信
号积累,因此不是传感光纤上任意无穷小段上的信 息都能够区分开[⑷。采用定点拉伸法标定光纤应 变系数时,光纤传感解调设备在拉伸端附近所测得
的布里渊散射光,一部分来自受拉段,一部分来自非 受拉段,因此获得的光纤应变一般较真实值偏
小匚⑷。图2为空间分辨率对不同受拉长度光纤所
测得应变值的影响,其中图2(a)说明在应变区与非 应变区接触段应变段内受影响长度约为1/2空间分
辨率(1^/2);图2(b)和图2(c)说明当光纤应变段 长度(2)小于或等于空间分辨率(]眾)时,光纤应变
测量结果必然小于真实值。综上可见,在应变区与 非应变区接触段光纤应变的测量结果总是会受到空
间分辨率的影响,为了获得较为准确的测量结果,当
第5期安鹏举等:分布式光纤应变系数标定方法与试验145测量段的端点距拉伸端的距离大于1/2空间分辨率
长度时,基本可以避开空间分辨率对光纤应变测量 结果的影响[⑸。因此,本文提出标定段的两端距光
纤受拉端的距离要大于1/2空间分辨率长度为宜。=3无应变光纤 应变光纤 •釆样点空间分辨率(Zs』I-------------->
_ _
.
” 1______一 事件k_7 |
_ZHW^sw施加应变Mfr(a) IALsrZI事件1 IHTWI事件2 I^sA事件3B施加应变lf;* *忙
(b) Ls』2WIWL,srI事件1 IT1zhf事件2 Iw/^A事件3b^m
#
(c) lWLs』2
沿光纤方向距离/m图2空间分辨率对应变段长度的影响口幻Fig. 2 Effect o£ spatial resolution on the length offiber strain segment口妇DIC方法是一种利用随机模式的计算机图像分
析技术,在固体和结构实验力学中得到了广泛的应 用,具有非接触、全场性、对试验条件要求低、精度高
等优点,是一种有效的应变测量方法E1W7] o该方法 通过摄像机采集图像,并利用相关算法对图像进行 处理,即可得到结构表面的位移或应变场信息。
DIC方法的测量精度依赖于结构表面图案点质
量[如、数字图像的分辨率及清晰度以及相应的图像 处理算法等。本试验中只需对标定段光纤两端标记
物的位移进行测量,无需全光纤应变长度量测,因此
无需制作复杂的表面纹理特征,只需保证标记物纹 理与背景图案具有明确的反差即可,在良好的光线
条件下,采用普通相机进行图像采集,二维数字图像 相关算法即可满足试验的要求。2标定试验装置与方法2. 1标定试验装置以G. 652普通紧包光纤应变系数标定为例进
行标定试验装置的介绍。本试验自制了一台手动光 纤拉伸台(见图3),拉伸台总长为1.5 tn,有效行程
1. 2 m,通过手轮控制拉伸台的位移,采用环氧树脂
胶将光纤黏合在滑块表面,为保证最佳黏结效果固 胶时间应大于24 h后再进行拉伸试验。滑台两端
滑块位移采用千分表进行测量。图3光纤应变系数标定试验装置Fig. 3 Optical fiber strain coefficient calibration testdevice于光纤标定段两端的光纤体上分别黏贴1. 5
cmXl. 5 cm的标记薄片,在薄片下为1个5 cmX5
cm的金属背景板,薄片及背景板表面具有一定的纹 理特征,以便在DIC图像处理中程序正确捕捉标记
点,光纤、薄片、背景板三者紧黏在一起,在薄片上方 为2台摄像机,感光器件为CMOS,有效像素为
5 120X3 840。光纤解调设备为基于BOTDA的
nuebrex-6050,最小空间分辨率为10 cm。2. 2标定方法大量的理论和试验研究证明,分布式光纤中布 里渊散射信号的布里渊频移与光纤所处环境的温度
和承受的应变呈线性变化关系,其计算公式如下⑷:v(e,T) = v (eo,To)+ 创(严)&08 十警活叫J丄丁
(1)
式中:v(e,T)为当光纤应变为e、温度为T时的布里
渊频移(MHz) ;&为光纤应变的变化量(以);AT为 光纤温度的变化量(匕);也竿©为光纤应变系数
oe(MHz/处);比莒丁)为光纤温度系数(MHz/V)o在室温环境下,温度的变化量小于0. 5°C ,典型
的光纤温度系数约为1. 1 MHz/°C,引起布里渊频 移的变化小于0.55 MHz。典型的光纤应变系数约
为0. 05 MHz/Mera,而本试验中光纤的应变范围约 为0〜20 000 将引起布里渊频移变化约为1 000
MHz,故本试验中温度是次要且不显著的影响因
146素。因此,认为本试验中布里渊频移仅为光纤应变
的单一变量函数。为了对比采用拉伸台移动距离作为计算准则和
本文提出的以标定段伸长量作为计算准则的差异,
本文将两种标定方法在一次试验中同时进行。调节 拉伸台记录千分表读数,摄像机连续记录光纤上标
记薄片的位置变化,同时采用光纤传感解调仪测量
光纤受拉段相应的布里渊频移,将光纤应变结果与 光纤受拉段布里渊频移进行线性拟合,即可获得光 纤的应变系数。本试验具体步骤如下:(1) 将光纤受拉点采用环氧树脂胶黏合在滑块
上,静置24 h后再进行拉伸试验。(2) 控制滑台使光纤初始处于轻微的受拉状态,
以此作为光纤应变计算的起始值,量测两滑台之间受
拉段的距离乙以及标定段的距离乙,记录千分表1 和2的读数,打开摄像机1、2进行录像,光纤传感解
调仪测得此时光纤受拉段内各点的布里渊频移%。(3) 控制滑台位移每次步近约0. 5 mm或1. 0
mm,同样每次记录千分表读数,摄像机处于连续摄影
状态,测量光纤每次应变后的布里渊频移””。(4) 采用千分表1变化量减去千分表2的变化
量除以乙,即为传统标定方法获得的光纤应变值 耘;将摄影图像进行抽帧,基于MATLAB开源程序
Ncorr对图像中标记物位移量进行测算并除以Lb,
即为改进标定方法获得的光纤应变值厲。(5) 分别采用最小二乘法对两种标定方法获得
的光纤应变值耘、耳与光纤受拉段测点布里渊频移 的平均值》(£)进行线性拟合,可获得以滑台位移为
计算准则来标定的光纤应变系数G和以标定段长
度为计算准则来标定的光纤应变系数C6。3试验结果与讨论3. 1光纤应变段布里渊频移取值问题试验中光纤传感解调设备的采样间隔为5. 0
cm,空间分辨率为10. 0 cm,可获得光纤受拉段内各
点布里渊频移的分布,图4为多个应变状态下光纤
受拉段布里渊频移的分布。由图4可见,在光纤受拉固定端由于受空间分辨
率的影响,其布里渊频移并非截然变化,本试验中采 用的空间分辨率与采样间隔比值为2 : 1,因此最多 只出现了一个点的中间值;同时由于光纤受拉伸长会 显示总应变区域的扩大,但在标定过程中只需考虑距 其拉伸端大于1/2空间分辨率长度内受拉伸长段的
布里渊频移变化即可,因此并不影响标定结果。第26卷12.0应变仏4 30511.85 90511.67 2508 67111.41 07611.212891 584 11.020192 49610.810.6 ------------*------------'------------'-----------'—6.7 7.2 7.7 8.2 8.7
9.2沿光纤方向距离/m图4多个应变状态下光纤受拉段布里渊频移的分布Fig. 4 Brillouin frequency shift distribution along
the fiber strain segment length此外,在受拉段内,虽然光纤的理论应变水平一 致,但结果显示其布里渊频移有轻微波动,极差约为
4〜5 MHz,远远超过了温度波动所带来的影响;同
时随着拉应力的增大,其布里渊频移的波动形式并 未发生明显的变化,推测这种波动性可能是紧包光
纤的应变不均匀所导致的。本文利用偏度、KS检验、QQ图3种检验方法 对本试验中测量得到的54组光纤受拉段布里渊频移 数据进行正态性检验,检验结果表明:绝大多数试验
组偏度绝对值小于1,K-S正检验显著性水平均大于
0.1,QQ图中数据点均在『=乂线附近,说明这种波
动性数据符合正态分布。对测量得到的每组光纤受
拉段布里渊频移的极差X嗅一X透、标准差<7和平均 值黑进行统计分析,结果显示:耳F亜值最大的
组仅为0.1%,=值最大的组仅为0. 02%,数据波动性 相比其平均值非常小。因此,本文采用每组光纤受拉
段布里渊频移的平均值作为标定用布里渊频移的代 表值。3.2以拉伸台位移为计算准则的光纤应变系数C. 标定以拉伸台位移作为光纤受拉段伸长量,测算光
纤应变(6),并将光纤应变厲与光纤受拉段测点布 里渊频移的平均值\"(6)进行拟合,进而获得光纤应
变系数C.,见图5。由图5可见,在拟合优度应达0.996 6的情况
下,光纤应变系数Ca为0. 041 9 MHz/Me,这与光纤 应变系数典型值(0.05 MHz/Me)有较大的差距;单 从点的分布来看,在光纤应变较大的区域,其布里渊 频移的增量有变缓趋势,这可能是拟合光纤应变系
数较小的缘故。第5期安鹏举等:分布式光纤应变系数标定方法与试验147图5以拉伸台位移为计算准则的光纤应变系数C”标定Fig. 5 Calibration of fiber strain coefficients with
the displacement of stretch table as the calculation criterion由试验过程观察(见图6)可以看出:当环氧树 脂胶与光纤的黏结部位在光纤受拉段应变值5 000 时[见图6(a)],肉眼难以看出黏结端有变 形的迹象;当5 000 Me<£a<20 000 时[见图6(b)
和图6(c)],环氧树脂胶与光纤的黏结部分表现为 一种弹塑性变形的特征,肉眼可见胶体有明显的受 拉变形的现象;当&上20 000 Me时[见图6(d)],肉
眼可见胶体有明显的剪切滑脱现象。这种现象使得图6光纤黏结端变形-滑脱过程Fig. 6 Fiber fixed position deformation-slip process为了更详细地描述这种现象所带来的影响,本 文对&与\"(《)进行了分段拟合,其拟合结果见图
7、图8和图9。由图7、图8和图9可见,当ea<5 000戶时,光
纤应变系数的标定结果更趋近于真实值,但该曲线 的拟合优度较小(见图7),从对应点的分布特征来
看,该阶段整个系统的稳定性较差,这点可以通过标11 200ZHQ^11 100^=0.048 4^+10 837 or
於=0.993 1
亠£耦11 000區霁
ffll忙
10 90010 800I I I I T * *0 1 000 2 000 3 000 4 000 5 000 6 000应变£丿卩£图7以拉伸台位移为计算准则的光纤应变系数Ca 标定(&V5 000 件)Fig. 7 Calibration of fiber strain coe任icients with
the displacement of stretch table as the calculation criterion (ea 应变爲/匹图8以拉伸台位移为计算准则的光纤应变系数Ca 标定(5 000 M€ 11 700.肿严s ” -6 2ffll11 y=-ixl0 x+0.087 7x+10475 桿 6007?2=0.999 811 50015 000 17 500 20 000 22 500 25 000应变图9以拉伸台位移为计算准则的光纤应变系数Ca 标定(15 000 M€<£a<25 000 Me)Fig. 9 Calibration of fiber strain coefficients withthe displacement of stretch table as the calculation criterion (15 000 皆W&V25 000 fiz)定段长度CU)对应点的分布特征(见图11)得出相 似的结论,分析可能与紧包光纤的护套封装有关;当1485 000 Me 与光纤应变系数典型值(0.05 MHz/Me)偏差很大, 对应图6(b)、图6(c)光纤黏结端的变形特征,可能 是由于光纤应变的增量与光纤黏结端的弹塑性变形 大小具有高度的一致性,造成结果的拟合效果很好, 但却严重偏离真实值的现象,这是需要研究者特别 警惕的;当15 000Me 程中光纤受牵拉的固定端不可避免地会产生变形,进 而影响标定结果,这在裸光纤、紧包光纤上表现为固 结胶体的变形,在铠装光纤上则体现为护套的变形及 滑脱,因此即便有良好的线性拟合特征也需要警惕。3.3以标定段长度为计算准则的光纤应变系数C» 标定以标定段长度(J)作为光纤应变测量段,采用 DIC方法测算光纤应变(耳),并将光纤应变◎与光纤 测量段测点布里渊频移的平均值》(◎)进行拟合,进 而获得光纤应变系数通过对视频图像抽帧处理 获得光纤不同应变阶段的图像,并根据图像中的标尺 测算每像素所代表的真实距离为0. 02 mm,将图像导 入Ncorr中测算标记块空间位置的变化量。为了减 少大位移测算产生的边缘计算误差,参考图像均选择 以上一级应变下的图像作为参考,如图10所示为某 应变状态下标记薄片图像位移场图,标记薄片移动了 14个像素点换算成距离为0. 28 mmo光纤应变色的测 算结果与光纤测量段测点对应的布里渊频移具有 良好的线性关系(见图11),在拟合优度X达0.999的 情况下获得了光纤的应变系数G为0. 049 7 MHz/件图10数字图像相关方法位移测量结果Fig. 10 Displacement measurement result by DIC从以上试验结果来看,采用标定段长度作为拟 合光纤应变系数的方法明显优于采用拉伸台位移进 行拟合的结果,且DIC方法在处理光纤小应变的应 用上也获得了较为理想的结果。本试验中采用具有 一定柔性的环氧树脂胶固定紧包光纤,使试验结果第26卷ZH 12 000D11 800、 (q^=0.049 7x4-10 8373r 11 6007?2=0.999 3^w 11 400l# 11 200If 11 000毎 10 800 10 600 5 000 10 000 15 000 20 000应变%/(lx 10铅)图11以标定段长度为计算准则的光纤应变系数 (G)标定Fig. 11 Calibration o£ fiber strain coefficients with calibration segment (C&) as the calculation criterion现象更加明显。但应该指出的是,由于光纤的拉伸 荷载总是通过界面剪切的方式传递,因此无论采用 何种固定方式,这种变形误差是客观存在的,而本文 提出的方法规避了光纤应变传递产生的误差,能有 效保证光纤应变系数标定结果的准确性。4结论本文提出了一种改进的分布式光纤应变系数标 定方法,设计了研究方案和试验系统,并通过试验验 证了该标定方法的有效性,得到如下结论:(1) 在光纤应变系数标定过程中,采用拉伸台 的移动距离作为应变测量准则的方法,可能会产生 误差,即便具有较好的拟合优度,也需警惕光纤固定 端变形的影响。(2) 选择光纤受拉段内一段距离作为应变测量 段,能够有效地消除光纤固定端黏结材料或护套变 形所产生的误差。(3) 提出标定段的左右两端距相应光纤夹持受 拉端的距离大于1/2空间分辨率长度,能够避免空 间分辨率对光纤应变测量结果的影响。(4) 采用以DIC方法确定标定段受拉伸长量的 方法能够准确、有效地获得光纤伸长量的信息。(5) 本标定方法仅对紧包光纤进行了试验,对 铠装光纤并未开展试验,但从以往的经验来看,铠装 光纤在成缆过程中会不可避免地造成光纤初始应变 不均,当受拉时会存在应力分布调整的阶段,这无论 在标定过程还是使用过程中均需要引起注意,具体 影响程度还需要进一步的试验分析。参考文献:[1] 王秀彦,吴斌,何存富,等.光纤传感技术在检测中的应用与展望 □1.北京工业大学学报,2004,30(4) =406-411.[2] Hong C Y, Zhang Y F, Li G W, et al. 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