[发明专利]长距离电缆现场机械特性测试系统与方法

权利要求书

1.一种长距离电缆现场机械特性测试系统，其特征在于：包括拉曼/布里渊分布式传感系统(1)，通过环形器(106)与拉曼/布里渊分布式传感系统(1)相连的单模光纤(2)，所述单模光纤(2)包括位于电缆(3)的线芯(301)中的第一单模光纤(201)和位于电缆(3)的屏蔽层(303)中的第二单模光纤(202)，还包括与电缆(3)的线芯(301)和屏蔽层(303)通过铜鼻接头连接的变压器(4)；

所述拉曼/布里渊分布式传感系统(1)包括包含窄线宽激光器(101)，所述窄线宽激光器(101)与第一1×2耦合器(102)的单端接口相连，所述第一1×2耦合器(102)的双端接口的其中一接口与第一移频器(115)的一端相连，另一接口与第二1×2耦合器(103)的单端接口相连，第二1×2耦合器(103)的双端接口的其中一接口与脉冲调制器(104)的一端相连，另一接口在测试时分别与第一单模光纤(201)和第二单模光纤(202)的一端相连，脉冲调制器(104)的另一端与第二移频器(105)的一端相连，第二移频器(105)的另一端与环形器(106)的一个端口相连，从环形器(106)的该端口数第一个顺时针端口与在测试时分别与第一单模光纤(201)和第二单模光纤(202)的另一端相连，第二个顺时针端口与掺铒光纤放大器(107)的一端相连，掺铒光纤放大器(107)的另一端与第三1×2耦合器(108)单端接口相连，第三1×2耦合器(108)的双端接口分别与第一扫描标准具(109)和第二扫描标准具(110)的一端相连，第一扫描标准具(109)的另一端与第四1×2耦合器(111)双端接口的一个端口相连，另一个端口与第一移频器(115)的另一端相连，第四1×2耦合器(111)的单端口与第一光电转换器(112)的光电转换端相连，第一光电转换器(112)的电信号输出端与信号调理单元(114)的一个通道相连，第二扫描标准具(110)的另一端与第二光电转换器(113)的光电转换端相连，第二光电转换器(113)的电信号输出端与信号调理单元(114)的另一个通道相连。

2.权利要求1所述测试系统的测试方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：连接环形器(106)与第一单模光纤(201)，开启窄线宽激光器(101)，调整脉冲调制器(104)，使窄线宽激光器(101)的输出光具有测试所需的时域宽度，调整第二移频器(105)锁定脉冲调制器(104)调制后的脉冲光信号到一频率，该频率与窄线宽激光器(101)的频率差为纤芯层光纤(201)内出现的受激布里渊散射频率，此时第一单模光纤(201)内出现受激布里渊散射和拉曼散射，受激布里渊散射和拉曼散射的背向散射信号通过环形器(106)经过掺铒光纤放大器(107)放大，之后通过第三1×2耦合器(108)等分入第一扫瞄标准具(109)和第二扫描标准具(110)；调整第一移频器(115)，与第一扫描标准具(109)筛选的布里渊散射信号利用第一光电转换器(112)进行相干检测，由于窄线宽激光器(101)的频率和强度已知，能够得到电缆在参考态下布里渊频移及强度；调整第二扫描标准具(110)使第二光电转换器(113)所测得的光强最大，能够得到参考态拉曼散射强度及频率；

此时有如下关系：

ω_b＝ω_0b

I_r＝I_r0

其中：ω_b为测量得布里渊频移，ω_b0为参考态布里渊频移，I_r为测量得拉曼散射强度，I_r0为参考态拉曼散射强度；

步骤2：人工改变电缆(3)的始端温度，重复步骤1，测得相应的布里渊频移及拉曼散射强度，减去步骤1所得参考值即得由温度变换引起的布里渊频移和拉曼强度变化，利用信号调理单元(114)求出相应的布里渊温度系数及拉曼温度系数；

此时有如下关系，

ω_b-ω_0b＝C_btΔT

I_r-I_r0＝C_rtΔT

其中C_bt为布里渊温度系数，C_rt为拉曼温度系数，ΔT为温度变化；

再在该温度下人工改变电缆(3)始端应变，重复步骤1，得到布里渊频移，减去参考值及温度引起的布里渊频移即得由应变引起的布里渊频移；通过信号调理单元(114)求出相应的布里渊应变系数；

此时有如下关系，

ω_b-ω_0b-C_btΔT＝C_bμΔμ

其中：C_bμ为布里渊应变系数，Δμ为应变；

步骤3：断开环形器(106)与第一单模光纤(201)，连接环形器(106)到第二单模光纤(202)，重复步骤1、2得到第二单模光纤(202)的布里渊温度系数、布里渊应变系数和拉曼温度系数；

步骤4：通过变压器(4)向电缆(3)施加电压，拉曼/布里渊分布式传感系统(1)的环形器(106)分别与第一单模光纤(201)和第二单模光纤(202)相连分两次测量出此时线芯(301)与屏蔽层(303)各自的温度与应变；改变电压，测量出不同电压下温度与应变；

步骤5：根据Lamé模型，通过电缆(3)的线芯(301)与屏蔽层(303)两位置处测量得到的温度及应变建立两个方程，求出两个未知参量杨氏模量Y和泊松比v，即在测试温度下的杨氏模量和泊松比；

此时有如下关系，

Δaa=1Y(b2-a2)[pa((1-v)a2+(1+v)b2)-2pbb2]]]>

Δbb=1Y(b2-a2)[-pb((1-v)b2+(1+v)a2)-2paa2]]]>

其中：a为线芯到电缆中心内径，Δa为线芯到电缆中心内径的变化，两者比值为线芯处测得应变；b为屏蔽层到电缆中心内径，Δb为屏蔽层到电缆中心内径的变化，两者比值为屏蔽层测得应变；Y为杨氏模量，v为泊松比，p_a为线芯处的压强，p_b为屏蔽层处压强，p_a和p_b通过以下公式得到，

pa=ϵV22ln2(ba)a2b(b2-a2)C(a+b)3]]>

pb=ϵV22ln2(ba)ab2(b2-a2)C(a+b)3]]>

其中：ε为电缆绝缘材料的介电常数，V为外施电压，C为校正系数，当测量结果只关心变化趋势时设为任意常数，当测量结果需要确定绝对值时需要在实验室内进行校准。