[发明专利]布里渊光纤传感系统应变校准装置及校准方法

说明书

本发明公开了一种布里渊光纤传感系统应变校准装置及校准方法。本发明通过伺服电机带动滚珠丝杠转动，使固定在导轨上的移动滑块产生水平运动，进而使固定在移动滑块上的单模裸光纤产生应变位移，光栅尺读取光纤应变位移，通过比较读取值和预设值，在到达减速范围后，控制器制动伺服电机逐步减速，最终到达预设位移值，实现对光纤施加已知的固定应变，结合布里渊光纤传感系统获取光纤中布里渊散射光信号的频移量，实现对应变‑频移系数的标定，也可实现对布里渊光纤传感系统应变参量的校准。相比较于现有技术，本发明装置结构简单，操作方便，具有定位精度、平行度以及直线度高、回程间隙底的特点。

技术领域

本发明涉及一种适用于煤矿矿井光纤传感型安全监测系统的校准装置及校准方法，特别涉及一种基于布里渊光纤传感系统的应变校准装置及校准方法。

背景技术

目前基于光纤传感技术主要包括：瑞利散射、拉曼散射和布里渊散射；瑞利散射的光纤传感技术只能测量光纤的损耗和断点，不能测量温度和应变等物理量，而基于拉曼散射原理的光纤传感，是分布式光纤传感中最为成熟的技术之一，拉曼散射的光信号相对较弱，因此检测较为困难，而且只对温度敏感，难以用于需要应力检测的地质、建筑结构等场合。布里渊散射对温度和应变都敏感，温度和应变会引起原始光信号的频移现象，因此，通过测量频移可以实现对光纤温度-频移系数、应变-频移系数的标定，布里渊光纤传感系统在测量精度、测量范围以及空间分辨率方面均高于其他传感技术。布里渊散射光信号对温度/应变交叉敏感，常见分离温度/应变的方法是通过检测布里渊散射光信号频移量和功率变化，实现温度/应变分离，但功率检测易受干扰、稳定性不好，且由于温度对布里渊信号频移和功率的敏感系数远大于应变敏感系数，频移和功率检测的误差会对应变检测结果带来较大影响。因此要实现对应变-频移系数的标定，对光纤应变校准装置有很高的要求。

传统的光纤应变检测装置采用竖直悬挂砝码的方式拉伸光纤，给光纤固定的拉力，通过检测布里渊散射频移量，实现对光纤应变的测量。装置通过砝码给光纤提供固定轴向力，光纤应变系数C_ε已知，由公式F＝C_ε×Δx(式中：F—力；C_ε—光纤应变系数；Δ_x—光纤应变位移量。)可得光纤的理论应变位移量Δx。由此可知，装置不能直接使光纤产生固定的应变，只能提供理论值，造成装置系统误差；另外装置通过滑轮把砝码竖直方向的力转换成水平方向的力，理论上认为两方向力的大小是相等的，由于滑轮摩擦力使得水平方向力减小，造成装置系统误差；此外装置通过更换砝码，给光纤提供不同的拉力，造成装置灵活性差、测量范围小。因此，研制一套布里渊光纤传感系统应变校准装置显得极为重要。

发明内容

本发明针对现有技术中不能直接获取光纤的应变量而导致应变-频移系数计算不准确，进而影响布里渊光纤传感系统应变量的解调精度，本发明的目的在于研制一套布里渊光纤传感系统应变校准装置及校准方法，通过向光纤施加已知的标准应变，结合布里渊光纤传感系统获取光纤中布里渊散射光信号的频移量，进而得到应变-频移系数，进而实现对光纤传感装置应变参量的校准。

本发明的技术方案：

本发明包括固定底座、移动底座、伺服电机、电机减速器、滚珠丝杠、丝杠固定件、导轨、移动滑块、光纤夹持器、光纤夹持器固定件、光栅尺、光栅尺固定件。两个光纤夹持器通过光纤夹持器固定件分别固定在移动滑块以及夹具台上，用于固定裸光纤，单模裸光纤的一端由移动滑块上的光纤夹持器固定，另一端由夹具台上的光纤夹持器固定，并使待测裸光纤处于一定的预张紧状态，此时待测裸光纤初始长度l等于两个光纤夹持器的固定棒端头之间的长度。通过平移移动底座改变固定底座与夹具台之间距离，可满足不同长度待测光纤的安装、测量要求，夹具台与移动滑块高度一致且始终固定，光栅尺固定件把光栅尺读数头固定在移动滑块上，光栅尺读数头用于读取移动滑块的相对位移量，伺服电机通过带动丝杠转动，使移动滑块产生轴向运动，进而带动单模裸光纤产生一定量的相对位移量Δl，达到向光纤施加标准应变ε的效果。相对位移量Δl与应变量ε的关系为ε＝Δl/l。