[发明专利]一种光纤敏感环温变条件下分布式高精度应变测量方法

说明书

本发明属于光纤敏感环内部应力测试领域。其特征在于在T₀℃下，分别利用DTS系统测试出光纤敏感环在不同长度的温度分布数据，利用BOTDA系统测试出光纤敏感环的分布式布里渊频移数据，根据DTS测试出的温度分布数据实现对BOTDA测试光纤环内分布式布里渊频移数据进行温度补偿，推算得到高精度的光纤敏感环内部应力分布情况；使用温箱改变光纤环敏感环所处环境的温度，重复测试光纤敏感环内部应力分布情况；将不同温度下的环内应力分布情况进行比较，以判断光纤敏感环的在高温下的稳定性。本方法可对光纤敏感环内部应力分布在不同温度下的稳定性进行全面评估，可用于光纤敏感环的制作工艺改进、光纤敏感环评价筛选以及高性能传感器制作过程，以减少生产成本。

技术领域

本发明属于光纤敏感环内部应力测试领域，具体涉及到一种光纤敏感环温变条件下分布式高精度应变测量方法。

背景技术

光纤敏感环广泛应用于光纤陀螺和光纤加速度计等高精度测量领域。其中盘式光纤加速度计的工作原理是弹性盘受外界振动作用而产生应变，固定在弹性盘表面的传感光纤也会产生应变，采用光学相干原理将光纤应变转换为光学相位变化即可检测外界加速度，具有动态范围大、灵敏度高、工作频带宽的优点。

光纤敏感环作为盘式光纤加速度传感器的核心元件，其性能的一致性关系传感器的最终性能。由于公里级别的光纤敏感环在绕制、固化、脱模等生产过程中存在极强的不稳定性，使得不同批次的光纤敏感环的性能差异很大，进而影响到盘式光纤加速度传感器的性能。评价光纤敏感环的指标包括配对光纤环的长度匹配度、偏振串扰特性、绕制应力分布状况、以及各项性能的温度稳定性等。其中环内应力分布状况不仅可以判断光纤敏感环的绕制情况，还可以通过应力双折射影响光纤环的偏振串扰特性，导致传感器的偏振相关噪声改变，同时应力分布状况的温度稳定性也影响到了传感器在不同温度下的性能稳定性，限制了传感器的工作环境温度。

2014年，第七一五研究所的冯亚非等人针对光纤分布式应变监测中的温度、应变分离问题，设计了温度补偿方案(基于BOTDA光纤分布式应变监测的温度补偿方法.声学与电子工程，2014(2)：3.)。试验验证了温度补偿光缆的应变隔离。但由于盘式光纤加速计所用的光纤敏感环为裸纤，且绕制过程中内部本身存在应力，因此无法采用该方法进行温度补偿。

2021年太原理工大学新型传感器与智能控制教育部重点实验室的刘靖阳等人对BOTDA系统温度应变双参量传感技术研究进展进行了综述(BOTDA系统温度应变双参量传感技术研究进展.激光与光电子学进展，2021.)。其中提到了参考光纤法，该方法在22km传感距离上实现了5m空间分辨率的测量，且温度和应变的分辨率分别为2℃和20με。但是该方法测量效率低，若光纤所处环境差异大也会影响导致测量精度降低，两条光纤的长度差异也会在传感位置处引起测量误差。

2013年中国电力科学研究院，国家电网公司发明了一种分布式光纤温度应变测量方法(CN103335668A)，该发明提出通过采集数据后期处理的方式替代直接探测，能够有效克服测量时间增长的问题。软件对高空间分辨率的数据进行相邻数据点累加平均的，不仅能够有效降低空间分辨率，而且通过优化累加平均点数能够快速实现与DTS空间分辨率精确匹配。

2017年浙江杰昆科技有限公司的刘航杰等人发明了一种分布式光纤温度和应变传感装置(CN207636092U)，该发明能够发挥BOTDR、BOTDA和DTS的技术优势，实现快速、单端、双端、高精度对光纤温度和应变同时测量功能，但是没有考虑到温度应变交叉耦合司题。

目前针对于光纤敏感环内部不同长度的应变分布的测试方法的精度还不够高，在测试结果中还包含温度带来的应变影响，无法高精度地判断光纤环绕制、固化过程中带来的内部应力的分布情况。因此，迫切的需要建立一种光纤敏感环温变条件下分布式高精度应变测量方法。

发明内容