一种分布式电力光纤传感器应变标定装置及标定方法与流程

1.本发明属于分布式电力光纤传感器技术领域，具体涉及一种分布式电力光纤传感器应变标定装置及标定方法。


背景技术：

2.以光信号的变化和传输为载体的光纤传感器，由于具备不受电磁干扰、绝缘性高、耐腐蚀、体积小、便于复用、测量范围广、制作简单且成本较低的特点，目前已经被广泛应用于温度、应变、曲率、折射率等常见物理量的测量。光纤传感技术包含对外界信号的感知和传输。感知是指外界信号对光纤中传输的光进行了实时调制，使在光纤中传输的光在强度、波长、相位、频率和偏振等方面发生变化，测量时可通过这些参量的变化感知到外界信号的变化情况；传输是指被外界环境调制的光由光纤传输到光学探测器的过程，探测器将检测到的光进行数据处理后，即可获得外界信号的变化情况。
3.分布式光纤传感器以其检测距离长、动态范围广、可分布式测量等优势发展迅速，分布式光纤应变传感器由于其抗电磁干扰，耐腐蚀等优势，广泛应用于大型土木工程，如桥梁、山体等结构的健康状态的监测和预警。分布式光纤传感器以光纤作为测量元件，光纤生产厂商众多，各厂商生产的纤芯工艺各不相同，所以在使用分布式光纤传感器进行应变测试时，有必要对光纤应变系数进行标定。
4.在光纤应变系数的标定方面，相关的研究非常少。如公开号为cn103115642a的中国专利“基于布里渊散射的光纤应变和温度同时标定装置和方法”给出的标定装置包括光纤布里渊传感器测量设备，还包括防震支架、金属管以及恒温设备，利用线膨胀系数较大且稳定的金属管制作应变标定装置，通过在金属管外壁刻写螺纹精确控制光纤位置；利用金属管上光纤同时承受应变和温度、松弛光纤只承受温度的特点，进行温度和应变的同时标定；使用恒温设备对金属管上光纤和松弛光纤施加精确可控的应变和温度；通过详细的标定步骤进行光纤应变和温度系数的标定。该方案通过设计光纤布里渊传感器的应变和温度高精度同时标定装置和方法，解决了应变标定误差大、应变和温度标定效率低的问题。虽然，该方案可以对温度和应变进行标定，但金属管外壁刻螺纹工艺复杂，光纤缠绕过程中产生弯曲会产生微应变，使得应变标定的准确性大打折扣。
5.公开号为cn111678799a的中国专利“一种应用于应变标定装置的位移加载系统”给出的系统包括应变装配单元、位移加载单元和位移控制单元，其中应变装配单元包括支持筒、标定梁、梁固定件和梁对中件，位移加载单元包括加载杆、传动机构、高精度步进电机和动密封件，位移控制单元包括激光位移传感器、变送器、控制器和上位机。该系统设计的梁固定件和梁对中件，确保了标定梁安装的垂直对中精度，设计的动密封件可实现在高温高压下的位移加载，采用的高精度步进电机进行位移加载以及激光位移传感器实时测量和反馈控制，可实现高温高压工况下标定装置的位移精确加载。虽然，该方案可以实现高温下的应变标定，但需要粘贴应变片，高温会影响应变片的粘贴和焊接，无法长久使用，且受标定梁的影响无法自由控制标定距离。
6.公开号为cn112066904a的中国专利“一种分布式光纤应变传感标定系统及方法”，给出的标定系统，包括：底座、滑轨、滑动块、传动座、动力装置、位移传动装置和测量装置；所述底座上固定安装滑轨和传动座，在所述滑轨的一端设有能够沿滑轨移动的滑动块，所述滑动块夹持待测光纤的一端，所述待测光纤的另一端夹持在光纤固定端处，所述光纤固定端安装在能够搬动的坚固结构物上；所述待测光纤上分布设有多个光纤应变传感器，所述光纤固定端与底座之间设有多个活动支架，所述活动支架用于支撑待测光纤，所述滑动块与位移传动装置相连接，所述动力装置和位移传动装置通过传动座固定连接，所述测量装置安装在底座上用于测量待测光纤的应变值。虽然，该方案可以进行应变的标定，但固定光纤的方式采用缠绕式，光纤缠绕会产生微弯，拉光纤过程中固定处会产生较大应变，使得应变标定的准确性存疑。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于针对上述现有技术中的问题，提供一种分布式电力光纤传感器应变标定装置及标定方法，提高分布式电力光纤传感器应变标定的准确性，方便、实用。
8.为了实现上述目的，本发明有如下的技术方案：
9.一种分布式电力光纤传感器应变标定装置，包括能够移动的固定端机构和控制端机构，所述的固定端机构包括能够在z轴方向微调的第一位移模块，以及固定在第一位移模块上的第一光纤夹具；所述的控制端机构包括固定在第二位移模块上的第二光纤夹具，通过第一光纤夹具与第二光纤夹具对光纤的两端进行夹持，第二位移模块能够在x轴方向对光纤进行拉伸，也能够在y、z两轴方向微调，使光纤的两端在三个轴上处于同一水平线；将应变传感器安装在光纤上检测光纤拉伸形变之后的应变值；还包括能够控制位移模块运动的控制器。
10.作为一种优选的方案，所述固定端机构和控制端机构分别固定在移动平台上，移动平台通过移动平台高度调整单元支撑，移动平台自身重量可以保证在对光纤施加拉力过程中不发生移动。
11.作为一种优选的方案，所述第一光纤夹具以及第二光纤夹具采用弹性卡紧方式对光纤的两端进行夹持。
12.作为一种优选的方案，所述位移模块上设置有y轴方向位移旋钮、z轴方向位移旋钮与x轴方向位移旋钮，所述y轴方向位移旋钮、z轴方向位移旋钮与x轴方向位移旋钮均可以通过控制器进行电动控制，也可以采用手动控制。
13.作为一种优选的方案，所述位移模块上开设有公制螺纹孔，通过公制螺纹孔进行位移模块的安装和固定。
14.作为一种优选的方案，所述应变传感器检测得到的应变值通过显示屏进行显示。
15.一种基于所述的分布式电力光纤传感器应变标定装置的标定方法，包括以下步骤：
16.通过第一光纤夹具与第二光纤夹具对光纤的两端进行夹持，并在光纤的一端安装上应变传感器，初始调整第一位移模块与第二位移模块之间的相对距离，使光纤产生形变，记录应变传感器的初始应变值，以此时的状态作为初始状态；
17.继续调整第一位移模块与第二位移模块之间的相对距离，待应变传感器测得的应
变值稳定后，对应变值进行读取，同时记录实际施加的应变值，将得到的应变值与初始应变值做差，得到测得的光纤应变变化量与实际的应变变化量；
18.重复若干次以上步骤，将所得的结果做平均值，并取测得的光纤应变值和施加的应变值的比值，得到光纤的应变系数，完成对应变传感器的标定。
19.作为一种优选的方案，所述光纤的应变系数为光纤产生单位应变时引起的布里渊频移的变化量，按下式进行计算：
[0020][0021]
式中，c
ε
为应变系数，δfb为布里渊频移变化量，δε为光纤长度变化量，fb(ε)为布里渊频率，fb(0)为初始布里渊频率，ε为光纤拉长量。
[0022]
作为一种优选的方案，所述实际施加的应变值为光纤长度的相对变化量，即光纤长度的变化量占光纤初始长度的百分比，按下式进行计算：
[0023][0024]
式中，δl表示光纤长度变化量，δl0表示光纤的初始长度；光纤的初始长度δl0通过长度尺进行测量，光纤长度的变化量δl由位移模块的位移量进行测量。
[0025]
作为一种优选的方案，还包括在通过第一光纤夹具与第二光纤夹具对光纤的两端进行夹持之前，在z轴方向微调第一位移模块，以及在y、z两轴方向微调第二位移模块，使光纤的两端在三个轴上处于同一水平线；
[0026]
通过第一光纤夹具以及第二光纤夹具采用弹性卡紧的方式对光纤的两端进行夹持。
[0027]
相较于现有技术，本发明至少具有如下的有益效果：
[0028]
不需要对金属管外壁刻螺纹，不需要将光纤缠绕，也不需要粘贴应变片，操作过程简单，本发明装置适用于分布式光纤传感器的应变标定，包括对应变精度、灵敏度、分辨率、应变测量准确度、应变测量范围、应变测量稳定性等性能指标的测量。目前的应变测量仪器只能根据出厂自带系数进行测量，但每个厂家生产的光纤由于生产工艺等原因存在一定的区别，导致应变系数不同，本发明通过光纤夹具对光纤的两端进行夹持，并通过控制器来控制位移模块的运动，位移模块能够使光纤夹具之后光纤的两端在三个轴上处于同一水平线，调节灵活，本发明可以规范仪器测量和使用，使得用不同光纤测得的应变结果更准确和更有说服力。
附图说明
[0029]
为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0030]
图1本发明实施例分布式电力光纤传感器应变标定装置的结构示意图；
[0031]
图2本发明实施例位移模块的结构示意图；
[0032]
图3本发明实施例标定方法的流程图；
[0033]
附图中：1-第一位移模块；2-光纤夹具；3-移动平台；4-移动平台高度调整单元；5-光纤；6-力学模块；7-第二位移模块；8-控制器；21-y轴方向位移旋钮；22-z轴方向位移旋钮；23-x轴方向位移旋钮；24-公制螺纹孔。
具体实施方式
[0034]
以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本技术的实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本技术。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本技术的描述。
[0035]
另外，在本技术说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0036]
请参阅图1，本发明实施例提出的一种分布式电力光纤传感器应变标定装置包括固定端机构和控制端机构，其中，固定端机构包括能够在z轴方向微调的第一位移模块1，以及固定在第一位移模块1上的光纤夹具2；控制端机构包括固定在第二位移模块7上的光纤夹具2，通过两个光纤夹具2对光纤5的两端进行夹持，第二位移模块7能够在x轴方向对光纤5进行拉伸，也能够在y、z两轴方向微调，使光纤5的两端在三个轴上处于同一水平线。固定端机构和控制端机构均可移动，固定端机构和控制端机构分别固定在移动平台3上，移动平台3通过移动平台高度调整单元4进行支撑，高度可以进行调整，移动平台3自身重量可以保证在对光纤5施加拉力过程中不发生移动。力学模块6包括应变传感器和显示屏，将应变传感器安装在光纤5上检测光纤5拉伸形变之后的应变值，检测得到的应变值通过显示屏进行显示；还包括用于控制位移模块运动的控制器8，控制器8控制具体的位移量。
[0037]
在本发明实施例中，固定端机构和控制端机构的两个光纤夹具2采用弹性卡紧方式对光纤5的两端进行夹持，固定牢固且不会损伤光纤，避免光纤5固定过程中由于光纤5弯曲引起的光纤应变变化。第一位移模块1及第二位移模块7与移动平台3之间采用螺丝固定。
[0038]
如图2所示，本发明实施例的位移模块上设置有y轴方向位移旋钮21、z轴方向位移旋钮22与x轴方向位移旋钮23，并且y轴方向位移旋钮21、z轴方向位移旋钮22与x轴方向位移旋钮23均可以通过控制器8进行电动控制，也可以采用手动控制。位移模块上还开设有公制螺纹孔24，通过公制螺纹孔24进行位移模块的安装和固定。
[0039]
请参阅图3，本发明另一实施例还提出一种基于所述的分布式电力光纤传感器应变标定装置的标定方法，包括以下步骤：
[0040]
步骤1：将位移模块固定在移动平台3上，使用光纤夹具2将光纤5的两端固定，并在光纤5的一端安装力学模块6，并且连接光纤应变传感器。
[0041]
步骤2：启动控制器8带动位移模块运动一定的距离，此时光纤5产生形变，记录力学模块6中显示屏的示值，即应变传感器的初始应变值，以此时的状态作为初始状态。
[0042]
步骤3：启动控制器8继续拉动位移模块移动固定值，待稳定后，读取应变值，同时记录实际施加的应变值(根据公式计算得到)。
[0043]
步骤4：将得到的应变值与初始应变值做差，得到测得的光纤5应变变化量与实际的应变变化量。重复n次步骤3，将所得的结果做平均值，并取测得的光纤5应变值和施加的应变值的比值，得到光纤5的应变系数，完成对应变传感器的标定。
[0044]
在上述步骤中，所述光纤5的应变系数为光纤产生单位应变时引起的布里渊频移的变化量，单位为mhz/με，按下式进行计算：
[0045][0046]
式中，c
ε
为应变系数，δfb为布里渊频移变化量，δε为光纤长度变化量，fb(ε)为布里渊频率，fb(0)为初始布里渊频率，ε为光纤拉长量。
[0047]
所述实际施加的应变值为光纤长度的相对变化量，即光纤长度的变化量占光纤初始长度的百分比，按下式进行计算：
[0048][0049]
式中，δl表示光纤长度变化量，δl0表示光纤的初始长度；光纤的初始长度δl0通过长度尺进行测量，光纤长度的变化量δl由位移模块的位移量进行测量。
[0050]
本发明实施例所提出的一种分布式电力光纤传感器应变标定装置及标定方法，适用于分布式光纤传感器应变标定，包括对应变精度、灵敏度、分辨率、应变测量准确度、应变测量范围、应变测量稳定性等性能指标的测量，能够获得更准确的测量结果，实现以科学、准确、实用、方便的方法对传感光纤的基本参量进行标定。
[0051]
最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明的权利要求保护范围之内。

技术特征：
1.一种分布式电力光纤传感器应变标定装置，其特征在于，包括能够移动的固定端机构和控制端机构，所述的固定端机构包括能够在z轴方向微调的第一位移模块(1)，以及固定在第一位移模块(1)上的第一光纤夹具；所述的控制端机构包括固定在第二位移模块(7)上的第二光纤夹具，通过第一光纤夹具与第二光纤夹具对光纤(5)的两端进行夹持，第二位移模块(7)能够在x轴方向对光纤(5)进行拉伸，也能够在y、z两轴方向微调，使光纤(5)的两端在三个轴上处于同一水平线；将应变传感器安装在光纤(5)上检测光纤(5)拉伸形变之后的应变值；还包括能够控制位移模块运动的控制器(8)。2.根据权利要求1所述的分布式电力光纤传感器应变标定装置，其特征在于，所述固定端机构和控制端机构分别固定在移动平台(3)上，移动平台(3)通过移动平台高度调整单元(4)支撑，移动平台(3)自身重量可以保证在对光纤(5)施加拉力过程中不发生移动。3.根据权利要求1所述的分布式电力光纤传感器应变标定装置，其特征在于，所述第一光纤夹具以及第二光纤夹具采用弹性卡紧方式对光纤(5)的两端进行夹持。4.根据权利要求1所述的分布式电力光纤传感器应变标定装置，其特征在于，所述位移模块上设置有y轴方向位移旋钮(21)、z轴方向位移旋钮(22)与x轴方向位移旋钮(23)，所述y轴方向位移旋钮(21)、z轴方向位移旋钮(22)与x轴方向位移旋钮(23)均可以通过控制器(8)进行电动控制，也可以采用手动控制。5.根据权利要求1所述的分布式电力光纤传感器应变标定装置，其特征在于，所述位移模块上开设有公制螺纹孔(24)，通过公制螺纹孔(24)进行位移模块的安装和固定。6.根据权利要求1所述的分布式电力光纤传感器应变标定装置，其特征在于，所述应变传感器检测得到的应变值通过显示屏进行显示。7.一种基于权利要求1至6中任意一项所述的分布式电力光纤传感器应变标定装置的标定方法，其特征在于，包括以下步骤：通过第一光纤夹具与第二光纤夹具对光纤(5)的两端进行夹持，并在光纤(5)的一端安装上应变传感器，初始调整第一位移模块(1)与第二位移模块(7)之间的相对距离，使光纤(5)产生形变，记录应变传感器的初始应变值，以此时的状态作为初始状态；继续调整第一位移模块(1)与第二位移模块(7)之间的相对距离，待应变传感器测得的应变值稳定后，对应变值进行读取，同时记录实际施加的应变值，将得到的应变值与初始应变值做差，得到测得的光纤(5)应变变化量与实际的应变变化量；重复若干次以上步骤，将所得的结果做平均值，并取测得的光纤(5)应变值和施加的应变值的比值，得到光纤(5)的应变系数，完成对应变传感器的标定。8.根据权利要求7所述的标定方法，其特征在于，所述光纤(5)的应变系数为光纤产生单位应变时引起的布里渊频移的变化量，按下式进行计算：式中，c
ε
为应变系数，δf
b
为布里渊频移变化量，δε为光纤长度变化量，f
b
(ε)为布里渊频率，f
b
(0)为初始布里渊频率，ε为光纤拉长量。9.根据权利要求8所述的标定方法，其特征在于，所述实际施加的应变值为光纤长度的相对变化量，即光纤长度的变化量占光纤初始长度的百分比，按下式进行计算：
式中，δl表示光纤长度变化量，δl0表示光纤的初始长度；光纤的初始长度δl0通过长度尺进行测量，光纤长度的变化量δl由位移模块的位移量进行测量。10.根据权利要求7所述的标定方法，其特征在于，还包括在通过第一光纤夹具与第二光纤夹具对光纤(5)的两端进行夹持之前，在z轴方向微调第一位移模块(1)，以及在y、z两轴方向微调第二位移模块(7)，使光纤(5)的两端在三个轴上处于同一水平线；通过第一光纤夹具以及第二光纤夹具采用弹性卡紧的方式对光纤(5)的两端进行夹持。

技术总结
一种分布式电力光纤传感器应变标定装置及标定方法，标定装置包括可移动的固定端机构和控制端机构，固定端机构包括能够在Z轴方向微调的第一位移模块，以及固定在第一位移模块上的第一光纤夹具；控制端机构包括固定在第二位移模块上的第二光纤夹具，通过光纤夹具对光纤的两端进行夹持，第二位移模块能够在X轴方向对光纤进行拉伸，也能够在Y、Z两轴方向微调，使光纤的两端在三个轴上处于同一水平线；将应变传感器安装在光纤上检测光纤拉伸形变之后的应变值；还包括能够控制位移模块运动的控制器。本发明同时提供了一种基于所述分布式电力光纤传感器应变标定装置的标定方法。本发明能够提高分布式电力光纤传感器应变标定的准确性，方便、实用。实用。实用。


技术研发人员：窦伟伟 冯学斌 武健 胡悦 李璇 张晔
受保护的技术使用者：中国电力科学研究院有限公司
技术研发日：2023.08.07
技术公布日：2023/10/7