[发明专利]一种分布式光纤温度应变测量方法

说明书

技术领域

本发明涉及分布式光纤传感器的测量方法，具体涉及一种分布式光纤温度应变测量方法。

背景技术

光纤传感技术一种新型的传感技术，具有测量精度高、抗电磁干扰、本质安全、分布式测量等优点，在电力、石化、结构、消防等领域具有广泛应用。基于布里渊散射的分布式光纤传感器是近年来发展迅速的光纤传感器，其通过检测光纤各位置背向自发或受激布里渊散射光相对入射光的频移量来实现分布式传感器对各种参数的测量，如对电缆的温度和应变的测量，尤其是基于受激布里渊散射效应的布里渊光时域分析仪（Brillouin Optical Domain Analysis，BOTDA），采用环路光纤的光路结构，因受激散射信号被放大，测量距离可达数十公里，远高于其它类型的分布式光纤传感器，是目前分布式光纤传感器中最具应用前景的一种。但是，由于布里渊频移量对温度和应变同时敏感，且二者是线性相关的，因此在实际应用过程中会存在温度和应变交叉敏感的问题，因此很难从最终得到的布里渊频移量中分离出温度和应力各自引起的变化量，严重阻碍了此类传感器的应用推广。

目前已报道的能同时测量温度和应变的相关解决技术有以下几种：

1.散射光强度和频移的双参量法(J.Smith et al,Simultaneous distributed strain and temperature measurement,Appl.Opt,38：5372-5377,1999)：这类方法同时测量背向散射光强度和频移量，联立方程解出温度和应力变化量。但布里渊光强度的测量限制了传感器的探测距离，而且光强度检测易受到外界扰动，光源输出功率抖动以及偏振态漂移等问题的影响。

2、Landau-Placzek比率法（P.C.Wait and T.P.Newson,”Landau-Placzek ratio applied to distributed fibre sensing,”Optics Communications,122(4-6):141-146,1996），这类方法同时测量布里渊散射光强度和对应变不敏感的瑞利散射光强度，通过计算二者比值（Landau-Placzek比率）提取温度变化量，但瑞利散射光的测量限制了传感器的探测长度以及空间分辨率，同时系统复杂度显著提高。

为了从本质上解决分布式光纤温度与应变交叉敏感问题，国内外提出了联合其它物理效应法，如联合拉曼散射和布里渊散射的效应。授权公告号CN 201955173U即是针对该原理提出的一种改进方案。由于拉曼散射只对温度敏感，布里渊散射频移对温度与应变都敏感。因而利用拉曼散射技术所测量的温度来解调布里渊散射频移中所包含的应变成分，如下公式求解应变分布：

ϵ(z)=Δv(z)-kTΔT(z)kϵ---(1);]]>

其中：k_T为布里渊频移温度系数，k_ε为布里渊频移应变系数，T(z)为温度分布。

应用该方案进行应变解调仍然存在以下问题：

1.光纤不能复用，导致长度坐标存在错位。基于拉曼型分布式光纤温度传感器（DTS）与布里渊光时域分析仪BOTDA的联合解调应变的方案结构如图1所示。DTS对分布式温度测量技术较为成熟，一般采用多模光纤31作为传感元件。而BOTDA采用的是普通单模通信光纤32。因而多模DTS与BOTDA所使用的光纤不能复用，需要并行铺设单模光纤32与多模光纤31。由于光纤差异，单模与多模光纤的余长设置不可能完全一致，DTS与BOTDA两种设备所测量的长度坐标在物理空间上可能存在错位。