如何实现光纤传感中温度和应力的解耦呢?

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B-OTDR能实现对温度和应变进行传感,主要依据是光纤中布里渊信号的布里渊频移与温度以及应变的 线性关系

但由于温度和应变交叉敏感的影响,B-OTDR很难通过布里渊频移的波动直接分离区分光纤中变化的应变与温度信息,这对它的实际工程应用产生了一定的限制。

特别是在真实的分布式光纤网络环境中,温度和应变都是随机变化,这种交叉敏感问题制约了基于布里渊散射的全分布式光纤传感器的实用化。如何解决交叉敏感问题,或者说是如何做到 温度与应力的解耦 ,成为B-OTDR商用的第一大技术难题。

光纤传感器

解决基于布里渊散射的全分布式光纤传感器的交叉敏感问题最初的方案是在测量光纤的旁边布置**温度补偿光纤**(参考光纤),让参考光纤处于松弛状态,仅测量被测量场的温度信息,然后从测量光纤的测量信息中扣除温度的信息,实现温度和应变的同时测量。这种方案由于需要同时并行布置 两套光纤 ,实用性并不高。

光纤传感器

目前国内外研究的方向主要是利用工作光纤自身来解决交叉敏感问题,当前的理论解决方案可以归纳为四种:

1)基于布里渊散射谱的双参量矩阵法;
2)基于特种光纤的双频移矩阵法;
3)基于Landau-Placzek率;
4)联合其它的物理效应。

在上述四种解决交叉敏感问题的方案中,基于Landau-Placzek率法和联合其他的物理效应法的这两种方案,除了需要测量 布里渊散射谱 ,还要测量Rayleigh散射谱或Raman散射谱,系统结构比较复杂,实现成本高,实用化难度大。

基于特种光纤的 双频移矩阵法 ,由于需要特种光纤作为传感器件,传感系统的费用会显著增加,而且这种方案也难以应用到已敷设普通光纤的系统中去,应用面相对较窄,商业价值不高。

基于普通单模光纤的布里渊散射谱的双参量矩阵法是当前用于解决交叉敏感问题的主要方案,其计算方法如下面的公式所示。

光纤传感器

式中δ****vB为布里渊频移的变化量,δ****X为对应温度和应变的另一个特征参量的变化量,α为对应的作用系数,δ****ε为应变的变化量,δ****T为温度的变化量。

其中联合布里渊峰值功率频移应变和温度的关系构建的解决交叉敏感问题的方案精度较高。

但是由于线路中可能引起布里渊峰值功率变化的因素很多,要精确求解应变和温度必须找到合适方法先行消除线路中其他因素对布里渊峰值功率的影响。

目前市场上还只有极少数厂家的商用仪表已经较好地解决了交叉敏感这个问题。

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